基于学习进阶的问题驱动式教学——以“楞次定律”教学为例

云南师范大学物理与电子信息学院（650500）何景佳 徐晓梅

云南省剑川县民族中学（671300）龙 云

基于学习进阶理论，按照学生思维发展水平将某一核心概念划分层级，确认相应的教学目标。实际教学中，将问题引入学生的学习活动中，以问题为学习任务的载体，以解决问题为学习的驱动力，可以有效帮助学生把握物理核心概念，形成物理观念［1］。

一、学习进阶与问题驱动式教学

学习进阶是对学生在各学段学习同一主题的概念时所遵循的连贯的典型的学习提升路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列［2］。

问题驱动式教学指在实际情境中产生问题，以激发学生主动探索的求知欲，在教师的引导下通过探究、讨论、辨析等方式解决问题的教学。它要求教师创设贴合学生水平的情境，提高学生学习的主动性，提高学生的课堂参与度［3］。

基于学习进阶理论的问题驱动式教学就是教师以问题为核心组织的教学。通过问题层层推进，让学生在解决问题的过程中不断深化思维，逐步达到学习进阶的教学目标，使学生连贯地、不脱节地学习相关知识。

二、“楞次定律”问题驱动式教学案例

以2019 年人教版选择性必修第二册第二章第一节“楞次定律”作为案例，设计有逻辑关联且不断递进的问题驱动教学方案。

（一）进阶分析

1.进阶起点分析

学生已有的事实经验：在进行感应电流产生条件的探究实验中，学生通过实验观察了大量的电磁感应现象。在对这些现象进行观察的过程中，学生发现用来检验感应电流的电流表与以往的电流表不一样，此电流表的指针有时候向左偏，有时候向右偏。学生发现感应电流的方向与操作有关。

2.进阶目标分析

学生要达到的目标：楞次定律体现了电磁感应现象中的能量守恒，学生要学会从运动与相互作用、能量转化的角度分析，深入理解楞次定律［4］。

3.进阶层级预设

将学习进阶理论应用于物理教学，需要围绕某一核心概念，构建该概念学习的水平进阶层级，以追踪学生在学习该概念的过程中的认知发展情况，方便教师调控教学方式方法，进而促使学生学好该概念。基于学习进阶理论，将学习进阶分为“事实经验”“映射”“关联”“系统”和“整合”五个台阶［5］，相应的描述见表1。

表1 科学概念的发展层级

学生的学习从直观的事实经验出发，经历知识、思维发展由浅入深、由简单到复杂的过程，完成对楞次定律概念的进阶理解。如表2 所示，该发展层级详细地指出学生在楞次定律不同水平下的具体表现，让教师清晰明了地知道这一节课不同时间段的教学目标，以此来安排整堂课的教学内容就使学生的学习具有连贯性，这样学生也会学得更好。

表2 楞次定律概念理解的发展层级

学生通过上节课实验探究出了感应电流产生的条件，知道条形磁铁沿不同方向插入或拔出对感应电流的方向有影响，具有一定的经验，为这节课的学习奠定了基础。随着实验探究的深入，就达到了“映射”层级，知道原磁场方向与磁通量的变化都会影响感应电流的方向。接着通过分析实验结果，将原磁场方向与磁通量的变化具体如何影响感应电流的方向讨论出来。在此结论的基础上，将楞次定律用简洁的语言表达出来。接下来，就要拔高学生的思维，让学生将楞次定律的本质理解透彻，学生要学会从运动与相互作用、能量转化的角度分析，从能量守恒的角度理解楞次定律。最后就是根据楞次定律的概念理解发展层级，通过问题驱动帮助学生一级一级地进阶。

（二）进阶过程

1.旧知回顾：激发疑问，帮助学生提取已有的经验和认知，达到“经验”层级。

【驱动性问题】如何判断闭合电路中是否能产生感应电流？

上节课学生已经通过学习知道了产生感应电流的条件是闭合回路以及穿过回路的磁通量发生变化。引导学生回忆将条形磁铁插入或拔出线圈的实验。学生观察了大量的电磁感应现象，在观察这些现象的过程中，发现用来检验感应电流的电流表的指针有时候向左偏，有时候向右偏。发现改变条形磁铁的N 极和S 极，拔出、插入时对感应电流的方向有影响。

2.实验探究：学生通过具体的实验操作理解概念，是从“经验”到“映射”进阶的过程。

【驱动性问题】感应电流方向与哪些因素有关？

通过上次探究感应电流产生的条件发现，线圈中磁通量的变化会引起感应电流，由此可以引导学生猜想感应电流的方向可能与磁通量的变化有关。为了检验学生提出的猜想是否正确，引导学生利用现有的实验器材（线圈、条形磁铁、灵敏电流计、导线），根据上节课学习的内容进行实验验证。

实验过后发现学生不容易将感应电流的方向与磁通量的变化建立直接联系。这时，教师需要引导学生转换思考问题的角度。学生发现感应电流的产生与磁场息息相关，于是再次猜想感应电流的方向与原磁场方向有关。

为了检验以上猜想是否正确，教师设计下面3个问题引导学生进行实验验证。

问题1.如何知道引起感应电流的线圈中原磁场的方向与变化？

问题2.如何知道感应电流的方向？

问题3.如何知道感应电流激发的磁场方向？

学生利用实验器材根据以上问题设计实验，在表3中记录实验结果。

表3 实验现象记录表

从表3 可知磁通量发生了变化，感应电流的方向也发生了变化，但是从表3 无法得到直接关系。原磁场的方向变化也影响感应电流的方向，但是依旧无法得到任何结论。由表3 记录的结果发现，似乎都对感应电流的方向有影响，就是没办法直接得到它们之间的关系。因此，教师必须带领学生分析实验结果，才可以得到正确结论。

3.实验分析：教师带领学生对实验结果进行细致分析，实现概念理解从“映射”到“关联”的进阶。

【驱动性问题】感应电流方向究竟与原磁场方向和磁通量的变化有什么关系？

为了帮助学生厘清思路，解决上述问题，教师设计下面两个问题引导学生进一步分析。

问题1.观察表3，思考感应电流的磁场方向与原磁场方向是否相同。

学生回答：不一定，有时相同，有时相反。

问题2.观察表3，思考并分析感应电流的磁场方向与原磁场方向在什么情况下同向，在什么情况下反向。

学生回答：与磁通量变化有关。当磁通量增大时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当磁通量减小时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。

通过这节课的学习，我们发现，不是所有的结论只要实验就可以直接得到。在物理学习中，对实验结果或者实验数据的分析总结，也是非常重要的。

4.概念定义：学生通过对实验的总结定义概念，实现概念理解从“关联”到“系统”的进阶。

【驱动性问题1】对上述结果分析进行总结，引导学生尝试提炼关系，并思考感应电流产生的磁场对磁通量的变化起什么作用。

通过前面对实验结果的分析，就可以引导学生总结得到楞次定律：感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

这里需要学生深入理解楞次定律中“阻碍”的意思。学生通过表3 和之前的总结发现：感应电流产生的磁场“老是”不想让穿过线圈的磁通量继续变化。当磁通量增大时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，不利于穿过线圈的磁通量的增大；当磁通量减小时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，不利于穿过线圈的磁通量的减小。这就是“阻碍”作用。

【驱动性问题2】用楞次定律可以判断感应电流的方向，除此之外还有其他更简便的方法吗？

引导学生回忆之前所学的右手螺旋定则。在判断直线电流的方向和它的磁感线方向时，就是利用右手螺旋定则。通过知识迁移提出，用手指来简单判断感应电流的方向，即右手定则。

5.概念整合：学生最后通过思维拔高学习，实现概念理解从“系统”到“整合”的进阶。

【驱动性问题】如何从能量守恒角度解释楞次定律？

楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现［4］。可以在课堂中播放视频重现“落磁”实验，设计下面两个问题引导学生深入思考。

问题1.用这节课所学的楞次定律解释下落的磁铁为什么会减速。

问题2.磁铁在下落过程中减少的机械能去哪里了？

根据楞次定律可知，下落的磁铁周围会产生一个磁场，进入螺线管中后，螺线管中产生的感应电流也会产生磁场，排斥下落的磁铁，这就是磁铁下落会减速的原因。若要维持下落的磁铁运动速度不变则需要有外力对磁铁做功。根据能量守恒规律知道减少的机械能是不会凭空消失的，这些减少的机械能其实是转化成了电能，就是产生了感应电流。因此，楞次定律与能量转换和能量守恒规律是相符合的。

三、总结

这是一节实验探究课，在猜想与假设阶段，由教师提出驱动性问题，明确猜想和探究的方向，在总结定律阶段更需要教师用有逻辑的、连贯的问题厘清学生的思路。本节课充分发挥问题的引导作用，帮助学生一步一步地解决问题，顺利总结出楞次定律。根据上节课所学的内容，实验设计在这次探究过程中较为容易，难度也不是最大的，教师只需适当地提问引导，让学生小组合作、讨论和动手操作，就可以使实验简单易做，且现象明显。但是，学生在分析实验结果、寻找规律、得出结论时，总结规律是困难的。因此，教师可以通过驱动性问题引导学生，让学生有思考的方向，减轻学生学习的难度。在此过程中教师设计适当的驱动性问题就显得很重要。