基于科学探究实施差异教学——以“电流的磁效应”第二课时为例

浙江慈溪市新世纪实验学校（315301）罗小飞

浙江慈溪市庵东实验学校（315300）游天下

目前，教学节奏快、学生能力发展缓慢的科学探究课较为常见，究其根源是探究能力的目标定位、探究活动的实施过程、探究学习的反馈评价多关注学生的共同性，而较少关注学生的差异性。教师往往将关注对象锁定为一部分学生，而对其他学生关注不够；往往注重探究任务的完成，而忽视学生的差异发展。因此，教师应关注学生的个体差异，基于科学探究实施差异教学，从而激发各个层次学生参与科学探究的热情，最大限度地提升学生的科学探究能力。下面笔者以“电流的磁效应”第二课时为例来细致阐述具体的差异教学实施过程。

一、照顾学生能力差异，制订差异探究目标

中学生因性格、兴趣等方面存在差异，致使其探究能力也存在一定的差异。笔者通过观察学生的课堂发言、实验操作、科技创新、社会实践等方面的表现情况，同时结合阶段性的量化检测，将学生的探究能力分为A 层（探究能力强）、B 层（探究能力中等）、C 层（探究能力弱）三个层次，然后针对学生的不同能力层次制订差异探究目标，尽量让各个层次学生的能力培养目标落在其最近发展区，从而最大限度地提升学生的科学探究能力。

例如，本节课要探究影响通电线圈磁性强弱的因素，就必须先对其影响因素做出猜想。其中，对于A 层学生，要求能主动联系生活、迁移旧知进行发散性猜想，如联系生活中的电磁起重机（由粗壮的铁芯及密绕的线圈组成，使用时必须通以较强的电流），或迁移奥斯特实验（通过增强电流使得现象更明显），或迁移环形电流磁场知识点（多个环形电流比一个环形电流引发的磁场大）……从而猜想影响通电线圈磁性强弱的因素有电流大小、线圈匝数、导线粗细、有无铁芯、铁芯大小等。对于B 层学生，要求能主动回顾并迁移旧知，但需要教师引导他们联系实际生活，发散思维，尽量实现针对三个影响因素的猜想。对于C 层学生，则需要在教师的帮助下，回顾旧知和联系实际生活，从而努力实现针对两个影响因素的猜想。像这样，就科学探究的某一要素制订既符合学生学习水平又有一定挑战性的差异探究目标，让不同层次的学生都能积极迎接挑战、展示才华、提升能力，从而提振信心、挖掘潜能、实现价值。

二、满足学生学习需要，呈现差异探究内容

为了满足不同层次学生的学习需要，教师要根据教学目标对教学内容做相应的调整，尽量多给学生选择的机会。因此，教师可在了解学生个体差异的前提下灵活处理教材，设计出可供选择的探究内容，尽量满足每位学生的学习需要。

例如，“探究影响通电线圈磁性强弱的因素”是本节课的核心。通过探究，不仅可以培养学生的猜想能力，还可以培养学生设计实验方案和获取事实与证据的能力。因此，教师应在课堂上给学生呈现可供选择的探究内容，引导学生进行探究，发散学生思维。对此，笔者在学生做出诸多猜想后，允许学生根据自己的喜好选择某一个或某几个影响因素来设计实验。C 层学生大多会选择线圈匝数或电流大小来进行较为简单的实验设计；B 层学生大多会从线圈匝数、导线粗细、电流大小、有无铁芯（或铁芯大小）这些影响因素中选择两个来设计研究单一变量或综合研究两个变量的实验方案；A 层学生选择较为自由，且喜欢设计综合性更强的实验方案。此外，笔者还给学生提供了以下实验器材：直径不同的纸筒若干、粗细不同的漆包铜丝若干、粗细不同的铁钉若干、大头针若干、导线若干、1 组电源、1 个普通开关、1 个单刀双掷开关、1 个定值电阻、1 个滑动变阻器、1 个电流表等，从而方便学生在设计实验方案后选所需要的实验器材进行动手实验（即实验DIY）。从中不难发现，围绕具体探究任务呈现差异探究内容，可以最大限度地满足学生的学习需要，同时也为探究活动的有效开展奠定了良好的基础。

三、提供学生探究机会，设置多元探究任务

教师应从学生探究能力的差异出发，根据可供选择的探究内容，设置多元探究任务，努力为学生提供探究机会。鉴于此，笔者在本节课安排了由浅入深、由易到难的两个大的探究任务，并在每个大任务中再设置开放性、综合性的子任务，努力给学生提供参与探究及展示才华的机会。

（一）初探：影响通电线圈磁性强弱的因素

该探究任务是本节课的核心。在探究过程中，笔者通过一个开放性子任务培养学生设计实验方案的能力，再通过一个综合性子任务培养学生获取事实与证据的能力。

1.开放性子任务——尊重差异，创造性地设计实验方案

笔者让学生针对“探究影响通电线圈磁性强弱的因素”这一探究内容创造性地设计实验方案。笔者先利用问题驱动的方式，对不同层次的学生做适当的引导，为其后续创造性地设计实验方案提供“脚手架”。如：①你将怎样来比较通电线圈磁性的强弱？②若要研究某一因素（如线圈匝数），你将采用什么方法？③你将如何控制无关因素（变量）保持不变？④你又如何改变要研究的因素（变量）？⑤请再列举一个研究因素（如电流大小），说说你的具体研究思路。⑥该探究中主要用到了哪两种方法？笔者一般会请C 层学生回答①②两个问题，B层学生回答③④两个问题，A层学生回答⑤⑥两个问题。笔者尊重学生的个体差异，让不同层次的学生根据自己的喜好自由选择研究因素来创造性地设计实验方案。比如，对于C 层学生，他们常选择线圈匝数或电流大小来设计实验方案。其中选择“线圈匝数”的设计如图1 所示，在相同的铁钉上缠绕匝数不同的线圈，并先后接入同一电路，观察通电线圈吸引大头针的数目；选择“电流大小”的设计如图2 所示，将一定匝数的线圈与滑动变阻器串联，调节滑动变阻器的滑片（改变电流大小），观察通电线圈吸引大头针的数目。对于B 层学生，笔者不仅鼓励他们设计研究单一变量的实验方案，还鼓励他们设计综合研究两个变量的实验方案。研究“导线粗细”的设计如图3 所示，将铁芯、匝数都相同但导线粗细不同的通电线圈先后与滑动变阻器串联，并使电流相同，然后观察通电线圈吸引大头针的数目；研究“有无铁芯”（或铁芯大小）的设计如图4 所示，先后将线圈匝数相同的带铁芯和不带铁芯（或较大铁芯）的线圈接入同一个电路，观察两次通电线圈吸引大头针的数目。有的学生利用单刀双掷开关改变接入的线圈匝数，利用滑动变阻器改变电流，这样既可以研究“线圈匝数”，又可以研究“电流大小”（如图5）。对于A 层学生，笔者鼓励他们设计综合研究两个或三个因素的实验方案。其中将两个匝数不同的线圈与滑动变阻器串联，来研究“线圈匝数”“电流大小”两个因素（如图6）；仿照滑动变阻器移动滑片改变线圈匝数，利用滑动变阻器改变电流大小，同样能研究两个因素（如图7）；将三个螺线管（A、B匝数相同，导线粗细不同；B、C导线粗细相同，匝数不同）与滑动变阻器串联在同一电路中（如图8），可以综合研究猜想中提及的所有因素。其他还有许多，这里就不一一罗列了。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

综上，让不同层次的学生在自由开放的环境下选择自己喜欢研究的因素，并采用自己喜欢的思维方式，大胆地进行创造性设计，大大调动了学生参与探究活动的积极性，最大限度地挖掘了他们的创造潜能。

2.综合性子任务——利用差异，合作式收集事实证据

学生的差异正是他们进行交往与合作探究的前提。教师应利用学生的差异，让学生在合作探究中相互帮助、相互启发、相互激励，最终实现共同进步。

例如，有了创造性设计方案之后，让学生以4人为一组进行合作式探究实验来收集事实证据。首先小组交流、选择、修改、完善实验设计方案，然后互帮互助进行动手制作、调试、改进、再试等。下面展示部分小组的合作探究情况。有的小组既有图2 的设计，又有图4 的设计，经组内讨论，整合了两种设计，将线圈绕在纸筒上，并将线圈与滑动变阻器串联，这样可以利用滑动变阻器改变电流大小，及通过在纸筒内放不放铁芯或放入不同大小的铁芯来实现有无铁芯或改变铁芯的大小（如图9）；有的小组根据图3 的设计，在两根相同的铁钉上分别用粗细不同的漆包铜丝密绕了100 匝，然后先后接入同一个电路，通过移动滑动变阻器滑片控制两次的电流相同，从而研究通电线圈磁性强弱与导线粗细的关系（如图10）；有的小组根据图6 的设计，将两个匝数不同的线圈（内含铁钉）接入电路来研究通电线圈磁性强弱与线圈匝数的关系，然后移动滑动变阻器滑片，观察同一线圈先后吸引大头针的数目，以此来研究通电线圈磁性强弱与电流大小的关系（如图11）；有的小组则根据图8 的设计，利用控制变量法来综合研究猜想中提及的所有因素（如图12）。在这样的合作式探究实验中，学生不仅能各司其职，还能组内互助、组内交流、差异共享。

图9

图10

图11

图12

（二）再探：电磁铁的优点

不同层次学生通过创造性的实验设计和合作式探究实验，获得结论：通电线圈磁性强弱与线圈匝数、电流大小、有无铁芯（或铁芯大小）有关，与线圈导线粗细无关。在此基础上，引出电磁铁的概念——带铁芯的通电线圈。笔者顺势引导学生探究电磁铁的优点，该探究是本节课的难点，也安排了两个子任务，着重培养学生获取事实与证据的能力和表达与交流的能力。

1.开放性子任务——利用差异，从探究实验中发掘优点

在学生合作探究后，笔者在原有实验仪器的基础上再给每个小组提供一根条形磁铁，继续让小组学生通过团结协作、交流启发、共同实验来探究电磁铁的优点。

一些小组直接回想之前的探究结论，并再次进行简单实验操作后指出电磁铁的优点——可以改变磁性强弱。笔者追问：那通过改变什么因素来改变磁性的强弱最为方便呢？学生通过实验达成共识：改变电流的大小最方便。于是，小结出电磁铁的优点1：电磁铁磁性的强弱可以通过改变电流的大小来控制。一些小组则直接利用图9、图10、图11、图12 等创新设计和合作实验的装置，再次进行实验，发现闭合开关，电磁铁有磁性，能吸引大头针；断开开关，电磁铁无磁性，无法吸引大头针，从而得出电磁铁的优点2：电磁铁的磁性有无可以通过开关的通断来控制。在此基础上，笔者继续让小组学生思考讨论：你还能通过实验发掘电磁铁的优点吗？这里必须联系前面学过的通电直导线或通电螺线管周围磁场的方向与电流方向有关。在该环节中，A 层学生在小组合作探究中发挥较为重要的作用，他们带领B 层和C 层学生一起经历实验方案的设计（如图13），并且一起搭建电路进行实验。当单刀双掷开关掷于a时，实验情况如图14 所示；当单刀双掷开关掷于b时，实验情况如图15 所示。当然也可以直接将电源的正负极调换后接入电路，这样可以得出电磁铁的优点3：电磁铁的磁场方向可以通过改变电流方向来控制。在课堂上仅依靠教师一个人来关照学生的差异是有困难的，但如果能将A 层学生发展成教师的助手，由他们来帮助其他学生，就可让整个团队协同合作、互惠共赢。

图13

图14

图15

2.综合性子任务——尊重差异，从表达交流中认识原理

既然电磁铁较一般磁铁有明显的优点，那么它在实际生活中一定有更为广泛的用途。为了更好地让不同层次的学生表达实际生活中电磁铁的工作原理，提升学生表达与交流的能力，教师应给学生设置综合性子任务。

例如，生活中利用电磁铁的优点设计制作的电磁继电器应用十分广泛。于是，笔者就根据电路图（如图16）来连接实物（如图17、图18），并将实验过程用实物投影展示出来：当控制电路的开关断开时，工作电路中的蓝灯L1亮；当控制电路的开关闭合时，工作电路中的绿灯L2亮。随即，请学生尝试表达电磁铁的工作原理，并说明应用了电磁铁的哪个优点。笔者一般会先请C 层学生来表达，并用问题链来做适当引导，如开关闭合时，电磁铁是否有磁性？电磁铁若有磁性将会对衔铁产生怎样的力？衔铁向下运动，使得衔铁的动触点与哪个静触点接通？这样的话，工作电路中哪个灯会亮？若开关断开又会怎样？然后，再请B 层学生来补充表达，并引导他们表述出电磁铁在电路中的作用。最后，请A 层学生来归纳提炼，表达出电磁铁类似于单刀双掷开关。经过不同层次学生的共同表述，达成共识：电磁继电器利用了电磁铁磁性的有无可以通过电流的有无来控制的优点，电磁铁类似于单刀双掷开关，在实际生活中经常利用它来实现“低电压、弱电流控制高电压、强电流”。在此基础上，笔者再出示光敏电阻（说明电阻随光照强度的变化规律）、压敏电阻（说明电阻随压力大小的变化规律），让各小组学生按照自己的喜好认领一个，并思考讨论：若用这样特殊的电阻替代图16 中的开关，可利用电磁铁的什么优点来实现对工作电路的控制？并具体阐述其工作原理。对于这样有较高难度的应用，可先组内讨论，发挥A 层学生对其他层次学生的引领和帮扶作用；再组间互动交流，要尽量给B 层和C 层学生表达交流的机会，这既是对探究能力稍弱学生的照顾，也是对本节课探究能力培养效果的一次验收。最终归纳得出：特殊电阻与电磁铁串联是应用了电磁铁磁性强弱可以通过改变电流的大小来控制的优点，这样只需通过改变光照强度（或压力大小）就可实现对工作电路的动态控制。

图16

图17

图18

四、促进学生差异发展，实施差异探究评价

教学评价是课堂的调味剂，它贯穿教学的始终。为了促进学生的差异发展，教师应通过及时的反馈和评价来对教学过程进行调控和校正。

例如，在动手实验环节，首先进行组内学生相互评价，评价原有设计方案在具体实施过程中“是否易于操作”“是否现象明显”“是否需要改进”。然后进行组间汇报交流，开展自评和互评。自评中可以中肯评价组员的个人表现情况、团队合作情况、解决疑难问题的情况，甚至可以展示实施过程中的困惑，寻求帮助等；互评中可以客观地评价其他组设计的实验方案的优缺点，及提供改进方案等。教师可以针对个别学生在某一方面的表现（如操作技能）进行点评，也可以针对某个组或某几组学生的情况（如团队合作）进行点评，还可以针对全班学生的表现情况进行总结性点评等。这样的差异探究评价能激发兴趣、激励创新、鼓励合作，取得了一般探究评价无法匹敌的效果。

总之，在科学教学中教师应时刻关注学生的个体差异，从差异出发、为了差异发展而开展基于科学探究的差异教学，最终激发学生的兴趣，激活学生的思维，提升学生的能力。