基于審辯式思維的物理規律論證教學實踐探索*
——以“自感”教學為例

吳愛兄

(北京市陳經綸中學 北京 100020)

張春麗

(北京市朝陽區教育科學研究院 北京 100021)

周佩佩

(黃岡中學北京朝陽學校 北京 100018)

近幾年來各國學者從不同角度對審辯式思維引入教學進行了深入研究，2021年筆者所在課題組將審辯式思維與論證教學相結合開展了“基于審辯式思維的物理論證教學實踐研究”．本文僅分享我們課題組在物理規律論證教學中實踐探索的一些初步成果．

1 基于審辯式思維的物理規律論證教學的意義

1.1 物理規律教學的重要性

中學物理是以一些基本要領和基本規律為主干構成的知識體系，物理概念、物理規律和學科方法及其相互聯系構成了整個物理的基本結構[1]．其中概念是基石，規律是中心，方法是紐帶．建構概念的目的是為了描述規律，掌握科學方法的目的是為了有效的探究得出規律，揭示物理量內在的、必然的聯系．因此物理規律教學是高中物理教學的重要組成部分．

1.2 實施物理規律論證教學的必要性

教育部 2017 年頒布的《普通高中物理課程標準》明確將“科學探究”和“科學思維”作為物理核心素養的重要方面，這使得規律教學不單以學生掌握物理規律為目標，還要通過規律教學使學生掌握科學的研究方法，提高觀察與實驗能力、思維能力以及運用規律分析和解決問題的能力，激發學生進行科學探究的積極情感．但當前的物理規律教學往往流于形式，學生按照教師的事前預設開展探究活動，忽略了探究過程中最具有生發力的思維碰撞與審辯．這樣的探究流于淺表，既不利于學生從本質上掌握物理規律，也不利于學生的素養發展．因此，在規律教學中恰當引入論證教學是有必要的．

1.3 基于審辯式思維的論證教學與核心素養的關系

我們課題組借鑒文獻[2]的觀點將“審辯式思維”內涵用4個要素來概括：“質疑批判、分析論證、綜合生成、反思評估”．審辯式思維的論證教學始于質疑，歸于反思，是一個循環往復動態發展的過程．啟動質疑的源動力是對于問題情景、驅動任務的批判思考，推動思維發展的是對研究問題的深入分析論證，監控論證過程引導思維不斷深化的是對整個論證過程的適時反思評估，最終目的是綜合生成對事物的科學認識和解決問題的決策方法．這4個要素與物理學科核心素養的4個維度存在著很強的匹配關系，如圖1所示[3]．

圖1 審辯式思維與物理核心素養的關系圖

2 基于審辯式思維的物理規律論證教學研究探索

2.1 物理規律論證教學的要素

從實操層面看，科學論證的起點源于對問題情景提出的主張．普通高中物理課程標準指出科學論證的過程離不開科學推理，科學推理是科學論證的必要條件；科學論證的結果包含建立科學解釋和對科學解釋的反駁與辯護[4]．結合物理規律教學特點，我們認為基于審辯式思維的物理規律論證教學主要包含以下幾個要素：論題、觀點、實驗探究、理論推理、科學結論．具體闡述如下：

(1) 論題，即引發論證的問題．

(2) 觀點，即結合真實的問題情景提出主張．

(3) 實驗探究，即猜測、設計、解釋評估、批判反駁等實證活動．

(4) 理論推理，即由證據進行邏輯推理、支持觀點的過程，包含證實和證偽兩個方面．

(5) 科學結論，即在事實或理論推理的基礎上得出規律．

2.2 基于審辯式思維的物理規律的論證教學模型

物理規律論證教學可以按照如圖2所示的模式進行． 教師設置真實的問題情景，提出驅動任務，引發一個真實的論證問題．學生基于論證問題提出自己的觀點，收集資料尋找理論證據和實踐證據，通過科學推理、交流反思、批判質疑做出科學結論，再通過對結論的質疑提出新的觀點，在推理解釋的基礎上作出新的判斷和分析論證，在不斷的循環論證中深化對物理規律的本質理解．教學活動的起點是“問題情景”，教學活動的深化點是 “審”——對問題的質疑批判，教學活動的核心點是 “辯”——分析論證、綜合生成，貫穿始終的是逐步深入的“審”——反思評估，同時生成驅動下一輪審辯思維循環的 “新問題”，最終達到審辯式思維能力及素養水平的發展．

圖2 基于審辯式思維的物理規律論證教學模式

2.3 物理規律論證教學的功能

物理規律教學一般過程包括探究得出規律、理解規律、應用規律3個環節．在探究得出規律環節開展論證教學，學生可以在經歷探究規律的過程中培養科學思維方式、學會科學的研究方法；在理解規律的環節開展論證教學，學生可以在討論物理規律與相關概念、規律的聯系與區別，構建知識體系；在應用規律環節開展論證教學，學生可以通過解決實際問題學會運用規律分析問題、解決問題的策略性方法．基于審辯式思維的物理規律論證教學是幫助學生建構物理體系、提高思辨能力、提升問題解決能力、發展學科核心素養的有效途徑．

3 教學案例——“自感”

3.1 以往教學處理存在的問題

“自感”是人教版教材“電磁感應及其應用”一章第四節的內容，本節課是一節規律遷移應用課．課標對本節的要求是：通過實驗了解自感現象，能夠解釋這些現象的原理，能舉例說明自感現象在生活中的應用．在以往的教學中教師通常將重點落在現象的觀察和知識的應用上，學生通過觀察實驗得出自感現象定義，闡述其成因，應用所得結論來處理各種自感現象的練習．這樣的教學使得有些學生學完本節知識后雖然能夠說出教材中通電、斷電的自感現象，但是不能將其靈活地遷移到其他電路中分析問題．有些學生甚至認為自感系數越大感應電流就越大，電燈閃亮的條件主要取決于自感系數等錯誤認識．

3.2 基于審辯式思維的教學設計思路

基于審辯式思維的物理規律論證教學倡導學生運用“審”和“辯”的思維方式獲得規律、理解規律、應用規律．本節課嘗試創設層層遞進問題情境讓學生每時每刻都在思考質疑，在實驗探究中加入猜想推理、理論分析、交流質疑、反思評估環節，在規律的應用中加入辨析、解釋、闡述環節引導學生通過分析論證綜合生成對知識的全方面認識，以突破教學的重點和難點．

3.3 突破教學重難點的主要教學片段

3.3.1 深入理解自感現象的原理

審辯式思維的教學活動起點是“問題情景”，好的問題情景能夠激發學生自主探究的興趣，驅動學生自發的進行“審”與“辯”的思考．本節課在論證自感現象的原理時，選擇了3個問題情景(圖3～圖5)作為驅動任務．3個驅動任務關系如圖6所示．

圖3 “千人震”實驗電路圖

圖4 通電自感電路

圖5 斷電自感電

圖6 3個驅動任務的關系

問題情景一：全班學生都手拉手拉在一起與自感線圈一起并聯接在一節電池兩端，電路圖如圖3所示.體驗當開關斷開瞬間的感覺，并思考為什么會有這種感覺.

問題情景二：將線圈接入圖4所示電路，思考由于線圈的存在，開關閉合瞬間兩個電燈的亮度變化是否相同，并闡述理由.

問題情景三：將線圈接入圖5電路，思考在電源斷開瞬間，燈會馬上熄滅嗎？

(1)“審”——思考質疑.問題情景一中的“千人震”實驗是一個非常有震撼的體驗實驗，參與體驗的多數學生會產生這樣的質疑：為什么一節干電池會電到我？線圈在電路中起到了怎樣的作用？這就使學生自發地進入了“審”的狀態，此時教師再引導學生思考開關斷開了，你還能體驗到“電”，這個電是怎樣產生的．學生自然而然地就會將實驗體驗與原有認知建立起聯系．通過交流討論能夠提出這樣的觀點：當開關斷開瞬間線圈內的電流發生變化，使線圈內的磁通量發生了變化，產生了感應電流，我們被感應電流“電”到了．這就形成了對自感現象的初步認識，這個認識很模糊，很多學生還存在著一些疑惑，例如在課堂中有的學生提出這樣的問題：“開關閉合瞬間電流也變化有沒有感應電流，這時感應電流會起到怎樣的作用．”

(2)“辯”——分析論證.問題情景二的提出就是要引導學生通過 “辯”來解決質疑．因此提出問題后并沒有馬上進行實驗演示，而是加入了猜想推理環節，讓學生利用原有知識進行分析，猜想實驗現象，交流表達自己的觀點．這樣的設計一方面是為了培養學生的證據意識、表達能力．另一方面也是想通過學生的表現了解他們的認知層次、思維障礙．課堂生成中我們發現學生都認為A燈會后亮，但是理由各不相同．主要有3種觀點：觀點1認為由于線圈支路的電阻大，所以A燈會后亮．觀點2認為線圈中的電流變化會讓線圈中的電阻也逐漸變大所以A燈會后亮．觀點3認為線圈所在支路在電流變化時產生了感應電流，感應電流阻礙了原電流的變化．

(3)“辯”——反駁和證偽.顯然持有觀點1和2的學生并沒有理解自感現象，這時教師及時引導學生進行反駁和證偽．對于觀點1學生選擇了實驗反駁：調節滑動變阻器的旋鈕，改變其電阻使開關閉合后兩個燈同樣亮，說明此時兩條支路電阻相同，再閉合開關發現依舊是B燈先亮，A燈后亮．對于觀點2學生采用了理論反駁：線圈是用標準電阻絲繞成，電阻的大小僅與長度、材料、橫截面積有關，電阻是不會隨著電流的變化而變化．不說不清，不辯不明，正是通過這樣的證偽過程學生從本質上理解了A燈后亮這種“延遲”效果并不是電阻對電流的阻礙，而是感應電流對原電流變化的阻礙．

(4)“辯”——綜合生成.為了深化和鞏固這種認識我們提出了問題情景三．有了前兩個環節“審”“辯”“析”的經歷，面對這個問題學生可以自覺應用電磁感應原理分析問題，猜想實驗現象，在這里筆者將重點落在如何引導學生建立準確的科學結論．提出了這樣的輔助問題，“開關斷開后誰充當了電源為電路供電？”“此時的電流方向是怎樣的？”“你判斷的依據是什么？”這樣的問題能夠有效地幫助學生理清分析問題的思路，建立自感現象與電磁感應現象的關系，形成系統知識體系．綜合生成對“自感”科學全面的認識，進而突破了教學的重點．

3.3.2 探究斷電自感燈泡的“閃亮”條件

傳統教學中斷電自感和通電自感是由兩個實驗儀器來演示的，這種設計很容易讓學生產生圖4只有通電時才有自感現象，圖5只有斷電時才有自感現象，只要是斷電自感電燈都會“閃”一下的錯誤認識．本環節筆者以此為驅動問題通過兩個論題的討論突破教學難點．

問題情景一：在圖4的電路中斷開瞬間有沒有自感現象，在圖5的電路中閉合瞬間有沒有自感現象，為什么不用一個實驗儀器來演示？

問題情景二：何時可以觀察到電燈的閃亮現象？

這兩個問題情景的作用如圖7所示．問題情景一的作用驅動學生審辯式思考，問題二是在問題一的論證反思中生成新問題推動思維循環．通過這兩個問題的論證綜合生成對規律的正確認識．

圖7 兩個問題情景作用

(1)“審”——提出觀點.問題情景一的提出讓學生自發地將通電自感和斷電自感放在一起進行分析比較，結合前面的自感概念，學生能夠提出自己的觀點：兩個電路在開關斷開和閉合瞬間都會產生感應電流．但是如何論證這個觀點，這個觀點與傳統實驗儀器的實驗現象存在矛盾，我們觀察不到圖4電路中斷電瞬間的電燈“閃亮”現象，也觀察不到圖5電路中通電瞬間電燈的“延遲”現象．

(2)“辯”——分析論證、實驗探究.在教學中筆者是這樣處理的：先讓學生“辯”，通過理論推理猜想電流的變化，定性畫出電流變化圖像，這個過程意圖是讓學生再一次通過分析推理，解釋說明加深對自感規律的理解，同時發現學生的認識盲點．圖8為學生課堂上的交流展示圖，我們發現學生可以理解線圈的阻礙作用，但是并不清楚這種阻礙使電流怎樣變化，這時我們就有必要引入先進的實驗儀器，正確測出電流變化．當我們用傳感器代替圖4中的電燈進行實驗探究，畫出電流的變化曲線(圖9)時，學生結合圖像和理論分析論證了自己的觀點．

圖8 學生課堂生成圖

圖9 傳感器畫出的電流變化圖

(3)“審”——深入思考.此時結合圖像9提出問題情景二“此時你是否可以看到燈的閃亮現象”，這時學生已逐漸形成一種“審辯”的思維習慣．能夠主動通過質疑批判提出觀點：斷電后燈泡的閃亮是因為斷電瞬間產生的感應電流比原來流過電燈電流大了．自發地進行新的“辯”：設計探究實驗通過改變電阻箱的電阻來改變電流，進行分析論證．實驗數據如圖10所示．

圖10 斷電時的電流變化圖像

(4)“辯”——綜合生成.結合理論分析與實驗探究學生綜合生成科學結論：線圈內產生的感應電流不突變，當線圈的電阻小于電阻箱的電阻時，斷電時電阻所在支路的感應電流會大于原電流，我們有可能觀察到燈炮的閃亮現象．當線圈的電阻大于電阻箱的電阻時則觀察不到燈炮的閃亮現象．

這樣的設計意圖有兩個目的：一方面是讓學生在應用規律分析問題的過程去理解規律，深化認識，提高解決問題的能力，突破教學難點．另一方面也是在培養學生“審”“辯”的思維習慣，提升學生解析、分析、評價、推論、闡析和自我調控的“審辯式”思維技能，提高思辨能力．

3.3.3 探究自感電動勢的大小

前面的教學活動使學生一直處在質疑、思考、分析、論證的氛圍中，逐漸養成了真正的、主動的、自覺的“審辯”，面對新的實驗數據，有的學生馬上提出了自己的質疑：自感產生的感應電流不突變，感應電動勢突變嗎？自感電動勢如何測量？這也成為新的驅動問題，推動新一輪的論證思考．

驅動問題：利用所給儀器(可拆變壓器、數字電壓表、1節干電池、開關、導線)測量斷電自感的感應電動勢大小，閱讀教材理解自感電動勢的概念.

(1)“審”——思考質疑.結合前面的所學設計實驗電路圖，如圖11所示，猜想測量結果．

圖11 測量斷電自感的感應電動勢電路圖

(2)“辯”——實驗探究.測量開關斷開瞬間線圈兩端電壓，可達到100 V(由于這是一個暫態過程，每次測量會有不同．)

(3)“辯”——交流討論、理論推理.電路斷開瞬間自感線圈充當電路的電源給電路供電，依閉合電路歐姆定律可知E=I(R+r),斷電瞬間電流不變，但是此時電路與空氣相連電阻很大，所以自感電動勢很大．

3.4 課堂的總結提升

本節課最后又提出了這樣一個驅動任務：“思考梳理本單元所有的電磁感應現象，看看他們有哪些共性，其本質是什么？”意圖引導學生通過本章內容的縱向比較，分析論證形成系統的知識體系，應用審辯的思想，多角度思考問題．從能量角度思考自感現象的本質．圖12為課堂生成板書．

圖12 課堂總結提升板書

4 結束語

基于審辯式思維的物理規律論證教學，在不斷加深學生對物理規律深入理解的同時，也在不斷促進學生像科學家一樣思考、思考、再思考，深度思考不斷被激發，思維的源動力不斷迸發！秉承這種樣態的物理教學，學生的學科素養怎能不有效發展呢？