基于核心素養指向對學生高階思維的培養*
——以“磁感線”模型建構為例

崔 琳 喬英磊

(北京景山學校遠洋分校 北京 100040)

任 鑫

(北京市第十二中學 北京 100071)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》(簡稱《標準》)[1]明確指出,物理課程要培養的核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任.《標準》要求學生通過義務教育物理課程的學習達到如下目標:學生會用所學模型分析常見的物理問題;能對相關問題和信息進行分析并得出結論,具有初步的科學推理能力;有利用證據對所研究的問題進行分析和解釋的意識,能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點,具有初步的科學論證能力;能獨立思考,對相關信息、方案和結論提出自己的見解,具有質疑創新的意識.能制訂簡單的科學探究方案,有控制實驗條件的意識,會通過實踐操作等方式收集信息,初步具有獲取證據的能力;能分析、處理信息,得出結論,初步具有對科學探究過程和結果作出解釋的能力.

從《標準》提出的要求來看,思維存在于整個教學過程中,但并不明顯,為顯性教學過程中學生的思維能力,布魯姆(BLOOM)將人類的認知分為六種,分別為記憶、理解、應用、分析、評價、創造.其中,記憶、理解和應用為低階思維,分析、評價和創造為高階思維,如圖1所示.

圖1 BLOOM認知目標分類

物理學是一門以實驗為基礎,通過邏輯推理,模型建構,借助數學工具等形成系統的研究方法和理論體系的學科.在物理教學中,教師不僅要加強對學生記憶、理解和應用等低階思維的培養,更要注重對學生分析、評價和創造等高階思維的訓練,使學生逐步形成物理學科素養,落實立德樹人的根本任務.然而,在當前中學物理教學中,教師往往只關注知識的講授、方法的給予或是實驗結論的告知,而忽視在概念生成、模型建構以及規律探究過程中對學生高階思維的培養,導致學生思維通常只停留在記憶、理解和應用的低階思維層次,缺乏對高階思維培養的整體性規劃.實際上,初中物理教學中應將科學探究與科學方法相互融合,在發展學生低階思維的同時,更要注重發展學生的高階思維,提高學生的科學思維和科學探究能力.在教學中,教師應以高中課標和義教課標為依據,基于學生的長遠發展,以整個主題或單元進行教學設計,對學生的培養具有前瞻性和連續性,將培養學生高階思維的目標始終貫徹下去,以真正落實立德樹人的根本任務.

例如,在認識“磁場”時,傳統教學模式下,教師往往也會在短時間內強行讓學生接受磁場的存在,之后順勢告知學生我們可以用一個新的物理模型——磁感線來描述磁場.稍微好一些的教學模式也僅僅是停留在通過讓學生類比風,形象地闡明磁場的存在,但是對磁場性質的研究和“磁感線”模型的建構過程并不深入.筆者認為,上述教學形式缺乏研究的味道,錯失了培養學生科學思維的良機.因此,如何能在教學中真正調動學生的積極性,激發學生的科學思維顯得尤為重要.所以本文以“磁感線”模型建構為例,闡述在初中物理教學中基于模型建構、轉換法、類比思想等科學方法在物理教學中的重要應用和價值,力求讓學生在課堂中充分經歷探究過程,享受思維樂趣,經歷設計和創新的過程,真正達到提升學生高階思維的目的,切實培養學生的創造能力[2].

事實上,磁場是較為抽象的,看不見,也摸不到,所以學生本就難以理解,而“磁感線”模型建構對于初中學生而言接受起來更是有一定難度,那么在教學中就應該將教學適當“放慢”,將它們形象化表征,為此筆者以條形磁體為例,通過實驗、想象、演繹、推理等多種途徑讓學生感知磁體周圍存在磁場,再根據已有的實驗現象通過問題鏈的形式引導學生得出磁場的性質,在分析出磁場有強弱和方向后,讓學生通過想象、推理找到能準確描述磁場的方法,從而試圖描繪出條形磁體周圍的磁場,整個教學過程不僅培養了學生觀察、描述、比較等低階思維,也注重對學生辨別、概述、判斷、整合、評論等高階思維的培養,進而落實物理學科核心素養[3].

1 指向高階思維發展的實施環節——“發現磁場存在”

現將課堂教學片段展示如下:

【演示實驗1】手持1號條形磁體,使其N極與懸掛的2號磁體的N極靠近.

師:剛剛的實驗中同學們看到了什么?——觀察能力.

生:2號磁體會運動.

師:為什么會運動呢?——解釋能力.

生:受力.

師:其實生活中也有類似的現象,比如:秋天,樹上的樹葉飄動,為什么葉子會動呢?——遷移能力.

生:受力.

師:那可能是誰給它的力呢?——分析能力.

生:風.

師:類比著這個情景想一想,剛剛這個2號磁體為什么會動呢?——推斷能力.

生:它周圍也有一種像風一樣的東西.

師:那這種像風一樣的東西是誰提供的呢?——識別能力.

生:1號磁體.

師:看來1號磁體周圍可能真有這么一種特殊的東西,一旦它靠近2號磁體,就相當于2號磁體闖入了這種特殊的物質中,那么1號磁體周圍的這種物質就會對2號磁體有力的作用.(停頓)其實大量研究表明自然界真的存在這樣一種物質,人們稱它為磁場.而磁場的基本性質就是對放入其中的磁體有力的作用.也就是說,1號磁體周圍的磁場對放入其中的2號磁體有力的作用,所以2號磁體會運動.

設計意圖:本環節從觀察實驗現象入手,著重培養學生觀察、分析、解釋、推斷的能力,引導學生初步猜想出磁體周圍可能存在一種看不見、摸不到的東西——磁場,培養學生透過實驗現象思考本質的意識,進而為學生高階思維的發展奠定基礎.

2 指向高階思維發展的實施環節——“分析磁場性質”

師:磁場看不見也摸不著,和風非常類似,那我們怎么研究它呢?可以先想想生活中我們是如何感知風的存在呢?——描述、分析能力.

生:葉子飄動,紅旗飄動……

師:為什么可以通過葉子、紅旗等來看呢?(停頓)其實這些東西都有一個共同的特點,是什么呢?——觀察、分析和概述能力.

生:它們在風中受力會動.

師:哦,研究風我們可以利用在風中受力會動的物體,那如果想要研究磁場,我們是不是也可以找一個在磁場中受力會動的物體來研究呢?那找什么呢?——比較、分析和創造能力.

生:磁體.

師:沒錯,磁場的基本性質告訴我們磁場對放入其中的磁體有力的作用.那這里有幾種磁體(條形磁體、蹄形磁體、環形磁體、小磁針和橢球形磁體),我們選用哪一種比較好呢?——觀察、比較和分析能力.

生:小磁針.

師:為什么呢?——比較、分析能力.

生:受力更容易動起來.

師:好,那我們就用它,大家先來看它的指向有什么特點?——觀察、描述能力.

【學生活動】觀察小磁針指向.

生:和條形磁體一致,紅色端都指向北方,白色端都指向南方.

師:那現在我想要研究1號磁體周圍的磁場,應該怎么做呢?——推理、預測能力.

生:把小磁針放到1號磁體周圍.

【演示實驗2】把小磁針放到1號磁體周圍.

師:大家注意觀察,那這些小磁針相當于風中的什么?——比較能力.

生:紅旗、樹葉.

師:看看這些小磁針的指向,你發現了什么?——觀察、概括能力.

生:不同位置小磁針的指向不同.

師:為什么呢?——分析、推理能力.

生:各個位置受力不一樣.

師:力的什么不一樣?——辨別能力.

生:方向.

師:那看來磁場是有方向的,如果讓你把這一點的磁場方向給標注出來,你怎么標注呢?——分析能力.

生:用箭頭.

師:那箭頭往哪里指呢?

生:紅色針方向.

師:其實兩邊都可以,只是我們統一規定用小磁針N極(也就是大家說的紅色針)指向來表示該點的磁場方向.那其余的位置磁場方向該如何標注呢?下面請同學們嘗試畫在學案上[圖2(a)],請一位同學在電視屏幕上完成標注.——應用、執行能力.

圖2 磁場各點的方向

【學生活動】描繪各點磁場方向.

設計意圖：本環節引導學生通過類比風的方式進一步確定這種看不見、摸不到的東西——磁場的存在,將磁場中小磁針類比為風中的紅旗、樹葉,引導學生從形象思維到抽象思維進行過渡,從而意識到磁場是有方向的.除培養學生觀察、分析、比較、描述等必備能力外,著重培養學生的分析、推理、概括能力.之后引導學生通過觀察不同位置小磁針的指向去描述條形磁體周圍各點的磁場方向,旨在培養學生的應用、執行、概述及預測能力,引導學生深度挖掘科學問題,是學生形成高階思維的必經之路.

師:從剛剛的分析中我們發現磁場中各個位置方向不盡相同,那強弱會一樣嗎?——觀察、推理能力.

生:不一樣.

師:你怎么知道的?——觀察、分析的能力.

生:磁極磁性強.

3 指向高階思維發展的實施環節——“描述磁場特點”

師:非常好,看來我們想準確地描述磁場不光要把方向描述出來,也要把強弱也描述出來,那怎么描述呢?(停頓)其實我們還可以類比風,就像這幅圖(圖3),你看它是怎么描繪風的?——分析能力.

圖3 對風的描述

生:用線.

師:能給你點啟示嗎?我們可以怎么描述磁場呢?——比較、分析能力.

生:用線條.

師:那會是什么樣的線條呢?(停頓)仔細觀察你剛剛畫出的各點方向[圖2(b)],你能發現什么?——觀察、概述與創造能力.

生:左邊都是往外走,右邊都是往回走,中間是從出來的方向指向回去的方向.

師:那你想象一下它周圍的場線會是什么樣呢?邊想,可以邊參考這個鐵屑分布的實驗.——觀察、描述與整合能力.

【演示實驗3】條形磁體周圍撒鐵屑[圖4(a)].

圖4 磁場的分布

師:大家可以試著在學案[圖4(b)]虛線框內畫一畫磁體周圍磁場分布.——設計能力.

【描述】畫幾條磁感線.

師:這樣的話看看磁場的強弱和方向都表示出來了嗎?方向沒問題,那強弱呢?能看出來嗎?——辨別、推理能力.

生:磁極附近磁場較強,磁體中部,距離磁體遠的位置較弱.

師:怎么看出來的呢?——觀察、整合能力.

生:線條的疏密程度.

師:很好,這樣,我們就將條形磁體周圍存在的這種特殊的物質——磁場形象地描述出來了,其實剛剛我們所用到的這種帶箭頭的曲線在物理學中就叫做磁感線.它是為了描述磁場而人為建構的一種物理模型.

設計意圖：本環節基于之前的實驗現象引導學生嘗試描述磁場,明確要想清楚描述出磁場必須想辦法同時描述出磁場的大小和方向,從而再一次類比風的描述,通過磁場方向的描述尋找規律,嘗試預測條形磁體周圍的磁場分布,再結合條形磁體周圍鐵屑的分布情況描述出磁場,從而建構磁感線模型.本環節除了能培養學生的觀察、比較、分析、描述等基礎能力外,還加入了對學生設計、概述、辨別、整合和創造能力的培養,真正讓學生形成高階思維.

4 指向高階思維發展的實施環節——“關注物理模型建構過程”

以上教學將建構磁感線模型分為3個階段,將教學適當“放慢”,旨在落實每一個環節的教學目標,思維層層遞進,更好地培養學生觀察、描述、分析、推理、辨別、預測、整合、交流和創造的能力,從而發展學生的高階思維,切實落實物理學科核心素養,達到真正育人的目的(見表1).

表1 “磁感線”模型建構中學生思維水平發展

回顧教學設計中的3個主要教學階段:在第一階段,引導學生觀察同名磁極相互排斥的實驗,讓學生初步感知磁體周圍存在某些特殊的物質,從而猜想磁體周圍有磁場,培養學生觀察、識別、解釋、比較、推斷的能力,學生認知層次處于低階思維.在第二階段,引導學生通過類比風進一步研究磁場,通過觀察條形磁體周圍小磁針的指向意識到磁場有方向,引導學生從形象思維過渡到抽象思維,培養學生分析、識別、推理、概述、應用及執行能力.學生認知層次處于由低階思維向高階思維過渡階段,其中,辨別、預測、分析和概述均屬于高階思維層次.第三階段,教師并未立即演示撒鐵屑的實驗,而是讓學生根據磁場方向發現規律,進行想象,再結合鐵屑在條形磁體周圍的分布最終創造出描述磁場的具體方法,從而建構出磁感線這一物理模型,學生認知層次處于高階思維.以上3個階段階梯式提升學生的認知層次,其目的是讓學生經歷模型建構的過程,深刻領悟建構模型的方法,從而真正達到培養學生高階思維的目的.

其實物理建模在中學物理中是一種非常重要的科學方法,在解決實際問題和認識客觀世界中也發揮著至關重要的作用.借助“模型”概念尋找客觀世界的真實規律是一個必經的過程.當遇到實際問題時,首先可以引導學生通過直觀的實驗現象感知它的存在,為了進一步研究其性質,可以找到或者構建一些適合的模型來形象地描述它,之后再利用所構建的模型去研究更加抽象、復雜的問題.從簡單模型到復雜模型,從理想模型到實際問題是一個循序漸進逐步認識客觀世界的過程.當然物理模型也不是一成不變的,它經常會隨真實情境條件變化而變化.所以模型建構的過程就是從實際問題到現象感知到建構模型再到模型檢驗,最后是模型應用,這便是物理模型建構的一般思路,如圖5所示.因此,創設基于模型建構的科學學習環境,有助于學生建模思維的發展和解決問題的能力.

圖5 模型建構的一般思路(以“磁感線”模型建構為例)

5 結束語

真實的物理教學,應該關注對學生科學思維的培養.合理地設計教學環節是培養學生從低階思維邁向高階思維的有效途徑,是提高學生學科核心素養的基礎.只有在教學中注重對學生科學研究方法的培養,同時關注學生高階思維的發展,才能使學生將科學探究與科學思維相融合,進而增強其創新意識和實踐能力,以更好地落實物理學科核心素養,真正將立德樹人的根本任務落到實處,為國家科技進步培養更多優秀人才.