提升学生科学思维能力的物理教学探讨——以“楞次定律”教学为例

(江苏省海安高级中学，江苏 南通 226600)

“楞次定律”是一节规律探究课，实验是必不可少的，我们应该关注实验呈现的现象和与之相关的一系列问题：为什么电流计指针偏转的方向不同？偏转方向的不同说明什么？偏转方向与什么因素有关？为什么与之相关？要回答这些问题就需要深度挖掘学生的思维过程，通过师生互动，疑问会得到逐步解决，问题解决的过程就是利用已有的知识学习新知识的过程。针对本节课的特点，本文重点探讨学生科学思维能力的培养策略。

科学思维是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，也是基于事实证据和科学推理对不同的观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品质，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

1 重视模型建构

模型建构的实质就是将隐藏在复杂物理情境中的研究对象或过程进行简化、抽象、类比、概括，从而揭示客观事物的本质与规律。要求学生具有建构理想模型的意识和能力，能够根据研究问题和情境在一定条件下对客观事物进行抽象和概括，构建易于研究的、能够从主要方面反映事物本质特征和共同属性的理想模型。

在“楞次定律”的引入环节采用视频与实验演示相结合的方式，带有普通减震系统的汽车在过弯时车身会侧倾、过减速带时车身会跳动等现象，而带有电磁减震系统的汽车在上述情况下车身始终非常稳定，这是为什么呢？用自制实验器材进行演示(如图1)，上端固定在支架上的两个相同的弹簧下端悬挂着相同的磁铁，磁铁的正下方分别放置一个木块和一个铝块，磁铁静止时对它们均无作用力。把两磁铁向下拉离平衡位置相同距离并同时释放，会看到放置在铝块正上方的磁铁的振动很快停止，而另一块磁铁振动时间较长。学生通过观察能够联想到视频中的电磁减震系统应该与磁铁、铝块相关。查阅相关资料，关注汽车电磁减震系统的主要部件的特写(如图2)。通过对比，显然磁铁快速停下来是磁铁与铝块之间的相互作用的结果，但是磁铁并不能吸引铝块，这是怎样的一种作用呢？思维冲突引发了学生的学习动机，通过电磁减震系统的简化、类比等把较为复杂的研究对象抽象成更为简单的物理模型，便于学生进一步地研究车身稳定的原因。

图1

图2

在实验探究环节，将演示实验的减震模型简化成一个条形磁铁和一个铝环之间的相互作用(如图3)，铝环又可以简化成线圈。通过抽象简化，一个更容易体现问题本质的理想化模型构建完成。

图3

图4

如图4所示，在释疑环节将这一模型进一步简化，固定的线圈就相当于减震系统中的圆柱形金属管，磁铁在管中正是受到感应电流产生的磁场作用才很快停止振动的，这样的解释更具说服力。

教学围绕建构的物理模型展开讨论，并总结出判断感应电流方向的楞次定律。通过这一节课的学习，学生建构模型的意识得到了强化。

2 注重科学推理

推理是思维的基本形式，推理能力是指结合给定的情境，利用已有的知识和方法，针对问题进行有根据的推断，得出正确结论的能力，科学推理包括归纳推理、演绎推理和类比推理。

在实验探究的猜想环节，根据实验现象推测影响感应电流方向的因素时运用推理方法，例如根据插入的磁极不同，观察到感应电流的方向不同，推测影响感应电流方向跟原磁场的方向有关；根据同一磁极插入、拔出时电流计指针偏转方向不同，推测影响感应电流方向跟磁通量的增减有关。

在实验探究的规律总结环节，“来拒去留”“增反减同”以及最终用“阻碍”二字来概括上述特征的都是科学推理中的归纳推理(如表1)。

表1

楞次定律内容的表述也应用了科学推理，由磁通量增减这个现象来推断感应电流的磁场方向与原磁场方向的关系，再根据安培定则确定感应电流的方向。

3 强化科学论证，鼓励质疑创新

科学论证要求学生具有使用科学证据的意识以及评估科学证据的能力，具有运用证据对研究问题进行描述、解释和预测的能力。而质疑则需要学生具有批判性精神，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求创新。

根据实验现象已经总结出磁铁与铝环的相互作用是有规律的，而相互作用是因为闭合环中有感应电流，那么环中感应电流方向也必有规律。有什么样的规律呢？学生一般会从两个角度去分析，一个是从安培力的角度分析，另一个从等效的角度分析。

从铝环受到安培力方向来倒推感应电流方向是有一定难度的，首先只知道铝环和磁铁是排斥和吸引关系，铝环受力的方向不好确定；其次铝环的形状是圆形、而不是直导线，学生对左手定则的使用有一定的难度。所以从安培力角度的分析思路是清晰的，但是对于学生难度偏大。如果把铝环等效成小磁针，根据磁极间的作用规律可以很容易找出铝环的等效磁极，在磁通量变化时感应电流的磁场方向与原磁场方向的“增反减同”规律就得到了，再根据安培定则可得到感应电流方向，不用苦苦寻找原磁场的变化与感应电流方向之间的媒介，避免了学生思维出现断点，合乎学生的认知规律。

从安培力的角度去分析感应电流的方向也有更好的办法，因为铝环中的感应电流方向只有顺时针和逆时针两种情况，因此我们可以采用假设法结合左手定则来判断铝环的受力方向，再结合实验现象即可判断假设是否成立。利用两种思路总结的规律异曲同工，从实验和理论上解决了感应电流方向的判断问题。

总之，教师在进行教学设计时，应当结合课程内容和特点，层层深入，逐步引导，提升学生的科学思维能力，发展其核心素养。