项目式学习助力发展物理高阶思维的探索——以初中物理条形磁铁磁场分布的教学为例

廖 燕

(厦门市第十一中学，福建厦门，361004)

项目式学习(Project Based Learning)也称任务驱动教学法或行为引导教学法，是指学生通过完成某一项特定的任务，在动手、动脑的实践体验过程中，经历构建、内化、吸收、探索、创新等复杂认知，从而获得较为完整而具体的知识，培养习惯，发展技能，并学会合作。[1-2]项目式学习体现了互动式、启发式、体验式、探究式的教学方法，一般包括项目驱动、项目设计、项目实施和项目评价四大环节。在科学技术快速发展的今天，项目式学习符合核心素养导向下的教与学，是当前众多学习方式中较为被推崇的一种。沪科版九年级物理磁学开篇第一节“磁是什么”，包含了磁极、磁化、磁场的内容，以其中条形磁铁磁场分布的教学为例，恰当、合理地导入项目式学习的教学方式，可以培养以学生高层次认知水平为主的综合能力，发展学生的物理高阶思维能力。

一、真实情境，引发项目驱动

在认识磁现象的学习中，学生已经完成磁性、磁极及相互作用、磁化的知识储备，为条形磁铁磁场分布的学习奠定了学习基础。教师演示小魔术“受意念控制的汤勺”，学生通过观察汤勺的运动，揭秘汤勺是受到磁铁吸引，并意识到即使没有直接接触，条形磁铁也能对汤勺产生吸引力，因为条形磁铁周围存在着磁场，相互作用是通过磁场产生的。教师继续提出驱动问题：“条形磁铁周围的磁场摸不着、看不见，是什么样的？怎样做才能把抽象的磁场具体表现出来？”这一学习项目的驱动任务贴近学生生活，符合学生的认知水平，能激发学生的学习兴趣。

二、交流讨论，优化项目设计

在明确驱动任务后，学生根据已有的知识或经验储备自主设计实验。此过程是培养学生分析、评价和创造高阶思维的关键，可以用一组问题引导过程的推进。

问题1：表现条形磁铁周围的磁场，选择什么物品？

要解决这个问题，学生必须选择合适的物品把分布的磁场外化出来。通过讨论，学生明白了应选择铁、钴、镍等铁磁性物质组成的物品，如回形针、铁钉、小磁针等，因为铁磁性物质被磁化后与条形磁铁发生相互作用，就能表现磁场。通过解决这个问题，学生不仅能将学过的磁化知识联系起来，还能经历辨别、选择、区分和聚焦的过程，分析确定哪些信息是相关信息，并将相关信息和无关信息区分开来。

问题2：如何利用铁磁性物品简单表现磁场？

大多数学生的设计实验如图1所示，教师引导学生分析、评价其优缺点。图1的实验简单，可视性效果好，但大头针的数量只能说明磁性强弱，无法说明磁场具体分布的情况。这一分析再次引发学生思考和设计。

图1 学生实验1

问题3：如何较好地表现磁铁磁场分布？

根据交流讨论，学生在吸收他人经验和反思设计缺陷的基础上进行二次设计，如图2、图3所示。交流展示时，学生试图寻找磁场分布的规律，大胆画出了一些“线条”。然而也发现距离较远的个别小磁针由于受到磁场作用较弱和偏转不灵敏，偏转异常。于是设计了图4的实验，在玻璃板上喷洒小铁屑，替代小磁针。当铁屑磁化后，在玻璃板上出现了直观、清晰的若干“线条”，恰与图4画出的磁场“线条”吻合，从而得到验证。教师继续引导学生思考，图4的“线条”分布只表现了某方向平面的磁场，仍然存在实验缺陷。

图2 学生实验3

图3 学生实验4

图4 学生实验5

问题4：所有的磁感线通过条形磁铁内部，应该是磁感线最密集的地方，为什么条形磁铁中部反而磁场最弱呢？

磁感线是人们用来描述和研究磁场而假想引入的模型，其疏密程度代表磁场强弱，磁极是磁场最强的地方。此问题是少数善于思考的学生经常疑惑的问题，需要在自学相关知识的基础上运用综合知识来解决，是培养高阶思维的重要机会。自学内容涉及安培分子电流假说：从微观角度分析组成物质的原子、分子或分子团等物质，其微粒内部存在着一种环形电流，即分子电流(安培电流)。每个物质微粒因为分子电流都形成了一个微小的磁体，即磁分子(图5甲)，其两侧相当于两个磁极。未被磁化时，每个磁分子的磁场方向非常紊乱，对外不显磁性(图5乙)。一旦磁化，每个磁分子的磁场方向变得几乎相同，由于磁性叠加因此对外显示出磁性(图5丙)，从外部看就有了磁体的两个磁极(图5丁)。

图5 物体磁分子示意图

环形电流的磁场在空间中的分布情况如图6甲所示。来自两个磁极的磁场在中点交汇，好似产生了一条磁极分界线，内部磁场在此处是最强的，其相邻部分的磁场随距离的增加而逐渐减弱。由于环形电流产生的磁场均处于磁体内部，因此不会对外部的铁磁性物质表现出作用力。在环形电流的内部磁场中，磁感线同电流一样，倾向于沿着阻力最小的路线行走。由于磁体中间处的磁矩排列最整齐，磁感线沿着磁场行走遭遇的阻力最小，因此也就不会溢出多余的磁感线，如图6乙所示。在这种情况下，磁体对外的表现为几乎没有磁性。反之，两个磁极溢出的磁感线最多，也就对外表现出较强的磁性。当磁感线从磁体中溢出时，就会对铁磁性物质产生吸引力。

图6 环形电流的磁场分布

从解决的问题来看，问题1和问题2更多的是培养学生的分析和理解能力，即能对物品分类并能说明原因。问题3需要学生分析如何更好地表现磁场的实验设计方案，区别多种实验设计，准确归因存在的问题，评价优缺点，并不断调整计划设计，再次组织实验，通过检查和验证生成学习成果，建构出条形磁铁磁场分布的空间概念。问题4是少数学习和探究能力突出且有浓厚兴趣的学生提出的较高水平的疑问。教师在备课中要对问题4进行教学预设，储备一定的学习资源，为学生高阶学习发展搭建合适的脚手架。教师要引导学生自学相关知识，并借助已储备的知识和能力，向未知的知识领域进行探索和学习，拓宽此问题的认知领域，生成代表较高思维和能力水平的学习成果。从问题1到问题4的教学过程中可以看出，无论是从常规问题到开放问题，还是从基础问题到较难问题的解决，都呈现出对物理高阶思维能力的培养。

三、构建框架，推进项目实施

首先，教师要请学生展示常见物品设计实验，引导学生对物品进行分类，初步建立实验物品的选择决定实验设计效果的认识；然后，要求学生根据自己的设计展现磁场、交流评价，经历根据任务、反复优化设计并实施的过程，建立磁场是空间立体分布的概念，并为后续磁感线的教学奠定基础。

杜威认为，思维一定是由“难题和疑问”或“一些困惑混淆或怀疑”引发的[3]，这种“不愤不启，不悱不发”最适合高阶思维能力的培养。所以，项目式学习中所涉及的开放性、挑战性、层次性问题的解决，在真实的情境中促进理论联系实际，在手脑并用中实现自我意义的建构，突显了项目式学习助力发展物理高阶思维能力的优势，具有推广性。