促进科学思维发展的论证式教学——以“电磁感应”主题为例

顾梦婷 吕华平 庄 媛

(江苏师范大学物理与电子工程学院,江苏 徐州 221116)

2017 年版的《普通高中物理课程标准》提出了要培养学生的物理学科核心素养,包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.[1]其中,科学论证是科学思维的一个重要构成要素. 并在课程目标中对学生所应达到的科学论证能力做出了如下要求:具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力,能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测;具有批判性思维的意识,能基于证据大胆质疑.

但在通常的物理课堂上,教师往往过分注重操作技能和程序化的教学活动,忽视带领学生寻找证据、评估证据、质疑证据,陷入了“有论无证”“有证无论”“有据无驳”的局面之中,[2]或是直接将物理教学视为向学生灌输物理知识的过程,与当代建构主义理论相悖,无法达到新课标中对培养学生科学论证能力的要求. 因此,教师应在教学活动中向学生提供论证的机会,以便培养学生的科学论证能力. 那如何将论证融于物理课堂,为学生提供更多参与论证的机会,是值得重视与研究的问题.

1 科学论证活动

1.1 图尔敏论证模型

论证最早出现在逻辑学与法学领域,1958年图尔敏提出Toulmin argument pattern(以下简称为TAP论证模型),为论证提供了基本范式.[3]如图1所示,TAP论证模型由6个要素构成,其中资料、主张、根据是核心要素,资料是论证的出发点;主张是有待论证的假设;根据指的是资料过渡到主张所提供的“担保”;而限定词、反驳、支援则是补充性要素.

图1 TAP论证模型

TAP论证模型强调的是论证的普遍程序性结构,关注的是论证的过程. 在物理教学中,教师可以先设置疑难情境,引导学生做出猜想(形成主张),根据需要论证的问题,设计论证方案,收集相关论证资料,例如进行实验探究. 在资料的基础上,一方面要对资料进行收集归纳形成事实证据,另一方面引导学生利用数学或物理知识进行逻辑推理、演绎推理等获得理论依据. 对于获得的证据进行适当评估与质疑,并利用证据对自己的主张进行证实证伪,完成个人层面的论证;以及对他人的主张进行质疑反驳,通过同伴间的交流论证,最终形成正确的主张.

1.2 “电磁感应”主题教学设计思路

“电磁感应”揭示了电与磁相互联系与转化的关系,具有一定的抽象性. 如果教师只是一味地通过实验演示得出结论,很难建构学生头脑中的“电磁感应”的完整图式,很难培养学生的科学思维. 因此,尝试以TAP论证模型为范式,以“电磁感应”主题为例,设计了如图2所示的基于科学论证的主题教学设计.

图2 “电磁感应”主题教学设计思路

以学生已有认知为思维原点,以问题链的形式展开,磁场能否产生电流?——产生感应电流的条件是什么?——方向与什么因素有关?——大小又为多少?带领学生经历形成主张、寻找证据、评估证据、质疑证据、再次寻找证据、形成正确主张的过程. 激发学生突破思维定势,认识到感应电流具有瞬时性;深入探索规律,了解楞次定律;建构完整图式,认识电与磁之间的定量关系. 体现了知识的完备性与阶梯性,促进了概念进阶与科学思维的提高.

2 基于科学论证的主题教学设计

2.1 利用对称性思想，提出观点，并证实证伪

科学论证应从引导学生提出自己的主张出发. 教师先介绍奥斯特的电流磁效应实验. 1820年奥斯特在导线下方放置一枚小磁针,电流接通时,小磁针发生转动. 这一特殊的现象表明了载流导线对磁针的作用力,体现了“稳恒电流产生稳恒磁场”的科学本质. 教师顺势引导学生思考,物理学是一门具有对称美的学科,例如力的相互作用具有对称性、等量同种或异种电荷产生的电场线具有对称性,那电与磁之间是否同样具有对称性呢?稳恒磁场能否产生稳恒电流呢?

教师带领学生以小组为单位,在组内进行交流论证,并设计不同的实验方案,最终呈现.

(1) 尝试使用磁铁产生电流,如图3、4所示,观察磁铁能否在导线或螺线管中产生电流.

(2) 尝试使用载流导线激发的磁场产生电流,如图5、6所示,观察载流直导线能否在与之平行的直导线中产生电流;观察载流直导线能否在螺线圈中产生电流.

图3 实验方案

图4 实验方案2

图5 实验方案3

图6 实验方案4

图7 实验方案5

(3) 尝试使用载流线圈激发的磁场产生电流,如图7所示,观察载流线圈能否在穿过它的直导线中产生电流.

事实上,法拉第也设计了类似的实验方案来探索“稳恒

磁场能否产生稳恒电流”,在合上开关后,观察电流表的指针是否发生偏转. 但经过多次实验,却发现磁铁并不能产生电流,载流导线或线圈激发的磁场也同样不能,产生质疑“电流与磁场之间不存在对称性吗?”

在该环节,以奥斯特的电流磁效应实验为资料,根据物理学对称性,引导学生得出各自的主张,完成了个人层面上的初步论证. 通过共同设计实验方案,也体现了从个人论证到同伴论证的过渡.

2.2 突破思维定势，寻找证据，明确产生条件

对于电流与磁场之间的不对称性,凭借学生现有的认知水平尚不能解决. 教师随即向学生介绍法拉第突破转折的物理学史. 1831年法拉第发现当声音频率发生改变时,弹性界面(例如鼓面)上的细沙呈现的规则图形也随之发生改变(如图8所示).[4]细沙图形改变的瞬时性给予法拉第灵感,使他意识到磁场所产生的电流是否也同样具有瞬时性.这种类比迁移的科学思维使法拉第突破了一直以来的思维定势,形成新的主张“变化的磁场能否产生电流”.

在此基础上,法拉第终于在1831年通过“圆环实验”,在断开和闭合电路瞬间观察到了感应电流的产生. 一方面,教师可带领学生观察“圆环实验”(如图9所示),另一方面,带领学生通过一系列实验(如图10所示)进一步寻找证据,实验本身并不难,难的是如何引导学生以实验现象为证据,挖掘本质,从磁通量的角度推理得出电磁感应的一般条件.

图8 声学振动实验

图9 圆环实验

分析归纳实验现象,可得图10中(甲)(乙)两实验是通过改变磁感应强度产生了感应电流;而切割磁感线实验，如图10(丙)所示，并未改变磁感应强度,却也产生了感应电流,引起学生的认知冲突,教师引导学生论证发现此时的实验变量是闭合导体回路所围的面积.对于此处引起感应电流的两个变量“磁感应强度”“闭合回路面积”,学生联想到这便是磁通量的大小,从而建立正确主张“闭合回路中的磁通量大小发生改变时,将会产生感应电流”.

图10 探究“感应电流产生条件”

在该环节,以法拉第受声学振动实验启发的这段物理学史为资料,通过重试法拉第的系列实验重寻证据,从而认识到电磁感应现象是一种动态效应,也在学生头脑中初步建立起了“电磁感应”的图式.

2.3 寻找证据，分析归纳，探索科学规律

在明晰感应电流产生条件后,突破感应电流的方向是学习进阶的关键点. 教师提出问题“感应电流的方向与什么因素有关呢?”

图11 探究“感应电流的方向”

学生做出猜想“感应电流的方向与磁铁的磁场方向有关”,并尝试进行实验(如图11所示)搜集证据对主张进行证实证伪,如表1所示.

表1 论证“感应电流的方向与磁场方向有关”

学生搜集证据并分析论证后,发现感应电流的方向与磁场方向之间的关系并不明确,或者说感应电流的方向不完全由磁场方向决定,还受到磁铁插入拔出的影响. 学生进而做出猜想“感应电流的方向与磁铁的插入拔出有关”,并尝试搜集证据,如表2所示.

表2 论证“感应电流的方向与磁铁插入拔出有关”

学生搜集证据并分析论证后,发现感应电流的方向与磁铁插入拔出之间的关系同样不明确. 对于以上的思维困顿,学生很难概括出判断感应电流方向的方法. 教师引导学生思考,感应电流会产生磁场,这一磁场朝向什么方向呢?有何规律吗?

图12 分析图

利用安培定则,判断感应电流产生的磁场方向后(如图12所示),学生发现“当磁铁插入时,磁通量增加,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反;当磁铁拔出时,磁通量减小,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相同”. 这种“增反减同”的趋势可被概括为“阻碍”,即“感应电流产生的磁场方向总会阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,这便是楞次定律的内容.

在这一环节,以问题为驱动,探究感应电流的方向,在获取证据的基础上,进一步层层论证,对主张进行证实证伪,培养了学生能运用证据对研究的问题进行描述、解释的能力.

2.4 明晰定量关系，完善图式，深入本质

在明确感应电流的方向后,突破感应电流的大小是学习进阶的关键点. 教师提问“感应电流的大小由什么决定呢?”由于闭合回路中磁通量发生变化是产生感应电流的原因. 学生大胆提出主张“感应电流的大小由磁通量变化决定”.

教师带领设计如下实验方案,“保持磁通量变化相同,即利用同一规格磁铁从相同高度处插入同一规格的线圈,观察电流表示数.”各小组分别进行实验并收集证据后,却发现示数并不同. 是什么因素导致了感应电流的不同?学生回顾实验过程,寻找并质疑证据,原来,虽保持磁通量变化量相同,但在这一过程中,线圈被插入线圈时的速度有快有慢. 快插时,电流表示数大,慢插时,电流表示数小.

图13 磁铁进入线圈

为进一步深入电磁感应的本质“能量守恒定律”,教师提出问题“若感应电流的方向与楞次定律规定的方向相反,又会发生什么样的现象呢”. 学生论证后发现,当磁铁N极插入线圈时,磁通量增加,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相同,如图13虚线所示. 因此,磁铁在引力的作用下,动能将不断增加,磁通量的变化率不断增大,感应电流随之增大,线圈中的焦耳热逐渐增加. 但在这一过程中,没有任何外力做功,显然与能量守恒定律相悖.[6]通过这种反证的方式,使学生深入到“电磁感应”的科学本质是能量守恒定律.

在这一环节中,引导学生在定性实验的基础上,寻找证据论证感应电动势与磁通量变化率之间的关系,完善学生头脑中的“电磁感应”图式. 为深化学生对其中科学本质的理解,利用理论演绎的方式进行佐证.

3 论证式教学的价值体现

在论证教学过程中,可将学生内隐的思维外显化,通过寻找证据、评估证据、质疑证据的过程,促进学生头脑中的概念进阶,深化学生对科学本质的理解,在培养学生科学论证能力的同时也可以发展学生的逻辑推理和批判性思维. 具体呈现在以下几方面.

3.1 有助于促进概念进阶

在论证教学中,通过为学生提供论证的机会,使学生头脑中的原始认知有效暴露,帮助学生形成原有认知和新理论之间的认知冲突,[7]使学生的认知经历“平衡—不平衡—平衡—不平衡—平衡”的动态过程,最终促进学生头脑中的概念逐层进阶. 对于“电磁感应”这一主题教学内容,从起初建立“电流能够产生磁场”的初步概念到理解更为本质的“楞次定律”“电磁感应定律”,不仅符合学生的认知规律,并且通过论证方式建构起来的概念体系能在学生头脑中留下更深刻的印象.

3.2 有助于学生对科学本质的理解

物理学家是遵循着“发现的逻辑”推动着科学的发展,体现了严谨的逻辑性. “电磁感应定律”的建立同样经历了漫长的岁月,根据证据进行不断修正. 在论证教学过程中,通过引导学生“像科学家一样思考”,帮助学生认识到蕴藏在物理学背后的科学知识本质与科学探索本质,[8]科学知识是依靠证据并在新的证据下不断修正的,科学探索则需要实验与逻辑的结合,有利于提升学生的科学素养.

3.3 有助于培养学生的科学思维

科学论证教学是以学生的已有知识为思维原点,通过论证的方式带领学生经历寻找证据、评估证据、质疑证据的过程,培养了学生的科学思维. 在形成主张的基础上,通过实验探究获得实验现象或数据,使学生建立起寻找证据的意识;在实验现象数据基础上进一步筛选鉴别、分析归纳,提升了学生评估证据以及科学推理的能力;而引导学生对主张或是证据提出质疑,例如质疑“电流与磁场之间是否具有对称性”“感应电流的方向与楞次定律规定的方向相反”,则培养了学生的质疑精神以及批判性思维,促进学生的科学思维向深度发展.