还原知识产生 凸显科学思想——以《指南针为什么能指方向》的教学为例

□赵 亮

（嘉善县天凝中学，浙江嘉善 314109）

一、教的指向：教科学知识还是教科学思想

有个问题一直在拷问着我，我们究竟是在教科学知识还是在教科学？如果是前者，我想我们仅仅是知识的搬运工，我们的教仅停留于传递输送知识上，而科学这门学科的真正价值和意义是能让学生像科学家那样发现问题、思考问题、分析问题和解决问题，全面提高科学素养。这就需要我们重新审视我们的教学。

因此，在科学教学中，我们在教给学生知识的同时，更要注重知识的原始产生和发展过程，凸显知识背后所蕴含的科学思想和方法。知识是无法穷尽的，也是暂时的，但科学思想和方法则是永恒的、稳定的。因此，我们在教学中要追求知识、过程和思想方法的统一。思想方法的迁移为问题解决提供了方向，而问题解决中也会萌生思想和方法，体现思想方法的教育必将会促进学习的主动性和迁移性[1]。例如，在浙教版义务教育教科书《科学》的《指南针为什么能指方向》这一课的教学过程中，笔者始终以科学思想和方法为主线、为明线，让学生亲历知识是怎么来的，科学家是如何思考、如何设计实验的，从而让学生自主、自觉地获取知识，真正领悟知识背后所蕴含的科学思想和方法。以下是教学设计和思考。

二、学的设计：追求科学思想和方法的教学路径

（一）创设情境，引出课题——还原知识背景

【学的设计1】以学习小组为单位提供给学生一小块磁泥，让其用磁体靠近，观察有何现象会发生。通过体验，发现用磁体靠近磁泥后，磁泥会伴随着磁体的靠近或移动而变换出各种各样有趣的形态（如图1所示）。

图1 磁泥在磁场中的奇妙变化

【学的设计2】紧接着设置一个开放性的任务：让桌面上的小磁针转动起来。此时，有的学生用手指、笔或书本来触动它，有的学生则用磁体靠近使其转动起来。

师：这些方案都完成了此项任务，很显然小磁针的运动状态发生了改变，这说明了什么？

生：这些方式都对磁针产生了力的作用。

师：那么用手指、笔或书本和用磁体对小磁针产生力的作用有何不同？

生：手、笔、书都是直接接触，而磁体仅仅是靠近；手、笔的驱动方向主要在于用力方向，而磁体的驱动方向主要在于不同的磁极。

［评析］这样的具有趣味性的情境和开放性的任务，让学生不禁对此神奇的现象产生疑惑和好奇，大大激发起学习兴趣。这也很自然地引出了磁场这一概念，为后续的探究埋下了伏笔。历史上对磁场的探究无非也是基于对生活的观察，从产生的疑问开始的，这也很好地还原了知识产生的背景。

（二）设计实验，探究磁场——还原思维逻辑

【学的设计3】先让学生尝试用一枚小磁针摆放于磁体周围的不同位置，并进行观察。

师：你发现了什么？

生：用一枚小磁针感觉比较杂乱，规律很难探寻。

师：为了更为清晰的找到规律，你需要什么？

生：需要更多的小磁针。

顺着学生的思路，教师提供给学生多枚小磁针，同时放置于磁体的周围进行观察，寻找规律。学生通过观察初步发现小磁针的北极都朝向磁体的南极，小磁针的南极都朝向磁体的北极。教师让学生在小磁针的位置初步画出北极的朝向。

【学的设计4】虽然通过更多枚的小磁针有所发现，但规律依然很模糊。如果我们需更全面、更清晰、更准确地探寻到磁场的特点和规律，就这几枚小磁针行吗？

生：小磁针能否再多一点，但要更小一点，否则放不下。

师：那么，从哪里可以找到更小的小磁针呢？

生：磁化后的铁屑就相当于一枚枚小磁针啊！

顺着学生的思路，教师提供给学生铁屑以进一步深化实验和观察（如图2所示）。

图2 探寻磁体周围的磁场

［评析］磁场虽然是真实存在的，但它是无形的，既看不到，也摸不到，那么磁体周围的磁场究竟是怎样的呢？我们认识它只能通过放入其中的小磁针受力情况来探寻其背后的规律和特点。从一枚小磁针放到不同的位置去观察，到同时多枚小磁针放置于不同位置再观察，依然不足以（太大，太少）找到清晰的规律。这不断地让学生产生思维障碍和阻力，教师继续启发引导学生得出需要更多更小的小磁针，于是就自然而然想到磁化后的铁屑。这样使得整个实验层层递进，步步深入，让学生进一步理解了科学家为何如此设计实验的用意和思维，从而也能像科学家一样思考问题、分析问题、解决问题：不是为了实验而实验，为了探究而探究，而是有一种思想在牵引，有一种思维在驱动。

【学的设计5】继续让学生将小磁针固定于直尺的一端（如图3所示），顺着铁屑的分布轨迹移动直尺并观察小磁针的变化。学生在这样的体验中清晰地观察到小磁针的变化始终是顺着铁屑的分布轨迹。

图3 磁场的动态呈现

［评析］该设计将磁场静态的分布转化为动态的变化，给学生不一样的体验和感受。它通过小磁针动态变化的连续性带动了学生思维的发展，加深了学生对磁场分布的理解。

（三）绘磁感线，感悟模型——还原科学模型的创造过程

【学的设计6】借助实验的不断深入，通过铁屑在磁场中有规律的分布，让学生尝试在纸上用线条画出铁屑的分布。随着一条条线的出现，学生直观形象地感知磁场的规律和特点。此时，教师水到渠成地介绍“法拉第最早引入磁感线”这一科学史，同时让学生体会比较刚才所画铁屑分布的一条条线和科学史中法拉第引入的磁感线的相似点。

［评析］这样的设计使磁感线的引入不突兀，而是顺理成章，也让学生更为深刻地领悟科学家为什么要引入磁感线这一模型。模型的产生绝对不是凭空产生出来的，而是为了解决问题。铁屑只能解决磁场分布情况问题，无法解决方向问题，小磁针容易解决磁场方向问题，但磁场分布比较模糊，把线带上方向箭头，便综合了小磁针和铁屑的优点，这样的模型既解决了分布问题，也解决了方向问题。该设计就是要让学生参与该模型建构的全过程，明白该模型将抽象的、无形的却真实存在的磁场进行具象化、有形化地呈现，也更好地理解科学家建立磁感线模型的意义和价值。

（四）充实实验，感受立体——还原立体的磁场

【学的设计7】磁体周围磁场仅存在于平面内吗？如果不是，你又如何设计实验？

生：可以在磁体周围搭建支架，然后放置小磁针或铁屑进行观察。

顺着学生的思维，教师展示立体磁场，以及自制教具（大试管中装有洗涤剂并放入铁屑，大试管中间再套入带有条形磁铁的小试管），待静止后观察便呈现如图4所示的状态。

图4 呈现磁体周围的立体磁场

［评析］由于之前的实验均是在一个平面上完成的，难免会让学生简单地认为磁场的分布就是在一个平面上的，从而走入理解的误区。这样就会对磁场的认识不到位、不全面和不准确的。因此，教师在教材原有实验的基础上进行了补充，让学生亲眼看到、亲身体验到磁场的分布是立体的，它不仅仅存在于一个平面上，从而帮助学生走出思维的误区。自制教具，也更形象地让学生感知到磁场的立体分布。

（五）迁移科学思想，探寻地磁场规律——还原思想和方法的迁移

【学的设计8】在学习地磁场的时候，先让学生观察放置于桌面上的一枚枚小磁针。

师：通过观察，发现我们桌面上的小磁针静止后有何规律吗？

生：感受到桌面上的小磁针似乎有一定规律，都是南北朝向。

根据Arrhenius方程将lnk对T-1作图，得到图8直线。由图8直线方程可求得溶出活化能：E=7.23 kJ·mol-1，溶出动力学方程：1-(1-x)2/3=0.208 5 exp(-7 234/RT)t。由此结果可以看出，熟料中铁的溶出活化能较低，在外扩散控制的活化能范围之内，因此溶出过程较容易，所需的溶出温度亦不高。

师：你们再次触碰后，继续观察。

生：等待小磁针静止后，依然是南北朝向。

师：这说明什么呢？

生：是不是我们周围也存在着无形的磁场？

师：那仅凭这几枚小磁针就可以证明我们周围也存在着磁场吗？

生：不足以，因为地球很大。

生：我们需要更多的小磁针，摆放在更多的位置。

生：需要在世界不同地方再做实验，然后观察现象，避免偶然性。

这时，学生会很自然地将之前研究条形磁体、马蹄形磁体磁场分布的思想方法进行迁移，提到用更多的小磁针到更多的地点去发现，去探寻。于是，教师提供给每个学习小组一个被掏空了的地球仪（内置条形磁铁），让其在不同位置放置小磁针继续观察（如图5 所示），并自行寻找规律。学生很容易发现地磁场的分布与条形磁体磁场的分布是非常相似的这一规律和特点。最后，教师让学生将地球仪打开，揭秘其本质原因。

图5 探究地磁场的分布

［评析］整个过程回归知识（磁场）从平面到立体的过程，整个过程不是由教师直接告知，而是引导学生迁移科学思想和方法，同时借助自制教具，让其自主探究、自主发现、自己获得。这不仅解决了指南针为什么能指方向的问题，而且将习得的科学研究方法、科学思想进行迁移。为了使学生通过该模型深入认识地磁场，教师将地球仪掏空，里面直接放入条形磁体，然后在其周围放置数枚小磁针，让学生进行观察。通过这样的感性体验，使地磁场的概念扎根于学生心中，这样的设计也有利于培养学生科学建模的意识和能力。

三、结束语

总之，科学教育的核心和关键必然是思维，是思维方式，是思维的发展。一个学生的科学素养高低，除了与他掌握科学知识的量有关，更取决于他的科学思维方式。科学思想与方法是一种隐含在科学知识和科学探究过程中的东西，这种隐性的东西恰恰是科学素养的重要体现[2]。因此，我们更要揭示隐藏在知识背后的科学思想和方法，注重教给学生获得知识的能力，让学生真正面对未来，探索未知，获得长长久久的适合终生发展的能力，而不是一时的考试成绩，这也必然是落实学科核心素养的必经之路。