应用实验类科普节目发展学生物理科学思维

蔡晓仪 吴伟 杨雪枫

摘   要：普通高中物理课程标准将发展学生的科学思维作为课程目标之一，同时建议充分挖掘电视资源的教育功能。将实验类科普节目应用于高中物理教学，对于发展学生的科学思维有一定的积极作用。文章以“电磁感应”为例，探讨在高中物理教学中如何应用实验类科普节目发展学生的科学思维。

关键词：实验类科普节目;科学思维;高中物理教学;电磁感应

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）5-0069-5

《普通高中物理课程标准（2017年版）》的实施建议指出，要积极探索与开发来自电视与电影、科技馆、博物馆、公共图书馆、高等院校、科研院所、工厂、农村等的物理资源[1]。实验类科普节目属于电视节目资源，许多环节的设计蕴含着科学思维。高中物理教师可以对实验类科普节目进行剪辑等处理，将其融入教学环节中，发展学生的科学思维。

众多实验类科普节目中，中央电视台的《加油！向未来》《是真的吗》《原来如此》深受观众们的喜爱。节目一般以问题为导向，呈现出一些意想不到的实验现象，激发观众的求知欲;再通过主持人或旁白的提问、节目嘉宾观点的论证逐步引导观众对实验现象进行分析、猜想;最后由主持人或专家对实验原理进行介绍。这三档节目是发展学生科学思维的良好资源。文章以人教版高中物理“电磁感应”为例，对这三档物理实验类科普节目中与电磁感应相关的内容进行整理，阐述在高中物理教学中如何应用实验类科普节目发展学生的科学思维。

1    三档实验类科普节目中电磁感应内容的梳理

电磁感应的知识点比较抽象，相比于各种力学现象，电磁感应现象在日常生活中很难被直接观察。在教学过程中实验资源有限，导致学生对相关知识点的理解并不深刻。而实验类科普节目能够提供更多优质的教学资源，是现有物理教学手段的有效补充。文章对中央电视台三档实验类科普节目中与电磁感应相关的片段进行整理，发现了一些比较好的资源，如表1所示。这些节目资源涉及到的知识点有楞次定律、法拉第电磁感应定律、电磁阻尼以及电磁驱动，基本囊括电磁感应的重要知识点。教师可以将这些节目资源进行适当加工或改进，整合到教学中来发展学生的科学思维。

2    实验类科普节目发展学生科学思维的具体应用

科学思维由模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四个主要部分构成，文章将从这四个方面重点阐述在高中物理教学中如何应用实验类科普节目发展学生的科学思维。

2.1    融合实验类科普节目实验，提升科学推理能力

科学推理是在已有证据的基础上，通过分析与综合等思维方式、控制变量等推理形式得出结论的过程[2]。在实际教学中，教师往往通过演示实验呈现现象，引导学生思考后进行科学推理与论证;教材中的实验资源有限，课堂上学生学习知识常常只靠教师单纯的理论讲解，这不利于学生科学推理能力的发展。而实验类科普节目经过了节目组以及专家团队精心挑选和打磨，包含了许多科学推理过程。教师既可以参考节目进行实验演示，也可以对实验进行升级改造，引导学生在分析实验现象过程中提升物理科学推理能力。

以“电磁阻尼”知识点为例，将教材的设计与实验类科普节目的实验片段进行对比。在“思考与讨论”栏目中，教材先让学生分析磁电式仪表的铝框的受力情况以及其对仪表转动的影响，再说明该现象为电磁阻尼。在“金属放入锡纸筒会缓慢下降？”实验片段中，主持人释放磁铁，磁铁自由落下，然后在锡纸筒上方释放磁铁，磁铁缓慢落下。节目组再将经过慢镜处理的两段录像进行对比，说明磁铁进入锡纸筒后会受到阻碍作用。相比于教材的设计，节目的实验片段暗含了控制变量的推理形式。教师演示该实验时可以适当地引导学生思考，根据现象和所学知识进行推理。但节目中对比实验变量只有一个，现象分析比较简单，学生科学推理能力的锻炼有限。所以，教师可以进行改进（图1）：首先，将锡纸筒换成铝管，铝的导电性能比锡好，磁铁进入筒后产生的感应电流更大，实验现象会更明显;其次，同时设置三个装置“1.无裂缝铝管+磁铁”“2.有裂缝铝管+磁铁”“3.无裂缝铝管+铝块”进行对比。教师可以先让学生猜想哪个装置的金属块下落最慢，然后在同一高度同时释放三个金属块，让学生观察现象并解释原因。在学生思考时，教师可给予一定的提示，让学生分析三个装置之间的区别，从而引导学生运用控制变量的推理形式分析实验现象，最终得出结论：在闭合回路中磁通量的变化能产生感应电流。

2.2    借用嘉宾论点，引导学生进行科学论证

科学论证是以科学知识为依据，对所获资料进行解释，提出自己的论点，反思自己与他人论点的不足，同时反驳他人的质疑和批判的高级思维能力[2]。在日常教学中，教师更关注学生个人的论证。然而，科学论证也可以是社会层面的，多人之间的论点的交流碰撞更能有效地促进批判思维的发展。《是真的吗》《加油！向未来》每期都会邀请一些嘉宾根据个人认知对实验现象进行猜想，并给出论证依据，专家负责实验原理的解释说明。这两个过程都涉及到观点和论证。教师可以借用节目中嘉宾的论点，引导学生提出自己的论点并论证，反思论点之间的优劣，发展批判性思维。

以“涡流、电磁阻尼与电磁驱动”为例。在以往的教学中，教师在巩固提升环节会将本节课所学内容与本章前面的知识点建立联系，加深学生对电磁感应现象的理解。此过程主要是通过教师的讲解实现的，仅有个别学生会发表自己的观点，缺乏观点之间的交流。而在“铜、铝、不锈钢，哪种轨道使磁铁下降最慢”实验片段中，现场嘉宾则对实验现象展开了激烈的讨论。教师可以仿照节目片段设计一个知识竞猜环节鼓励学生进行科学论证，理清各知识点之间的联系。首先，教师将剪辑后的实验装置介绍片段播放给学生看，让学生思考“当装有钕磁铁的‘小车从高8.8米的轨道顶端下落时，哪条轨道上的‘小车最后到达终点？”这个问题，并让学生从“A.木轨+铜轨”“B.木轨+铝轨”“C.木轨+不锈钢轨”三个选项中选择一个，然后交流并解释原因。此阶段是学生之间的论点交流，如表2所示。学生的选择可能不同，或者相同选择的学生论据可能不同，他们就会思考其他人论证过程中存在的逻辑问题以及依据是否可靠，并提出自己的观点进行反驳论证。然后，教师播放实验验证视频以及专家观点。视频中铜轨道的小车下落最慢，不锈钢轨道的小车下落最快。对此，曹则贤教授给出了他的解释，如表2所示。这个阶段是学生与权威专家之间观点的碰撞。大多数学生都能够从楞次定律、电磁阻尼等角度论证A选项的合理性，而曹教授是从涡流的角度解释，此时教师可以引导学生进行反思：“曹教授跟大家的解释不太一样，谁的说法是正确的？还是各有各的道理呢？大家是从什么角度对实验现象进行解释呢？”学生便开始思考楞次定律、电磁阻尼、涡流这三个概念之间的联系与区别，判断各方论据是否充分。在实验原理的论证过程中他们就会弄清楚这些概念是电磁感应现象在不同方面的体现。最后教师进行总结，学生是从电磁感应中的动力学角度解释现象，曹教授则是从能量的角度对该现象进行解释，两个角度都是可行的，并鼓励学生从多个角度分析问題、论证观点。

2.3    创设物理情境，引导学生建构物理模型

模型建构是在对客观事物进行抽象和概括的基础上，抓住其关键因素，构建能反映其本质特征的理想模型的科学抽象过程[2]。真实的情境是有效建构物理模型的前提。真实情境下的学生对情境的理解更加深刻，运用恰当的物理模型解决实际问题的能力会有所提升。教材借助插图创设真实的情境，然而插图篇幅有限，所呈现的情境不一定最优，教师应该挖掘更多的资源创设情境。实验类科普节目通过惊险有趣或贴近日常生活的实验展示科学的“奇、美、趣、用”，努力做到以最直观、生动的方式展示科学实验，是创设物理情境、发展学生物理模型建构能力的良好素材[3]。教师可以在恰当的教学环节中融入节目的实验片段，引导学生把节目中的实验现象抽象概括为物理模型，发展其建模能力。

以“电磁感应”单元复习为例，将教材与节目资源进行比较。教材的“复习与提高”栏目共有13道题目，其中10道只给出物理模型，仅有3道提供了物理情境，学生模型建构能力得不到足够的锻炼。而“金属穿过磁场的阻尼器”实验片段介绍了一种用于稳定楼体结构的阻尼装置，如图2所示。该装置主要由两个金属片单摆组成，一个完好无缺，一个呈梳齿状，摆的平衡位置有磁场。将两个金属摆提到同样高度释放，经过磁场后，完整金属摆很快停下，而梳齿状金属摆则继续摆动。这个实验与楞次定律、电磁感应定律、电磁阻尼等知识点相关。教师可以在单元复习课上运用该实验片段创设物理情境，引导学生对真实情境进行抽象概括，建构恰当的模型解决问题。教师在播放该节目片段后，可以向学生展示表3。表3呈现了金属摆进入磁场的情况下，实验装置经过抽象概括的模型图。教师可以通过提出“完整金属摆经过磁场的过程中磁通量是如何变化的？有没有感应电流产生？感应电流和安培力的方向是怎样的？能否画图表示？”等问题，引导学生针对性地分析该物理过程。然后，再让学生把其他情况的物理模型图进行抽象概括，最终得出金属摆进入和离开磁场时都会受到安培力阻碍的结论。这时教师可以继续提问：“梳齿状金属摆跟完整金属摆有什么不同？为什么基本不受磁场影响呢？”学生便可基于刚刚建构的物理模型进行分析，根据法拉第电磁感应定律，梳齿状金属摆产生的感应电流小，所以阻尼效果小。通过对电磁阻尼装置的物理模型进行抽象概括以及后续的分析，学生的建模能力得以提升，并且会对电磁感应现象及相关的动力学问题有更加深刻的认识。

2.4    引发认知冲突，鼓励学生质疑创新

质疑创新是批判性思维与创造性思维的体现，即学生在面对新的情境或者具有挑战性的学习任务时，具有好奇心，能进行反思与质疑，能提出新颖的、有价值的想法，并能付诸实践[2]。批判性思维与创造性思维通常始于认知冲突，当学习情境与学生已有的认知结构发生冲突时，学生的求知欲就被激发，并以批判的态度审视原有认知的局限性，尝试从其他角度提出新的猜想。教师可通过实验、播放录像等方式引发认知冲突[4]。教材中的实验呈现的大多是直观的物理现象，不易引发学生的认知冲突。而实验类科普节目是以问题为导向的互动求证节目，实验验证结果往往出人意料，是用于创设问题情境、引起认知冲突的良好资源。教师可以在教学过程中适当地借鉴或引用节目，激发学生的思考，引导学生质疑并提出自己的想法。

以“电磁驱动”知识点为例，教材中以学生观察铝框在转动的磁铁间的运动引入电磁驱动现象，该现象相对简单平淡，不易激发学生的学习兴趣。而在“不触碰也能让金属片旋转”实验片段中，主持人先用磁铁靠近圆铝片再拿开，铝片没有转动;再用磁铁在圆铝片下方绕圈时，铝片跟着磁铁绕圈的方向转动。这前后矛盾的实验现象能够引发学生的认知冲突，激发学生对实验现象进行批判性思考。教师可以把节目实验改进成一个科学魔术，激发学生强烈的求知欲望，引导学生积极思考[4]。如图3所示，教师先将磁铁藏在清凉油盒子的暗格中，演示时向学生展示盒子内部是“空的”，并表示这个盒子可以让铝片转动起来。此时，多数学生都会持怀疑态度。然后，教师拿着盒子在铝片上方绕圈，铝片跟着盒子转动。面对盒子“吸引”铝片的现象，部分学生会猜测盒中藏有磁铁，然后就会引起其他同学的质疑，因为磁铁对铝没有吸引作用。教师应对敢于质疑的学生表示赞许，并引导学生设计实验验证盒子内部没有磁铁。此时，学生的创造性思维就被激活了，学生可能从“磁体之间的相互作用”这个角度出发，提出找一块磁铁靠近盒子观察是否有相互作用;或者从“磁铁能够吸引铁钴镍”这个角度，提出用盒子靠近铁制品，观察是否对其有吸引作用。采用学生提供的方案进行验证后，教师可拿出藏在盒子暗格里的磁铁，此时学生的认知冲突达到最大化。通过之前的讨论，他们清楚地知道仅有磁铁的作用是无法让铝片转动起来，所以他们会开始思考能否从其他角度对现象进行解释。此时，教师可以给予适当的引导，让学生思考磁铁在铝片上方绕圈的目的，鼓励学生说出自己的想法，激发学生的创造思维。

3    小结与反思

实验类科普节目不仅能用于“电磁感应”教学中发展学生的科学思维，还能推广到其他的教学内容当中。这需要广大教师深入挖掘这类教学资源，巧妙设计整合，把教学效果最优化。在设计教学的过程中，教师应当挑选最佳实验类科普节目片段应用于相关的知识点教学，考虑将其应用于哪个教学环节，根据教学需求选择适合的应用方式。如何将实验类科普节目与教材中已有资源进行整合，在课内和课外如何有效应用这些资源优化教学，还需要进一步探究。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：74-75.

[2]廖伯琴，李洪俊，李晓岩.高中物理学科核心素养解读及教学建议[J].全球教育展望，2019，48（09）：77-88.

[3]斯莉莎，吴伟.电视科学实验节目资源在初中物理教学中的应用探讨——以“大气压强”为例[J].物理教师，2018，39（09）：38-41.

[4]田成良.引发认知冲突 发展科学思维[J].物理教师，2018，39（05）：30-31+34.

（栏目编辑    邱曉燕）