培养科学论证能力的物理课堂教学例析——以《变压器》教学为例

黄巧曦 柯晓露

（1.福州第十中学，福建 福州 350011；2.福建教育学院，福建 福州 350025）

《普通高中物理课程标准（2017 年版）》将科学论证作为科学思维的一个重要构成要素，在课程目标、学业质量水平中对基于科学论证的物理教学提出了明确的要求。［1］科学论证既是物理课程中的重要内容和学习方式，也是物理教学中的重要教学目标，要求学生具备科学论证的意识和能力。［2］因此基于科学论证能力培养的物理课堂教学显得尤为重要。笔者从学生科学论证能力的行为表现展开研究，并以变压器的教学为例，探讨如何在课堂教学中有计划地针对学生科学论证能力的行为表现进行培养，以发展学生科学论证能力。

一、课堂教学中学生科学论证能力的行为表现

物理课程标准对高中阶段学生科学论证水平，重点从证据的收集、分析、解释和使用方面进行发展和提升。［1］学生获得物理知识和能力的主要场所是课堂，在教学中将科学论证活动引入课堂，引导学生经历类似科学家的论证过程，以发展学生的科学思维能力。

物理科学论证活动，是指学生基于物理问题情境，依据现有证据，通过合理推理，支持正确观点或反驳相异观点所必须的、稳定的心理特征。［3］在课堂教学中科学论证的具体行为表现是：

1.提出观点。学生基于物理问题情境，对所研究的科学问题进行预测、判断或解释等。

2.寻找事实证据。学生能对自己提出的观点，寻找对应的物理知识，包括物理模型、概念与规律等。

3.展开逻辑推理。学生能用理论演绎或实验归纳的方式，厘清观点和事实证据之间的逻辑关系。

4.合理反驳。学生能恰当、合理地运用物理知识，解释自己的观点或对他人观点的证据或推理过程进行质疑和批判。［4］

在此，提出观点是科学论证能力培育的起点；寻找证据是运用所学知识对所提观点的支撑；逻辑推理亦称演绎推理，从一般性的电磁感应规律出发，通过推导得出变压器的个体规律；合理反驳是在自己推理论证的基础上大胆质疑、批判他人的观点，同时在进一步的论证中修正完善自己的观点。这四种行为之间是环环相扣、相辅相成的，其中提出观点需要教师平时多加鼓励引导，逻辑推理是学生的薄弱环节，教学中应重点培育。

二、课堂教学中学生科学论证能力的培育方法

科学论证是学生利用事实证据、理论知识以及逻辑推理，对观点进行解释、证实或反驳的实践活动，如何在课堂教学过程中让学生学习经历科学论证的过程，培养学生的科学论证能力呢？下面以《变压器》教学为例，阐述培养学生科学论证能力的具体方法。

1.创设物理问题情境，培养提出观点的能力

创设基于物理问题的教学情境，提出物理观点是科学论证的起点，而提出的“物理观点”又必须有一定的“事实证据”作为支撑，所以教学中要培养“基于证据提出观点”的科学论证能力。

本节课的教学可以针对“变压器的结构”特点，创设一系列的问题情境，提出相应的物理问题，以此激发并鼓励学生大胆提出自己的观点。

教师拿着一只空心螺线管提出问题：根据所学知识，给这个线圈通以电流，那么这个线圈就能产生一个磁场。如果保持线圈的匝数和电流不变，如何增强磁场的强度？

学生提出观点：可以插入一根铁芯。

教师指着A、B 两个带铁芯的线圈（图1）问：若给A线圈通电，B 线圈中会产生感应电动势吗？

图1

学生提出观点：会产生感应电动势；不会产生；不一定等观点。

在学生回答基础上教师继续提出问题：现在我们让A 线圈接上交流电源，把小灯泡接在B 线圈的两端（图2），接通电源后小灯泡会发光吗？学生提出观点：会发光；不一定会发光等观点。

图2

课堂上不断提出针对性强的问题，就能有效促进学生提出自己的观点，长此以往也就发展了学生提出观点的能力。

2.基于所学物理知识，培养寻找事实证据的能力

学生在课堂上面对物理问题情境，提出观点需要所学知识的支持。在提出观点后更需要基于所学知识对所提观点进行科学合理的解释。在“变压器”这节课中，学生对前面所提出的观点，基本上能够从事实中寻找证据，运用所学知识作出合理的解释。比如：

面对教师提问：保持线圈的匝数和电流不变，如何增强磁场的强度？

学生能回答：可以插入一根铁芯。并作出“是因为铁芯被线圈中的磁场磁化了，磁化后的铁芯产生的磁场大大增强了这个通电螺线管中的磁场强度”的解释。

面对教师提问：在给图1 线圈A 通电时，线圈B 中会产生感应电动势吗？

学生1 回答：会的。并作出“在通电的瞬间或B 线圈靠近A 线圈的过程中，穿过B 线圈的磁通量发生了改变，因此在B 线圈中就会产生感应电动势”的解释。

学生2 回答：如果是给A 线圈通以交变电流，A 线圈所产生的磁场也就是交变磁场，那么穿过B 线圈的磁通量也就随时间发生改变，进而在B 线圈产生感应电动势。

面对教师提问：线圈A 接交流电源时，连接在线圈B 上的小灯泡会发光吗？

学生3 回答：会发光。并作出“因为A 线圈中变化的磁场穿过了A 线圈的同时也穿过B 线圈，B 线圈的闭合回路中就会产生电流，灯泡就可以发光”的解释。

学生4 回答：不一定会发光。并提出自己的观点和依据“穿过B 线圈的磁感线是很有限的，产生的感应电动势太低，也就是磁通变化率太小”。

学生5 也接着提出观点：要让小灯泡发光，就要提高B 线圈的磁通变化率。

教师在学生回答基础上递进设问：有没有办法提高磁通变化率呢？

学生7 提出了自己的观点和依据：可以把这两个线圈的铁芯连接起来，那么A 线圈产生的磁感线就可能会更多地穿过B 线圈，线圈B 产生的电动势就提高了。

教师按照学生的观点进行实验验证：我们尝试实验一下，将铁芯缓慢地由不闭合到闭合过程中，观察灯泡的亮度变化。如图3 所示。

图3

接着教师继续提问：大家认为铁芯的作用是什么呢？

学生8 提出观点：铁芯的作用就是导磁，把原线圈产生的磁感线尽可能多的束缚在铁芯内，从而尽可能多地穿过副线圈。

教师进行小结：只要在一个闭合的铁芯上，绕上两个线圈，就组成了一个简单的变压器。

以上教学中，笔者没有直接呈现变压器的构造，而是以学生熟悉的线圈产生磁场为问题情境，引导学生对所研究的科学问题进行预测、判断或解释，并利用原有的知识经验寻求支持自己“观点”的“事实证据”，从而生长新的知识经验。显然，学生在解决这一问题的过程中，自然而然地提高了基于“事实证据”进而提出“观点”的科学论证能力。

3.精心设计递进问题，培养逻辑推理的能力

科学的逻辑推理是科学论证的核心。在课堂教学中，要利用已有的物理知识，用理论演绎或实验归纳的方式，找出现象和观点之间形成合乎逻辑的科学解释，并在同学中进行交流和接受检验。［4］

教学片段之“理论推导理想变压器的基本规律”

师：所谓的“理想”，一是指“无漏磁”，二是“无能耗”。如果无漏磁，那原、副线圈的磁通量、磁通变化量、磁通变化率是否相同？

生1：“无漏磁”——原线圈产生的磁感线全部都能导到副线圈中，使得穿过副线圈的磁通量等于原线圈产生的磁通量。有φ2=φ1。

原线圈的磁通量变化时，副线圈的磁通量也随之改变，有△φ2=△φ1

师：那原线圈的自感电动势与副线圈的感应电动势的比值有什么关系？

生2：根据法拉第电磁感应定律E=可知，是一匝线圈产生的电动势

师：那原、副线圈两段的电压之比与匝数有什么关系？需要“理想变压器”的哪一个“理想”角度分析？

生3：从“无能耗”角度分析，因为线圈是铜线，如果铜线电阻可忽略不计，即线圈内电阻r1=0、r2=0。由于线圈的内电阻为零，其内电压为零，线圈的两端电压也就等于电动势，有U1=E1、U2=E2，因此得到

师：不计铜线内阻是指“无铜损”，“无能耗”的另一方面是无“铁铜损”，指变压器的铁芯内的涡流损耗可忽略不计。由于“理想变压器”的自身无能量损耗，那通过原、副线圈的电流与匝数有什么关系？

生4：由于无能耗，原线圈与从电网获得的电功率就等于副线圈对外做功的功率，即P1=P2，而P1=I1U1、P2=I2U2，因此得到

师：我们抓住“理想变压器”的理想化条件，一环紧扣一环的展开逻辑推理，得出变压器的基本规律。下面我们一起通过实验来验证一下变压器线圈两端的电压与匝数之间的关系。

以上教学中，对理想变压器的规律推导过程进行了拆分和改进，基于逻辑认识的逐步深入，通过精心设置四个递进式的问题，分层论证，以此来展开我们的教学。只有亲历了这样逐步深入的推理论证过程，才能使学生更加充分地体验到科学思维的美妙，提升科学论证的能力。［5］

4.适时引导论证的方向，培养合理反驳能力

以往的课堂教学中，学生习惯于观点，缺乏质疑、挑战的意愿。因此在课堂教学中，一方面要鼓励学生提出观点，另一方面要引导学生运用物理知识从证据可靠性、合理性、适用性等方面质疑、批判别人的观点，同时在论证中也修正自己的观点，从而培养合理反驳的科学论证能力。

教学片段之“变压器的引入”

师：这里有一只标称为“6V 0.3A”的小灯泡，可以直接接到220V 的照明电路上吗？怎样才能让这只小灯泡正常发光呢？

生1：用“串联分压”的知识，将小灯泡与一只电阻串联起来，再接到220V 电路上，小灯泡就可能正常发光。

师：按照大家的方法，需要串联的分压电阻的阻值应该是多大？小灯泡消耗的电功率和电路总功率分别是多少？

生2：分压电阻的阻值：R=小灯泡消耗的电功率：PL=6×0.3=1.8W 电路消耗的总电功率：P总=220×0.3=66W。

师：大家对这种方法赞同吗？

生3：在这种情况下采用电阻“串联分压”方式进行供电，在消耗66W 电功率中，64.2W 都被浪费了，用于小灯泡发光的只占2.7%。因此是不科学、不划算的。

在教学中，笔者以具体的“如何让‘6V 0.3A’的小灯泡直接接到照明电路中正常发光？”的物理问题为切入点，让学生基于经验提出“串联分压”的观点。缺乏实际生活经验的学生很难自主质疑，因此，笔者在教学中引导学生从能量的角度进一步论证，“逼迫”学生“想方设法”来论证原来观点是否正确，并由此进入到更深一层次的论证中，同时修正自己的观点［5］，培养了合理反驳的论证能力。

三、结语

通过具体科学论证能力培养的教学实践，教师应将科学论证作为一种教学理念渗透到日常教学中，结合教学内容的特点，从科学论证的行为表现出发，创设问题情境，设计合理的科学论证活动，培养学生的科学论证能力。

1.亲历论证过程，养成科学论证的习惯

教材中呈现给学生的物理知识基本上都是科学家经过研究后的成果，而科学的进步是科学家们不断进行养的结果。在课堂教学中，基于问题情境，让学生在精心设计科学论证的活动中：基于问题，表达对问题的认识，结合个人的生活经验及观察到现象或事实进行诠释，用逻辑推理印证自己的科学认识，同时深入思考他人观点与自己观点的理论依据。让学生不断亲历科学论证的这一过程，有助于养成科学论证的习惯，培育学科核心素养。

2.提供论证思路，掌握科学论证的方法

科学论证是科学思维的重要方法，方法的培养离不开知识的学习，知识的学习和理解促进方法的运用。知识的学习是显性的，而方法的学习是隐性的，学生的一些行为反映了思维的过程，但学生并不一定能够清楚地认识到这些行为背后的思维行为。［6］在教学中，教师可以以情境为载体，用问题串方式，引导学生进行观点、事实、证据、推理、反驳等一系列论证行为，在促进学生思考的同时，逐步加深学生对科学论证方法的掌握。

3.加强逻辑推理，提升科学论证的能力

科学推理是科学论证的核心。学生在科学论证活动中，需要表达自己的观点是否合理、事实证据是否可靠、解释理由是否充分、物理知识应用是否准确等等，都要科学推理做支撑。在教学中，通过设计递进式的问题，引导学生不仅要提出可靠的事实证据，更重要的是演绎事实证据和观点之间的演绎推理或实验归纳的过程，推动学生的科学思维向更高层次发展。特别是反驳的过程，对学生思维的全面性、严谨性以及推理的逻辑性都提出了更高的要求。［6］通过逻辑推理的过程，使科学论证更深入的同时，大大提升学生的科学论证能力。