基于高阶思维培养的初中物理拓展教学——以电磁继电器为例

沈伟云

（嵊州市教育体育局教研室，浙江 绍兴 312400）

高阶思维是指发生在较高认知水平层次的心智活动或较高层次的认知能力.［1］高阶思维在初中物理学习中具体表现为分析、评价和创造.初中物理拓展性教学既是实施深度学习的需要，也是发展学生高阶思维的重要途径.教师可基于初中科学课程标准，结合学生认知特点，通过围绕某个主题增补或延伸与教材相关的资料素材开展拓展性教学.

电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路的一种自动开关，是初中物理的重点学习内容，在日常生活和科技方面有着广泛的应用.在初中科学教材中，仅介绍了电磁继电器的基本原理和简单应用.为此，拓展延伸电磁继电器的教学，不仅有助于加强物理与生活的联系，培养学生科技创新意识，而且也有利于学生高阶思维的发展.

1 分析表达，培养学生逻辑性思维

分析就是将研究对象分离成几个部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系.［2］推理是从一个或几个已知判断得出另一个新判断的思维过程.［3］教师可以电磁继电器的实际应用创设问题情境，先让学生实地体验或通过视频观看其工作过程，然后引导学生迁移应用物理知识分析表达其工作过程，进而培养学生的说理能力，发展学生科学推理思维.

如电梯设置的超载自动报警系统工作原理（如图1 所示）.先用视频形式呈现“当电梯超载时，自动报警系统铃声响起”情境，许多学生都有丰富的生活经验，但很少去究其所以然.一旦把该情境与学生的物理学习相联系，就会激发学生的学习兴趣，学生也很愿意进行分析推理：当电梯超载时，电梯底架的压敏电阻由于受到的压力增大，导致电阻减小，致使控制电路中的电流变大，电磁铁磁性增强，衔铁被吸引，继电器的动触头K与B静触点接触，此时电动机的电路断开，电铃工作，发出铃声.同样也可引导学生分析电梯载重正常时的情况，即此时压敏电阻较大，使得控制电路电流较小，电磁铁磁性较弱，无法吸引衔铁，继电器的动触头K与A静触点接触，电动机M 正常工作.

图1 超载自动报警系统

又如分析小区控制车辆出入的自动控制闸，如图2所示，该自动控制闸现在小区、单位都较为普遍，控制着车辆进出.教师可在学生交流讨论的基础上引导学生作出如下推理：当车牌被识别后，开关S闭合，绿灯亮，电磁铁产生磁性，把铁柱向下吸引，杠杆AB绕着支点O转动，栏杆被抬起来，车辆通行.而车辆若识别不成功则相当于开关S断开，电磁铁不能产生磁性.

图2 控制车辆出入的自动控制闸

电磁继电器的应用在实际生活中很普遍，如家用燃气报警器、恒温箱电路，电子秤等等.教师可鼓励学生积极挖掘生活素材，增进实践体验，以此来创设真实的问题情境，践行“让物理走进生活”的课程理念，组织学生交流与讨论，引导学生分析说理，培养学生科学推理思维.

2 交流评价，培养学生批判性思维

思维的批判性是指思维过程中善于严格地估计思维材料和精细检查思维过程的良好品质.［4］在开展课外拓展性实践活动中，教师可组织学生设计、制作“电磁继电器”科技作品，对于设计的方案、作品质量，可组织学生交流评价，以及在此基础上改进完善，发展学生的批判性思维.

如疫情期间为了确保体温正常的师生进入学校，研究性学习小组尝试制作“智能门禁”的科技作品.为此，在学生交流讨论的基础上，制定了评价标准：①体温正常、人脸识别成功，门打开；②体温异常，人脸识别成功，门不打开，警示灯亮；③不管体温正常与否，人脸识别失败，门不打开、灯不亮.若以开关S1表示体温，S2表示人脸识别.以此对学生设计的3个方案进行评价.如图3 方案所示，若体温正常，开关S1闭合，磁铁产生磁性，吸住衔铁，由于人脸识别成功，开关S2闭合，电动机工作，门打开，符合标准①.同理分析标准②也符合.若体温异常则表示S1断开，人脸识别失败表示S2断开，分析可知电动机不工作，警示灯亮，不符合③要求.如图4符合要求.如图5 当体温正常S1闭合，不管人脸识别成功或失败，此时门都打开，开关S2不起作用.在方案设计的基础上，教师要及时提供帮助和指导，鼓励学生把方案转化为有形的科技产品，也即“智能门禁”.对于智能门禁，教师也可组织学生进行自评、他评，围绕“实用、美观、创意”等内涵开展多元评价.

图3 “智能门禁”设计方案1

图4 “智能门禁”设计方案2

图5 “智能门禁”设计方案3

又如以图1所示的“电梯超载自动报警系统”为例，也可组织学生进行交流评价，鼓励学生提出质疑，如有学生提出，若该报警系统只在电梯超载严重时才响起铃声，这该如何改进？ 减小电源电压.同样也可组织学生对图2“小区控制车辆出入的自动控制闸”进行评价，提出问题，如有学生提出若栏杆无法抬起怎么办？ 更换电池，或滑动变阻器滑片向上移动.

在交流评价过程中，既要肯定学生的正向评价，指出其优点，也要引导学生敢于质疑，善于提出问题，鼓励学生不断完善设计方案，培养学生解决问题能力，提高学生的实践创新素养，发展学生批判性思维品质.

3 设计方案，培养学生创造性思维

创造性思维是以新颖、开创性的方法去解决问题的一种思维过程，有助于培养学生迁移运用知识去解决问题的能力.［5］教师可通过设计实践目标，提供材料元件，提出操作要求，引导学生按要求连接电路设计方案，以此培养学生创造性思维品质.

如设计利用太阳能电池板给LED 路灯供电的自动控制电路.教师可提供给学生相应的电学元件，提供资料让学生大致了解相关元件的性能，如光敏电阻R的阻值是随着光照的增强而减小.在此基础上提出设计要求：白天时太阳能电池板与蓄电池构成闭合电路，将太阳能转化为化学能储存在蓄电池中.傍晚时蓄电池与LED 路灯构成闭合电路，路灯发光.通过学生交流与讨论，设计如图6所示的电路图.

图6 自动化智能控制的街道路灯

又如设计消防应急灯电路，教师可先提出要求：平时应急灯是熄灭的，一旦发生停电，消防应急灯就会正常发光.引导学生迁移运用电磁继电器知识设计如图7所示电路.

图7 消防应急灯电路

方案设计好之后，教师不应停留在“纸上谈兵”状态，而是要鼓励学生在课后积极开展实践活动，小组合作，动手操作，把方案物化成具体的实际电路，解决真实问题，以此来培养学生实践创新素养，发展学生创造性思维品质.

在物理拓展性教学中，对于分析、评价、创造等高阶思维的培养，不是截然分开的，而是紧密联系在一起的.如在制作一项电磁继电器作品时，首先要对其工作原理进行分析，然后设计方案、动手操作，再对其作品开展评价，不断完善改进，整个过程都融合着分析、评价、创造思维.为此，基于电磁继电器的拓展教学，不仅能丰富初中物理课程教学资源，加深学生对物理概念的理解，开展深度学习，而且有助于学生解决问题的高阶思维能力的发展.