基于核心素养指向对学生高阶思维的培养*——以“磁感线”模型建构为例

崔 琳 乔英磊

(北京景山学校远洋分校 北京 100040)

任 鑫

(北京市第十二中学 北京 100071)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(简称《标准》)[1]明确指出,物理课程要培养的核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任.《标准》要求学生通过义务教育物理课程的学习达到如下目标:学生会用所学模型分析常见的物理问题;能对相关问题和信息进行分析并得出结论,具有初步的科学推理能力;有利用证据对所研究的问题进行分析和解释的意识,能使用简单和直接的证据表达自己的观点,具有初步的科学论证能力;能独立思考,对相关信息、方案和结论提出自己的见解,具有质疑创新的意识.能制订简单的科学探究方案,有控制实验条件的意识,会通过实践操作等方式收集信息,初步具有获取证据的能力;能分析、处理信息,得出结论,初步具有对科学探究过程和结果作出解释的能力.

从《标准》提出的要求来看,思维存在于整个教学过程中,但并不明显,为显性教学过程中学生的思维能力,布鲁姆(BLOOM)将人类的认知分为六种,分别为记忆、理解、应用、分析、评价、创造.其中,记忆、理解和应用为低阶思维,分析、评价和创造为高阶思维,如图1所示.

图1 BLOOM认知目标分类

物理学是一门以实验为基础,通过逻辑推理,模型建构,借助数学工具等形成系统的研究方法和理论体系的学科.在物理教学中,教师不仅要加强对学生记忆、理解和应用等低阶思维的培养,更要注重对学生分析、评价和创造等高阶思维的训练,使学生逐步形成物理学科素养,落实立德树人的根本任务.然而,在当前中学物理教学中,教师往往只关注知识的讲授、方法的给予或是实验结论的告知,而忽视在概念生成、模型建构以及规律探究过程中对学生高阶思维的培养,导致学生思维通常只停留在记忆、理解和应用的低阶思维层次,缺乏对高阶思维培养的整体性规划.实际上,初中物理教学中应将科学探究与科学方法相互融合,在发展学生低阶思维的同时,更要注重发展学生的高阶思维,提高学生的科学思维和科学探究能力.在教学中,教师应以高中课标和义教课标为依据,基于学生的长远发展,以整个主题或单元进行教学设计,对学生的培养具有前瞻性和连续性,将培养学生高阶思维的目标始终贯彻下去,以真正落实立德树人的根本任务.

例如,在认识“磁场”时,传统教学模式下,教师往往也会在短时间内强行让学生接受磁场的存在,之后顺势告知学生我们可以用一个新的物理模型——磁感线来描述磁场.稍微好一些的教学模式也仅仅是停留在通过让学生类比风,形象地阐明磁场的存在,但是对磁场性质的研究和“磁感线”模型的建构过程并不深入.笔者认为,上述教学形式缺乏研究的味道,错失了培养学生科学思维的良机.因此,如何能在教学中真正调动学生的积极性,激发学生的科学思维显得尤为重要.所以本文以“磁感线”模型建构为例,阐述在初中物理教学中基于模型建构、转换法、类比思想等科学方法在物理教学中的重要应用和价值,力求让学生在课堂中充分经历探究过程,享受思维乐趣,经历设计和创新的过程,真正达到提升学生高阶思维的目的,切实培养学生的创造能力[2].

事实上,磁场是较为抽象的,看不见,也摸不到,所以学生本就难以理解,而“磁感线”模型建构对于初中学生而言接受起来更是有一定难度,那么在教学中就应该将教学适当“放慢”,将它们形象化表征,为此笔者以条形磁体为例,通过实验、想象、演绎、推理等多种途径让学生感知磁体周围存在磁场,再根据已有的实验现象通过问题链的形式引导学生得出磁场的性质,在分析出磁场有强弱和方向后,让学生通过想象、推理找到能准确描述磁场的方法,从而试图描绘出条形磁体周围的磁场,整个教学过程不仅培养了学生观察、描述、比较等低阶思维,也注重对学生辨别、概述、判断、整合、评论等高阶思维的培养,进而落实物理学科核心素养[3].

1 指向高阶思维发展的实施环节——“发现磁场存在”

现将课堂教学片段展示如下:

【演示实验1】手持1号条形磁体,使其N极与悬挂的2号磁体的N极靠近.

师:刚刚的实验中同学们看到了什么?——观察能力.

生:2号磁体会运动.

师:为什么会运动呢?——解释能力.

生:受力.

师:其实生活中也有类似的现象,比如:秋天,树上的树叶飘动,为什么叶子会动呢?——迁移能力.

生:受力.

师:那可能是谁给它的力呢?——分析能力.

生:风.

师:类比着这个情景想一想,刚刚这个2号磁体为什么会动呢?——推断能力.

生:它周围也有一种像风一样的东西.

师:那这种像风一样的东西是谁提供的呢?——识别能力.

生:1号磁体.

师:看来1号磁体周围可能真有这么一种特殊的东西,一旦它靠近2号磁体,就相当于2号磁体闯入了这种特殊的物质中,那么1号磁体周围的这种物质就会对2号磁体有力的作用.(停顿)其实大量研究表明自然界真的存在这样一种物质,人们称它为磁场.而磁场的基本性质就是对放入其中的磁体有力的作用.也就是说,1号磁体周围的磁场对放入其中的2号磁体有力的作用,所以2号磁体会运动.

设计意图:本环节从观察实验现象入手,着重培养学生观察、分析、解释、推断的能力,引导学生初步猜想出磁体周围可能存在一种看不见、摸不到的东西——磁场,培养学生透过实验现象思考本质的意识,进而为学生高阶思维的发展奠定基础.

2 指向高阶思维发展的实施环节——“分析磁场性质”

师:磁场看不见也摸不着,和风非常类似,那我们怎么研究它呢?可以先想想生活中我们是如何感知风的存在呢?——描述、分析能力.

生:叶子飘动,红旗飘动……

师:为什么可以通过叶子、红旗等来看呢?(停顿)其实这些东西都有一个共同的特点,是什么呢?——观察、分析和概述能力.

生:它们在风中受力会动.

师:哦,研究风我们可以利用在风中受力会动的物体,那如果想要研究磁场,我们是不是也可以找一个在磁场中受力会动的物体来研究呢?那找什么呢?——比较、分析和创造能力.

生:磁体.

师:没错,磁场的基本性质告诉我们磁场对放入其中的磁体有力的作用.那这里有几种磁体(条形磁体、蹄形磁体、环形磁体、小磁针和椭球形磁体),我们选用哪一种比较好呢?——观察、比较和分析能力.

生:小磁针.

师:为什么呢?——比较、分析能力.

生:受力更容易动起来.

师:好,那我们就用它,大家先来看它的指向有什么特点?——观察、描述能力.

【学生活动】观察小磁针指向.

生:和条形磁体一致,红色端都指向北方,白色端都指向南方.

师:那现在我想要研究1号磁体周围的磁场,应该怎么做呢?——推理、预测能力.

生:把小磁针放到1号磁体周围.

【演示实验2】把小磁针放到1号磁体周围.

师:大家注意观察,那这些小磁针相当于风中的什么?——比较能力.

生:红旗、树叶.

师:看看这些小磁针的指向,你发现了什么?——观察、概括能力.

生:不同位置小磁针的指向不同.

师:为什么呢?——分析、推理能力.

生:各个位置受力不一样.

师:力的什么不一样?——辨别能力.

生:方向.

师:那看来磁场是有方向的,如果让你把这一点的磁场方向给标注出来,你怎么标注呢?——分析能力.

生:用箭头.

师:那箭头往哪里指呢?

生:红色针方向.

师:其实两边都可以,只是我们统一规定用小磁针N极(也就是大家说的红色针)指向来表示该点的磁场方向.那其余的位置磁场方向该如何标注呢?下面请同学们尝试画在学案上[图2(a)],请一位同学在电视屏幕上完成标注.——应用、执行能力.

图2 磁场各点的方向

【学生活动】描绘各点磁场方向.

设计意图：本环节引导学生通过类比风的方式进一步确定这种看不见、摸不到的东西——磁场的存在,将磁场中小磁针类比为风中的红旗、树叶,引导学生从形象思维到抽象思维进行过渡,从而意识到磁场是有方向的.除培养学生观察、分析、比较、描述等必备能力外,着重培养学生的分析、推理、概括能力.之后引导学生通过观察不同位置小磁针的指向去描述条形磁体周围各点的磁场方向,旨在培养学生的应用、执行、概述及预测能力,引导学生深度挖掘科学问题,是学生形成高阶思维的必经之路.

师:从刚刚的分析中我们发现磁场中各个位置方向不尽相同,那强弱会一样吗?——观察、推理能力.

生:不一样.

师:你怎么知道的?——观察、分析的能力.

生:磁极磁性强.

3 指向高阶思维发展的实施环节——“描述磁场特点”

师:非常好,看来我们想准确地描述磁场不光要把方向描述出来,也要把强弱也描述出来,那怎么描述呢?(停顿)其实我们还可以类比风,就像这幅图(图3),你看它是怎么描绘风的?——分析能力.

图3 对风的描述

生:用线.

师:能给你点启示吗?我们可以怎么描述磁场呢?——比较、分析能力.

生:用线条.

师:那会是什么样的线条呢?(停顿)仔细观察你刚刚画出的各点方向[图2(b)],你能发现什么?——观察、概述与创造能力.

生:左边都是往外走,右边都是往回走,中间是从出来的方向指向回去的方向.

师:那你想象一下它周围的场线会是什么样呢?边想,可以边参考这个铁屑分布的实验.——观察、描述与整合能力.

【演示实验3】条形磁体周围撒铁屑[图4(a)].

图4 磁场的分布

师:大家可以试着在学案[图4(b)]虚线框内画一画磁体周围磁场分布.——设计能力.

【描述】画几条磁感线.

师:这样的话看看磁场的强弱和方向都表示出来了吗?方向没问题,那强弱呢?能看出来吗?——辨别、推理能力.

生:磁极附近磁场较强,磁体中部,距离磁体远的位置较弱.

师:怎么看出来的呢?——观察、整合能力.

生:线条的疏密程度.

师:很好,这样,我们就将条形磁体周围存在的这种特殊的物质——磁场形象地描述出来了,其实刚刚我们所用到的这种带箭头的曲线在物理学中就叫做磁感线.它是为了描述磁场而人为建构的一种物理模型.

设计意图：本环节基于之前的实验现象引导学生尝试描述磁场,明确要想清楚描述出磁场必须想办法同时描述出磁场的大小和方向,从而再一次类比风的描述,通过磁场方向的描述寻找规律,尝试预测条形磁体周围的磁场分布,再结合条形磁体周围铁屑的分布情况描述出磁场,从而建构磁感线模型.本环节除了能培养学生的观察、比较、分析、描述等基础能力外,还加入了对学生设计、概述、辨别、整合和创造能力的培养,真正让学生形成高阶思维.

4 指向高阶思维发展的实施环节——“关注物理模型建构过程”

以上教学将建构磁感线模型分为3个阶段,将教学适当“放慢”,旨在落实每一个环节的教学目标,思维层层递进,更好地培养学生观察、描述、分析、推理、辨别、预测、整合、交流和创造的能力,从而发展学生的高阶思维,切实落实物理学科核心素养,达到真正育人的目的(见表1).

表1 “磁感线”模型建构中学生思维水平发展

回顾教学设计中的3个主要教学阶段:在第一阶段,引导学生观察同名磁极相互排斥的实验,让学生初步感知磁体周围存在某些特殊的物质,从而猜想磁体周围有磁场,培养学生观察、识别、解释、比较、推断的能力,学生认知层次处于低阶思维.在第二阶段,引导学生通过类比风进一步研究磁场,通过观察条形磁体周围小磁针的指向意识到磁场有方向,引导学生从形象思维过渡到抽象思维,培养学生分析、识别、推理、概述、应用及执行能力.学生认知层次处于由低阶思维向高阶思维过渡阶段,其中,辨别、预测、分析和概述均属于高阶思维层次.第三阶段,教师并未立即演示撒铁屑的实验,而是让学生根据磁场方向发现规律,进行想象,再结合铁屑在条形磁体周围的分布最终创造出描述磁场的具体方法,从而建构出磁感线这一物理模型,学生认知层次处于高阶思维.以上3个阶段阶梯式提升学生的认知层次,其目的是让学生经历模型建构的过程,深刻领悟建构模型的方法,从而真正达到培养学生高阶思维的目的.

其实物理建模在中学物理中是一种非常重要的科学方法,在解决实际问题和认识客观世界中也发挥着至关重要的作用.借助“模型”概念寻找客观世界的真实规律是一个必经的过程.当遇到实际问题时,首先可以引导学生通过直观的实验现象感知它的存在,为了进一步研究其性质,可以找到或者构建一些适合的模型来形象地描述它,之后再利用所构建的模型去研究更加抽象、复杂的问题.从简单模型到复杂模型,从理想模型到实际问题是一个循序渐进逐步认识客观世界的过程.当然物理模型也不是一成不变的,它经常会随真实情境条件变化而变化.所以模型建构的过程就是从实际问题到现象感知到建构模型再到模型检验,最后是模型应用,这便是物理模型建构的一般思路,如图5所示.因此,创设基于模型建构的科学学习环境,有助于学生建模思维的发展和解决问题的能力.

图5 模型建构的一般思路(以“磁感线”模型建构为例)

5 结束语

真实的物理教学,应该关注对学生科学思维的培养.合理地设计教学环节是培养学生从低阶思维迈向高阶思维的有效途径,是提高学生学科核心素养的基础.只有在教学中注重对学生科学研究方法的培养,同时关注学生高阶思维的发展,才能使学生将科学探究与科学思维相融合,进而增强其创新意识和实践能力,以更好地落实物理学科核心素养,真正将立德树人的根本任务落到实处,为国家科技进步培养更多优秀人才.