基于科学思维能力培养的物理情境创设

唐丽君

摘   要：科学思维作为物理核心素养的重要构成要素，是人们正确认识事物和改造事物的重要能力体现。情境创设是新课改下倡导的一种教学模式，能有效激发学生学习物理的兴趣，引导学生积极参与思考和探究。文章以“变压器”教学为例，通过创设迁移情境、实物情境、实验情境、问题情境等方式，在探究物理现象和规律、形成核心概念的过程中培养学生的科学思维能力，希望能起到一定的借鉴作用。

关键词：科学思维；能力；情境创设

20世纪90年代以来，我国一直致力于探索基础教育课程改革的有效途径。随着信息经济和创新经济时代的到来，社会对公民的素养提出了新的要求。建立促进学生发展的核心素养体系，成为全面提升教育质量的迫切需要。科学思维是物理学科核心素养之一，课堂教学是培养科学思维的主要阵地，教师可以有目的地创设必要的教学情境，引导学生质疑生问、探索规律、掌握知识[ 1 ]。在课堂教学中创设情境能够充分体现学生的主体作用，让学生的科学思维能力在观察、参与、思考、感悟中得以形成和发展。

1  创设迁移情境，培养质疑创新的思维能力

随着时代的发展，社会对人才的培养提出了更高的要求，创新型人才的培养成为教育的一个重要方向，而学生质疑的能力则是创新意识和能力的基础。质疑创新能力的培养不是一蹴而就的，对于中学阶段的绝大多数学生来说，提出创造性的观点、创造出新生事物是很难做到的。中学阶段质疑创新能力的培养更多体现在日常教学中，在原有的知识储备基础上创设知识迁移情境，引导学生发现问题、提出问题甚至提出批判性的见解，并由此引导学生进行进一步的学习与探究。

教学片段：“变压器”的教学引入

教师通过图片展示市电电压220 V，手机电池充电电压5.0 V。

师：我们常用的市电电压220 V，手机电池充电电压5.0 V。生活中我们用充电器对手机进行充电，充电器起到了一个什么作用呢？

生1：降低电压。

师：我们可以把它称为变压器。

教师在黑板上画出电源与用电器，同时提出问题：现有220 V的交流电源，如何让电压降为5.0 V的用电器正常工作？大家能不能用所学的物理知识解决这个问题？

生2：在电路中串联一个电阻。

师：不错，同学们对学过的知识掌握不错。那么，串联的电阻两端的电压是多少？

生3：该电阻两端的电压为215 V。

师：用电器的功率占电路总功率的百分比是多少？

师：如果你是充电器制造商，你觉得这样的设计是否合理呢？

生5：这种设计电能的利用率太低，从电能的有效利用上看是不合理的。

师：那么充电器里是什么元件起到了降低电压的作用呢？带着这个问题我们开始今天的学习。

质疑和创新并不是毫无根据的否定和尝试，它是在一定事实依据的基础上提出的独到见解。在以上片段教学中教师借助生活中常用的手机充电器，引导学生利用已学知识解决如何用220 V电源让额定电压为5 V的用电器正常工作。学生根据原有的知识储备提出用“串联分压”的方法解决问题后，在肯定学生的方法的同时进一步引导学生计算用电器功率占电路总功率的百分比。这一过程给学生提供了充分的知識积淀和质疑的条件。在教学中发现具有一定质疑精神的学生立即就会对这一解决方案提出反对的意见。若学生没有发现疑点，教师的一句“这样的设计是否合理”也能够信手拈来地激发学生的质疑意识。经历这一过程，其实是在潜移默化中告诉学生，生活中看似可以用简单的物理知识解决的问题，往往还要考虑诸多因素的干扰。在今后解决问题的过程中要学会多元思考，要有质疑的意识和精神，科技发展过程中的任何一次技术改进甚至发明创造都是由此开启的。

2  创设实物情境，培养科学推理的思维能力

科学推理能力是科学思维发展到一定程度之后的重要体现，它是学生解决问题的必备能力，是科学研究中的一个重要思维品质。高中阶段的学生在演绎推理上还缺乏依靠证据进行逻辑推理的意识和策略，在一些抽象的概念和规律学习中表现得尤为明显。演绎推理实质上就是知识在新情境中的重构，引导学生跨越从旧到新的过程则是推理能力形成与发展的过程。变压器的原理——电磁感应现象是一个比较抽象的概念，创设实物情境能够帮助学生在感性认识的基础上深入进行推理分析。

教学片段：变压器的结构和原理

师：把手机充电器打开，如图1中框选部分就是我们熟悉的变压器。它内部结构是什么样的呢？同学们桌面上都有一个可拆式变压器。

鼓励学生动手拆开变压器研究，并反馈研究发现，如图2。

生1：变压器内部有很多金属片叠在一起。

师：这些金属片是涂有绝缘漆的硅钢片，叠在一起构成闭合的铁芯。

生2：还有两个导线绕制成的螺线管。

师：我们把它称为线圈，是由高强度的漆包铜线绕制而成的。同学们桌面上还有一个更大的可拆式变压器，也是有闭合的铁芯和两个线圈构成，如图3。

教师演示：事先设定好原副线圈的匝数并连接好电路，向学生展示交流电源电压为16 V、小灯泡额定电压为3.8 V，接通电源，请同学们观察小灯泡亮了吗，会不会被烧坏？

生3：小灯泡能发光而且没有被烧坏。

师：电源是通过什么方式给小灯泡供电的？

生4：两个线圈通过闭合的铁芯构成闭合回路。

生5：不对，漆包线外层有绝缘体，铁芯外层也涂有绝缘材料，它们之间不会相互导电。

师：那么两个线圈的作用是什么？如果将电源换成同样电压值的直流电源，小灯泡能否发光呢？

学生有不同的猜想。教师演示对比实验，学生观察并讨论。经过讨论后不少学生都能用电磁感应现象来解释变压器的工作原理。

在“变压器”的教学中，从电磁感应到变压器的工作原理对于学生来说思维跨度还是很大的。以上片段教学中，教师从“充电器”到“可拆式变压器”再到“演示可拆变压器”，这一个个实物情境就是一个个演绎推理的依据，引导着学生根据实物进行猜想、分析、推理。教师的每一个问题，学生的每一次讨论都是一个分析推理的过程，都是一个思维碰撞的过程。正是这些实物和讨论让学生一步步地逼近真相，最终在获得知识的同时也提升了学生的科学推理的思维能力。这是教师直截了当地提出“同学们能不能用自己学习的知识分析一下变压器的工作原理”所无法比拟的。

3  创设实验情境，培养科学论证的思维能力

科学论证主要包括提出观点、寻找依据、逻辑推理、支持和合理反驳等过程。在课堂教学中，可以通过创设情境引导学生针对问题提出自己的观点，并利用所学知识寻找理论和事实的依据，论证自己的观点，培养学生的科学论证能力[ 2 ]。

教学片段：变压器闭合铁芯的作用

师：变压器两个线圈中为什么要插入铁芯？

生1：在保证电源和线圈匝数不变的情况下，插入铁芯能增大磁场。

师：铁芯为什么要设置成闭合的形状？

生2：能让副线圈获得更强的磁场。

师：同学们的想法是否正确呢？能不能设计一个实验验证自己的观点？

生3：如果闭合铁芯后副线圈获得磁场变强，根据电磁感应原理副线圈将获得更大的电动势，小灯泡亮度应该比铁芯闭合前更亮，可以通过铁芯闭合前后小灯泡的亮度对比验证我们的观点。

学生上台演示实验验证。

师：同学们通过实验验证了自己的观点，闭合铁芯的作用就是导磁，在增强原线圈磁场的同时，把磁感线尽可能地束缚在铁芯中，让副线圈获得更大的磁场。

教学过程中学生针对两个问题“铁芯的作用是什么？”“铁芯为什么要制作成闭合的形状？”提出了自己的观点，并找出了支撑该观点的理论依据，进而通过理论分析和实验探究论证自己的观点。在实验探究中学生经历了产生疑问、根据理论依据设计实验、实验验证、得出结论几个环节，这就是一个论证的过程。在这一论证教学的过程中，学生主动参与到科学论证中，而教师只是适时引导，实现提升学生科学论证能力的同时，展现物理论证过程的魅力[ 3 ]。

4  创设问题情境，培养模型构建的思维能力

模型构建是科学思维的基础，它以自然界及社会生活、生产中客观存在的物理情境为前提，通过观察、分析、实验等思维过程，对物理知识进行简化，从而得出结构和规律的描述。自然界中的物理现象总是复杂多变的，任何一个物理问题都是多方因素影响下的综合表现。为了探究这些物理现象背后的本质规律，常常需要抓住现象的关键因素通过假设等方法，建立理想化的物理模型。

教学片段：理想变压器模型的建立

此部分教学中教师可以创设如下问题情境：

问题1：同学们已经通过实验得到变压器原、副线圈的电压比近似等于匝数比，你能不能尝试从理论上论证这一关系？

问题4：如果不计“铜损”和“铁损”，你能否分析得到通过原、副线圈的电流与匝数的关系？

学生借助变压器功率的规律推导电流的规律，并形成理想变压器的概念。

教学過程中教师围绕着变压器的理想化条件，设置了一系列针对性强的问题情境，引导学生针对这些问题进行深入的思考，并尝试运用课堂生成的知识去解决问题。在一个个问题情境的驱动下，学生经历了分析、论证的过程，逐渐构建起了不计“漏磁”“铜损”“铁损”等知识概念，理想变压器模型的构建也就水到渠成。借助这些问题情境不仅深化了对知识的理解，建模的意识和能力也得到了提升。

在物理课堂教学中以“生活”为源泉，以“情境”为纽带，以“启发”为核心，创设迁移情境、实物情境、实验情境、问题情境，让学习者经历积极的生活体验、行为体验、思维体验，可以培养学生质疑创新、科学推理、科学论证、模型构建的思维能力，进一步激发学生科学探究的欲望，促进学生对知识体系理解，提升学生的物理学科素养。

参考文献：

［1］ 赵永忠．基于实验质疑 培养科学思维——以自行车尾灯角反射器工作特点研究为例[J]．物理教学，2021（10）：78-80．

［2］ 白杨，王艺朦，刘青华．论证式教学在物理课堂上的应用——以卫星变轨为例[J]．湖南中学物理，2022（2）：31-33，43．

［3］ 郑颖，张军朋，张玉发．高中生物理科学论证能力表现——基于Rasch模型的测试评价[J]．物理教师，2019（1）：2-6．