基于思维进阶的初中物理实验教学设计
陈华
摘? ?要：学生的思维进阶是分阶段的，设计符合学生思维进阶的实验教学，不仅可以帮助学生在学习内容上的进阶，还可以发展学生的思维，培养学生的高阶思维能力。文章以初中物理“电流的磁场”实验教学设计为例，探讨了从经验到理论，从具象到抽象，从低级思维向高级思维发展的实验教学设计流程，变“怎么教”为“怎么学”，变“教什么”为“学什么”，真正实现教学过程中尊重学生的主体性，发挥教师的主导性作用。
关键词：思维进阶;初中物理;实验教学设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）5-0029-3
1? ? 引? 言
皮亚杰认为“儿童思维的发展既是连续的，又是分阶段的，发展阶段既不能逾越，也不能逆转，思维总是朝着必经的途径向前发展的。”[1]
近年来思维进阶理论研究成果表明：物理前概念的形成是学生思维发展的第一层境界，该阶段学生受经验影响较大，思维波动性强，人云亦云，缺少独立见解;发现不同是纠正错误前概念、建立新概念的第二层思维境界，该阶段需要学生学会思考，形成自己的思考方法;取长补短是完善认知、巩固概念的第三层思维境界，该阶段需要学生学习经典思维模型并灵活应用;创造、创新是思维发展的第四层境界，该阶段需要学生建立自己的思维模型，构建思维体系;化繁为简是思维发展的第五层境界，该阶段需要学生用思维体系去解决问题。
学生的思维进阶影响着学习进阶，需要学生自主发展，也需要教师用恰当的教学设计进行指导和引领。
2? ? 问题的提出
电流的磁场看不见、摸不着，是初中物理教学中的重点和难点。按苏科版初中物理教材编排体系，正常的教学顺序是先由奥斯特实验引入通电导线周围存在磁场，其方向与电流方向有关;再介绍通电直导线周围的磁场分布，即以电流为中心的同心圆;最后探究通电螺线管周围的磁场，得出安培定则。其中，通电直导线周围的磁场分布是教学难点之一，因为实验室条件下电流强度不能很大，其周围磁场比较弱，磁场的显示比较困难，学生遇到第一次思维挑战;其次，由直线电流的磁场过渡到通电螺线管周围的磁场，教学衔接上需要经历模型转换，学生经历第二次思维挑战;再次，在探究磁场方向与电流方向关系实验中，螺线管正绕、反绕，电源正负极互调，导致螺线管中电流方向出现多种可能，容易出现判断困难，学生面对第三次思维挑战。
3? ? 以“电流的磁场”为例的实验教学设计
本节教学内容由经验到建模再到理论，从具象到抽象，由低阶思维学习到高级思维培养。在教学设计时以实验展开，用实验来说明和突破学习内容，创新实验教学设计帮助学生思维进阶。
3.1? ? 激趣导学，由感性具象到抽象逻辑
激发学生的学习兴趣，调动学生参与课堂教学活动的积极性，是每位教师进行教学设计的首要任务。创设与学生生活环境、知识背景相关的、学生感兴趣的学习情境，通过搭建知识桥梁，让学生在观察、操作、猜测、交流、反思等活动中逐渐体会物理知识的产生、形成与发展的过程，获得积极的情感体验是引入课题的重要环节。
电流的磁场是揭示电磁联系的开场，拉开了研究电磁间本质联系的序幕。展示电磁在社会生活中的应用無疑是引入课题的最佳选择。电磁炮（图1）、电磁秋千、电磁旋转线圈等模型制作简单，演示现象明显，且联系军事、社会、生活，学生喜欢，也能激发他们参与设计和制作的热情。
对比电磁炮和磁力炮（图2）的工作过程，并提出问题：对比它们的工作过程，你有什么发现？学生自然明白电磁炮通电产生与磁力炮同样的作用，从而将电与磁建立起联系，认识到导体通电后会有另一种效应，即电流的磁效应。
创设一种真实的、实用的、具有挑战性和吸引力的物理情境，以问题的形式组织教学，有现象、有分析、有评价，自然地引入课题。
3.2? ? 知识建构，化具象为抽象，建立理性具象
教学对话是知识建构的基本途径，而实验教学则提供事实和依据。对真实的问题进行深入的知识建构，通过师生之间或生生之间的相互交流，采用实验验证和探究教学手段，嵌入活动的形成性评价过程是发展学生思维进阶、突破教学难点的有效途径。
电流周围有没有磁场？电流周围的磁场分布是什么样子？这是值得探究的问题。结合前面磁场的学习，学生头脑中马上会出现很多种模型。如何使学生克服错误前概念由探究通电直导线周围磁场分布的奥斯特实验（图3）合理过渡到探究通电螺线管外部磁场分布，是教学设计中的难点。
苏科版初中物理教材为此作了一点铺垫，补充了“通电直导线周围的磁场分布，即它的磁感线是以电流为中心的同心圆”[2]（图4）。教师如何通过直观的实验手段帮助学生进行知识建构达到思维进阶，既反映了教师的教学智慧，也是进行深度教学的过程。
3.2.1? ? 理论构建
（1）从磁场强弱分析
一根通电直导线周围磁场较弱，对周围的小磁针或铁屑的作用很小。采用累积法，如果用多根电流方向相同的直导线并排摆放，每根导线周围的磁场就可以相互叠加得到增强，对周围小磁针或铁屑的作用会加大，即通过增加导线的根数来增大磁场。用“多根”导线做成的实验电缆线（图5）就是累积法在教学设计中的巧妙应用。
用该电缆线进行实验探究，在貌似一根导线的基础上实现了电流强度的成倍数增大，提高了实验效果，这种设计符合学生的思维进阶过程。
（2）从形状变化探讨
直导线周围有磁场，弯曲的导线周围磁场又是什么样子的呢？学生会有这样的好奇心和探究欲望。
教学中可以类比滑动变阻器化直为曲，帮助学生建立管状模型。学生会联想到螺线管的匝数类似于并排的一根根导线，增加匝数相当于增加了导线的根数。探究通电直导线周围的磁场到弯曲导线周围的磁场，再由弧形导线周围的磁场到螺旋管状导体周围的磁场，这样的思维进阶教学设计过渡会更自然，如图6所示。
3.2.2? ? 实验演示
（1）演示通电直导线的磁场
演示奥斯特实验时，通过采用多节干电池或者学生电源来增大直导线中的电流，同时让小磁针尽可能靠近直导线，观察小磁针的偏转情况。
为说明直导线周围都有磁场，显示磁场的小磁针摆放成了关键，所以直导线采用竖直放置方式，小磁针水平放置，如图7所示。 但是，一根导线周围的磁场比较弱，试图通过多只小磁针显示直导线周围的磁场根本做不到，所以创新实验设计采用多匝导线绕成线框的一边来显示直导线周围的磁场分布;同时，为说明直导线周围磁场空间的立体性，将装置设计为双层演示板（图8），上层透明下层不透明，分别洒铁屑和摆放小磁针能更清晰地显示直导线周围磁场的分布，如图9所示。
（2）探究弧形导线周围的磁场分布
认识了直导线周围的磁场后，引导学生探究弧形导线周围的磁场就自然而然了。再次利用多匝导线绕成的线框演示实验，观察线框周围的磁场分布（图10），改变形状后，观察弧形导线周围的磁场分布，如图11所示。
（3）探究螺线管周围的磁场分布
将多匝导线散开，就成了螺旋线，也称之为螺线管，如图12所示。同样用小磁针或小铁屑，观察到通电螺线管周围的磁场与条形磁体的磁场相似，如图13所示。
設计符合学生思维进阶的实验教学，由分析直线电流周围的磁场，到增加导线匝数增加磁场强度，再到弧形导线周围磁场，进而到螺线管周围磁场，学生经历了分析、综合、比较、抽象、概括、判断和推理等过程，发展了学生的高阶思维能力。
3.3? ? 高阶学习，发展学生抽象逻辑思维
学生自主探究实验，采用分组教学和小组合作的学习方式可以发展学生的思维，发挥学生
学习的主体性，激活课堂教学气氛，教学效果会更好。
奥斯特实验为验证性实验，说明电流的磁效应;通电直导线周围的磁场分布、螺线管周围的磁场分布为探究性实验，可以让学生进行自主实验，学生既可以验证实验结论，又可以通过自主探究获得想知道的实验现象，如图14（a）所示;通过小组协作、交流、讨论，分析实验现象，评价实验过程，得出真实的实验结论。还可以通过选择小磁针、铁粉等实验器材，比较磁场分布的效果，如图14（b）（c）所示，既开拓了学生思路，又发展了创新思维方式，在做中学，在学中思，这样的学习方式将使他们收获更多。
4? ? 结束语
促进学生能力发展的关键在于重视学生的思维进阶过程。好的教学设计应给学生学习的空间留白，让学生对自己的活动进行反思，亲身体验知识的发生、发展过程，从而培养学生的创新能力、问题解决能力、决策力和批判性思维能力。
好的教学设计应尊重学生学习的主体性、了解学生的思维特点和起点、设置有效的教学活动、创新实验手段，把握学生的思维脉络，促进学生的思维向高阶发展。通过分析学生的思维困惑、降低思维要求、做好铺陈转换，让学生在记忆、理解、应用的同时，发展他们的分析、综合、评价和创造能力，提升他们的物理素养。
参考文献：
[1]刘炳昇，李容.义务教育教科书物理九年级下册[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2013.
[2]刘金花.儿童发展心理学[M].上海：华东师范大学出版社，2000：108.（栏目编辑? ? 邓? ?磊）
