科学思维导向下高中物理创新实验教学设计

赖毅标 张宁 高永伟

摘   要：培养科学思维是高中物理教学中的重难点。文章以高中物理“安培分子电流假说”为例，分析如何通过思维阶梯、多样化实验探究的设计，充分发挥实验在物理教学中的作用，促进学生科学思维的提高，培养物理学科核心素养。

关键词：科学思维；实验探究；分子电流

教育部出台的《普通高中物理课程标准（2017年版2020修订版）》将以往的三维目标提升为了物理观念、科学探究、科学思维、科学态度与责任。其中，科学思维是学生认识客观事物与内化过程中的核心要素，包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等。从当前实证研究来看，科学思维的培养仍较为困难，特别是模型构建方面。根据国内外相关教育研究表明，从小学到大学各个年级的学生在理解微观粒子（particulate nature of matter， 简称 PNM）时都有一定的困难[ 1 ]。抽象、复杂的概念与模型使学生很容易对PNM产生自发或由教学引发的相异构想[ 2 ]。Stoddart等人研究发现，三分之一的学生没有微观视角，而其余学生有对PNM的部分认识和相异构想，这些相异构想并不仅仅存在于学习初期，甚至到大学还会存在。其次，由于生活经验的影响以及微观物质的不可见性，一旦形成相异构想便难以纠正。“宏观通用”是相异构想中最普遍的思维，即当物质发生物理或化学变化时，其微观粒子也会随之变化。冰融化的时候，冰分子也融化；铁被磁化的时候，铁分子也被磁化。学生在理解和解释宏观现象时，倾向于对物质的感性认知尝试进行分析。即使学生掌握了气压与扩散现象的本质是分子运动，再回顾原先学习“安培分子电流假说”时，仍会感到难以理解。

1  “安培分子電流假说”内容在高中的地位

“安培分子电流假说”是人教版《高中物理（选修3-1）》中第三章“磁场”第三节内容，其所在小节主要讲述几种常见的磁场、安培分子电流假说。但由于高中普遍存在的“以高考为导向，以知识为中心”的教学观念，教师仅讲述“安培分子电流假说”结论，忽视与其它概念和规律的内在联系，导致了“见森林不见树”的学习状况。“安培分子电流假说”是衔接电与磁的重要一环，能够圆满地解释各种磁现象，从而揭示磁现象的电本质[ 3 ]。其内容为：一切构成物质的原子、分子等微粒内部都存在一种环形的电流，即分子电流，使每个微粒都可以看作是拥有两个磁极的小磁体。铁磁性物质在未被磁化前，其内部的各分子电流的取向是凌乱无序，它们磁场相互抵消，使得物质不带有磁性。但在外部因素的影响下，如强磁场，物质内部各分子电流取向变得整齐有序，使原本无磁性或者导电能力差的物体变为磁铁或者导体，这便是物质磁性的基本来源[ 4 ]。

2  “安培分子电流假说”内容在科学素养教育方面的价值

应用微观知识解释宏观概念是培养学生科学思维的有效途径[ 5 ]。首先，重视对理想模型的构建与应用，通过实物或虚拟模型探究微观粒子特性。其次，注重科学推理过程，科学推理指的是通过已有的知识推导出新结论的思维方式。中学物理课上常用方式是归纳推理和演绎推理。这节课内容是促进学生运用以上两种方法理解科学本质的典型范例。如对地磁现象、磁化与消磁、电磁铁等，已学习的电磁感应现象与电流的磁效应都只能解释其中部分内容，而安培分子电流假说却能对现象进行预测与解释。

“安培分子电流假说”这一模块，不仅解释了电与磁之间的内在联系，还揭示了微观与宏观世界的统一性。这与“课标”对本章的要求不期而同：进一步培养学生关于电磁场的物理观念，利用物质性与能量性质解释电磁现象，能从实验归纳和理论演绎等不同方法来研究物理问题。同时也契合物理课程的价值，满足学生探索自然、理解自然的兴趣与热情，有助于学生形成科学世界观和科学价值观。

3  对于“安培分子电流假说”的教学分析

3.1  基于科学思维的教学目标分析（表1）

模型建构的过程离不开科学推理， 科学推理是科学论证的必要条件[ 7 ]，科学论证是培养质疑创新的重要载体。

3.2  学生分析

学生在“安培分子电流假说”前，已系统性地学习了电磁感应现象与电流的磁效应，对磁体、磁场与磁现象等知识有着浓厚的学习兴趣。渴望探寻了解电与磁之间内在联系，但高中教材中电学与磁学位于两个不同的章节，并且缺少实验揭示其微观本质与联系，因而学生难以理解磁现象的电本质，使得这一部分内容容易与后续学习的洛伦兹力微观概念相混淆。其次，部分学生通过科幻电影与科普视频等途径了解电与磁相关知识，但都不系统或不科学，且极其容易引起学生形成相异构想。因此，在教学过程中应用实验探究，设计合理教学逻辑，帮助学生初步形成完整知识结构就显得更加重要。

3.3  基于培养学生科学思维的教学内容分析

该节内容是在磁感应现象与电流的磁效应的基础上，从微观角度探究磁体磁性的起源与电流磁场之间联系。并简要介绍了通电螺线管与条形磁铁磁场的相似性，分子电流与其取向规律。教材仅用概括性的话语讲解上述“普及性”内容，未联系已学概念与规律，这不仅未能说明磁现象的电本质，而且影响了后续对洛伦兹力与安培力的理解，导致教材内容的衔接出现割裂感。因此，在教学中需重视帮助学生形成高中物理知识体系的整体认识，从而培养完整的物理观念和科学思维。

4  “安培分子电流假说”教学设计流程

本节课是磁场专题中的最后一节课，是联系电与磁的重要一环。其核心知识为了解常见磁铁所引发的磁场（条形磁铁、马蹄形磁铁、通电螺线管等），探究分子电流模型与其取向规律的影响，理解磁现象的电本质，以下针对教学设计进行简要阐述。

4.1  创设问题情境，激发学生兴趣

观察不同磁铁产生的磁场形状，对比分析通电螺线管与条形磁铁所引发的磁场形状，如图1所示。并思考能否将通电导体看作为一个磁铁，再小的磁体是否也拥有两级。

设计意图：引导学生思考电与磁之间的联系与区别，从而发现在已学习磁感应现象与电流的磁效应之间，存在某种无法用已有知识解释的内在联系。

4.2  演示趣味实验，引导模型构建

运用希沃白板等多媒体投影设备演示小铁棒和小钢珠的磁化现象。先将小铁棒靠近细小的订书钉，小铁棒不能吸引订书钉。将小铁棒与条形磁铁一段相互连接，再次靠近订书钉，部分订书钉被吸起，此时，缓缓撤去条形磁铁，观察到仍有少部分订书钉被吸引。在随后猛烈撞击小铁棒后，靠近订书钉，小铁棒带有的磁性又“消失”了。观察不带电的小钢珠在通电螺线管中从杂乱无章到有序排列的状态，如图2所示。思考问题链：发现了什么物理现象？小铁棒怎样获得磁性？小钢珠为什么变“听话”了？

设计意图：通过生活中常见的小物件所组成的趣味实验引入新课，进行基于现实生活的真实探究，激发学生对物理知识在生活中应用的探究兴趣，使学生更好地参与问题的思考与讨论。并建立安培分子电流模型，从微观角度对电磁现象进行解释。

4.3  依据事实现象，验证假说内容

引导学生阅读人教版《高中物理（选修3-1）》第87页的图3.3-6，组织小组讨论问题链：物质外显磁性与其分子取向之间的联系？铁质物质是在什么条件下被磁化的？又是在什么条件下被消磁的呢？电与磁所产生的磁场究竟有什么联系？分析与讨论上述问题，并设计制作“条形磁铁”如图3所示。在探究过程中验证安培分子电流假说，总结出磁铁的磁场和电流的磁场本质是相同的，即都是由电荷的运动产生。

（1）将铁粉放入玻璃试管内，用海绵堵住试管口并尽量夯实铁粉。

（2）用强磁铁紧贴试管侧边，将强磁铁从试管口到试管底部反复移动，如图4所示。

（3）将试管底部缓缓靠近订书钉，吸起少许枚订书钉，成功制作“条形磁铁”。

（4）用力晃动装满铁粉的试管，再次靠近订书钉，无法吸起，完成对铁粉的消磁。

实验注意事项：放入玻璃试管中的铁粉必须夯实，不宜太多，不能存有较大空隙。其次，磁化后的铁粉需要缓慢移动，避免在管内发生碰撞。

设计意图：用铁粉模拟物体内部的分子电流，依据取向规律，决定物体是否外显磁性。打破传统教学中用思想实验论述假说的方式，采用磁化铁粉模拟分子电流验证假说进行模型实验。通过该环节的教学设计，不仅验证安培分子电流假说，深化磁现象的电本质，而且培养学生科学论证能力。在实验探究中思维得到发展，核心素养得到提高。

4.4  探究课外实验，培养创新思维

数字化信息系统实验（Digital Information System，简称DIS），由采集器、传感器、计算机构成，是一种便捷的实验工具。学生通过分组合作、收集资料，根据已有DIS实验器材（探针式温度传感器、磁感应强度传感器、电磁铁、学生电源、导线若干等）自行设计探究实验，完成实验内容，如图5所示。

（1）观察电磁铁结构与思考其原理。

（2）设计与组装探究实验：在恒定电流的条件下物体磁性与温度的关系。

（3）依据采集器收集数据资料，绘制B-T图像，分析图像的含义。

（4）小组讨论并分享实验成果，得出实验规律：物体的磁性会随温度升高而消退。

（5）思考问题链：用什么方法判断电磁铁的两级？除磁铁外，是否还有磁化物体的方式？是否还有其他方式能够使物体退磁？

在了解学生的独特见解、创新思维后归纳总结：当物体受到磁场的作用时，内部分子电流取向变得有序，外显磁性。当磁体受到高温或者猛烈撞击时，内部分子电流取向变得杂乱，磁体磁性减弱或失去磁性。通过上述实验与理论分析，得出任何物质都可以被磁化或消磁，只是磁化程度不同。依据这物质的特性，可将物质粗略地分为：顺磁性、抗磁性和铁磁性物质。

设计意图：通过DIS实验探究高温与磁性探究实验，有利于学生知识的建构，有效地巩固和利用所学的物理知识[ 7 ]。学生通过“提出问题、设计实验、验证实验、归纳总结”的科学探究过程，初步掌握科学研究的方法，拓展学生的思维能力。应用本节内容从微观角度去解释以往的宏观现象，再次证实安培分子电流假说的正确性，突破“三重壁垒”，架设连接微观与宏观、电学与磁学、物理与生活的桥梁。

5  结语

本文基于对科学思维的分析，设计了创新实验和思维阶梯，通过观察磁铁与通电导体的磁场形状，引导学生发现电与磁的内在联系。在磁化与消磁实验中，应用实物模型代替理想模型，验证了安培分子电流假说的正确性，转变了“宏观通用”的相异构想。在思考、讨论、表达中培养学生的模型构建和科学推理能力，逐步引导学生形成完整的知识体系。其次，通过创设富有挑战性和趣味性的问题情境，转变了“以高考为导向，以知识为核心”的教学观念。在实验探究过程中提高学生科学论证和质疑创新能力，从而达到培养学生核心素养的目的。

参考文献

［1］ 迟岑迪，毕华林.国际科学教育中学生物质微粒性认识的研究进展[J].化学教育（中英文），2021，42（9）： 82-87.

［2］ AYAS A， ZMEN H， ALIK M .Studens conceptions of the particulate nature of matter at secondary and tertiary level [J]. International Journal of Science and Mathematics Education， 2010， 8（1）： 165-184.

［3］ 臧富华，赵晓蕊，邢红军.构建逻辑主线 彰显概念本质——高中物理磁场的高端备课[J].中学物理，2019，37（23）： 9-11.

［4］ 梁灿彬，秦光戎，梁竹键.电磁学[M].北京： 高等教育出版社， 2012： 55-56.

［5］ 热孜宛古麗·托合提，汪志刚，路俊哲.初中物理教材“分子动理论”的比较与思考[J].物理教学，2021，43（10）： 50-54.

［6］ 马亚鹏.科学论证在我国课程政策中的历史演进——以高中物理课程标准（教学大纲）为例[J].物理教师，2019，40（3）： 7-10.

［7］ 许琼.“验证机械能守恒定律实验”——从传统到DIS的变革[J].物理教学，2020，42（10）：34-36.