如何培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新思維能力
——以安培力和洛倫茲力教學(xué)為例

劉 暢

(北京市廣渠門中學(xué) 北京 100062)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括4個(gè)維度：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．新版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出：能夠基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型，能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理，找出規(guī)律，形成結(jié)論，具有批判性思維意識(shí)，能從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新．

創(chuàng)新思維能力是科學(xué)思維能力的根本要求和集中體現(xiàn)，是創(chuàng)造性地思考問題和解決問題的能力，在物理教學(xué)過程中實(shí)施創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)很有必要．中學(xué)生創(chuàng)新思維，要求學(xué)生具有創(chuàng)新意識(shí)：敢想、敢問、敢做，有不同尋常的解決問題的態(tài)度和意愿；具有創(chuàng)新思路：能提出新問題，設(shè)計(jì)新的物理實(shí)驗(yàn)，做出新的物理解釋；具有創(chuàng)新做法：能多角度、多層次思考問題，對(duì)問題給出合理的解釋或解決．

在安培力和洛倫茲力教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以通過激發(fā)創(chuàng)新、感染創(chuàng)新、訓(xùn)練創(chuàng)新和實(shí)踐創(chuàng)新來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力．

激發(fā)創(chuàng)新：進(jìn)行有新意、有強(qiáng)度、有對(duì)比的興趣觸發(fā)和好奇心、求知欲的激發(fā)．

感染創(chuàng)新：通過介紹物理學(xué)史和科技創(chuàng)新成果熏陶、感染學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索和創(chuàng)新．

訓(xùn)練創(chuàng)新：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自行探究，訓(xùn)練學(xué)生思維的廣闊性、靈活性、懷疑性和批判性；采取自學(xué)生疑，教師設(shè)疑的手段，訓(xùn)練問題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)．

實(shí)踐創(chuàng)新：開展課內(nèi)制作活動(dòng)，培養(yǎng)發(fā)散思維；引導(dǎo)學(xué)生思考，進(jìn)行知識(shí)遷移．

1 激發(fā)創(chuàng)新

興趣是思維的觸發(fā)劑，激發(fā)好奇心和求知欲是培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新思維能力的推動(dòng)力，盡可能滿足3個(gè)特點(diǎn):

第一，有新意，創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，設(shè)置思維的障礙，激發(fā)探究新知的好奇心．

第二，有強(qiáng)度，心理學(xué)表明，作用于感官的刺激物必須達(dá)到一定的程度，才能被客體感知．在不引起學(xué)生消極情緒的情況下，現(xiàn)象越強(qiáng)，感知越深刻．

第三，有對(duì)比，把兩種對(duì)應(yīng)的事物對(duì)照比較，更能啟發(fā)人由現(xiàn)象進(jìn)入本質(zhì)的思考．

案例1：在安培力教學(xué)中，用小女孩蕩秋千魔術(shù)引入安培力的概念，如圖1所示．

圖1 “蕩秋千”引入安培力

師：線圈上有個(gè)小孩想要蕩秋千，老師能隔空讓她蕩起來，你們信不信？

生：不信．

師：我要發(fā)功了．(用手掌隔空推小孩)

師：沒蕩起來，合上開關(guān)，再觀察．

師：對(duì)比兩次蕩秋千的區(qū)別是什么？

生：第一次沒通電，第二次通電了．

師：怎么判斷第二次通電了？

生：與線圈并聯(lián)的小燈泡發(fā)光了．

師：小燈泡發(fā)光說明有電流通過，有電流通過線圈秋千就一定能蕩起來嗎？

生：不能，老師手里有一塊磁鐵．

師：觀察能力非常強(qiáng)，老師并不是武林高手，這是知識(shí)的力量，這就是這節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容——磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力，這個(gè)力最初是法國物理學(xué)家安培發(fā)現(xiàn)的，我們把它命名為安培力．

在此教學(xué)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣和好奇心，目不轉(zhuǎn)睛得觀察，聚精會(huì)神得思考，注意力被最大程度吸引過來，學(xué)習(xí)的積極性被激發(fā)，在一步一步的追問下，思維被啟發(fā)，最后成功得到了安培力的概念．

案例2：在“洛倫茲力的應(yīng)用”教學(xué)環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生解釋“移動(dòng)的小球”的原理，如圖2和圖3所示，進(jìn)而介紹科技創(chuàng)新成果磁流體推進(jìn)器，如圖4所示．教學(xué)過程中，學(xué)生帶著強(qiáng)烈的好奇心觀察巧妙的實(shí)驗(yàn)，分析解釋原理，學(xué)以致用．通過了解前沿科技信息，萌生了遠(yuǎn)大志向，學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的熱情和從事科技創(chuàng)新工作的愿望被激發(fā)．

圖2 “移動(dòng)的小球”實(shí)驗(yàn)a

圖3 “移動(dòng)的小球”實(shí)驗(yàn)b

圖4 磁流體推進(jìn)器

用自制教具介紹、演示電視機(jī)顯像管成像原理，如圖5所示，引導(dǎo)學(xué)生思考電視機(jī)顯像管為什么要用磁偏轉(zhuǎn)，不用電偏轉(zhuǎn)．

圖5 顯像管成像原理演示儀

學(xué)生眼前一亮，帶著好奇心分析儀器設(shè)計(jì)原理，思考問題，學(xué)習(xí)興趣被激發(fā)，積極性得到提升，創(chuàng)新思維得到升華．

2 感染創(chuàng)新

通過介紹奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的歷史背景，學(xué)生了解到自然界各種運(yùn)動(dòng)形式之間存在著必然的相互聯(lián)系的思想在哲學(xué)界和科學(xué)界逐步形成，尋找電和磁的聯(lián)系，正是在這種哲學(xué)信念支配下的有意識(shí)的探索活動(dòng)；通過介紹人類的科技創(chuàng)新成果，分析其工作原理，介紹其地位和價(jià)值．例如電磁軌道炮、東方超環(huán)、磁流體推進(jìn)器，不僅體現(xiàn)物理教育的文化功能，更熏陶和感染了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索和創(chuàng)新，激勵(lì)學(xué)生從事科學(xué)創(chuàng)新研究．

3 訓(xùn)練創(chuàng)新

(1)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自行探究是學(xué)生自我創(chuàng)造的過程，教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論、發(fā)表討論意見、完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論，逐步訓(xùn)練學(xué)生思維的廣闊性、靈活性、懷疑性和批判性．

案例3：引導(dǎo)學(xué)生用錫箔紙?zhí)鞓驅(qū)嶒?yàn)探究安培力的方向，如圖6所示．

圖6 “錫箔紙?zhí)鞓颉睂?shí)驗(yàn)器材

師：力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以使物體發(fā)生形變，如何讓錫箔紙做的天橋發(fā)生形變呢？

生：連接電路，通電之后加磁場(chǎng)．

師：如果天橋向上凸起，說明受安培力向上，如果讓它受向下的安培力，應(yīng)該怎么辦呢？

生：改變電流方向或者改變磁場(chǎng)方向．

師：也就是說，學(xué)生認(rèn)為安培力的方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)，具體成什么樣的關(guān)系呢？我們不妨來做實(shí)驗(yàn)探究一下．一共需要探究幾種情況呢？分別是哪幾種？

生：4種(如圖7所示)．

圖7 安培力方向探究實(shí)驗(yàn)的4種情況

引導(dǎo)學(xué)生用3根不同顏色的吸管和1塊泡沫記錄方向，之后請(qǐng)每組派一名代表到黑板前來展示模型，試著通過旋轉(zhuǎn)擺放成第一個(gè)模型的方向，如圖8所示．通過模型的一致性得到三者關(guān)系的確定性，從模型的不方便隨身攜帶，引出普遍使用的方法：左手定則．

圖8 模型的一致性

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，成功得到影響安培力方向的相關(guān)因素，并連接電路進(jìn)行4種情況下的實(shí)驗(yàn)探究，得到安培力的方向．通過制作模型使三者的空間關(guān)系呈現(xiàn)得更加形象，學(xué)生順利突破了思維障礙，學(xué)生的空間思維能力得到了鍛煉．

案例4：在探究安培力大小時(shí)，纏繞線圈時(shí)每纏20匝引出一個(gè)抽頭．

師：如何利用數(shù)字測(cè)力計(jì)，帶抽頭的線圈，正對(duì)的磁鐵等器材探究在B與I垂直時(shí)，F(xiàn)的大小與I的關(guān)系呢？

生：將帶抽頭的線圈與電源、開關(guān)、滑動(dòng)變阻器、電流表串聯(lián)，線圈固定在數(shù)字測(cè)力計(jì)下，線圈放在磁場(chǎng)中，如圖9所示，探究F與I的關(guān)系，不改變磁場(chǎng)和所接線圈的抽頭，改變電源電壓或移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片來改變電路中的電流．

圖9 帶抽頭的線圈

師：需要記錄哪些數(shù)據(jù)呢？

生:記錄6組因變量F和自變量I的大小．

師：如何探究F與L的關(guān)系呢？

生：將線圈的不同抽頭接入電路，同時(shí)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片使電流表示數(shù)不變．

師：需要記錄哪些數(shù)據(jù)呢？

生:記錄6組因變量F和自變量L的大小，可將L分別記錄成L，2L，3L，4L，5L，6L．

學(xué)生記錄數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上畫出F-I和F-L圖線，得到正比關(guān)系：F=KIL，進(jìn)一步得到F=BIL．

以上教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)歷了小組實(shí)驗(yàn)和探究過程，培養(yǎng)了探究能力，感悟到物理學(xué)的研究方法，促進(jìn)其科學(xué)觀念的形成和科學(xué)素養(yǎng)的提高，同時(shí)，通過科學(xué)體驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生尊重事實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和做事認(rèn)真的良好習(xí)慣．

(2)教育心理學(xué)家認(rèn)為，敢于提問、善于提問是創(chuàng)新的起點(diǎn)，敢于質(zhì)疑、敢于探索是創(chuàng)新的關(guān)鍵，鼓勵(lì)學(xué)生求新求異，采取自學(xué)生疑，教師設(shè)疑的手段(提問或追問)，巧妙設(shè)疑，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，訓(xùn)練了問題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，有助于學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)．

案例5：用電子束演示器和蹄形磁鐵探究洛倫茲力的方向時(shí)，進(jìn)行提問，“用左手定則判斷洛倫茲力方向，有沒有存在什么問題？”進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從安培力的方向判定方法(左手定則)進(jìn)行知識(shí)遷移，完善左手定則，引導(dǎo)學(xué)生完善左手定則．

師：探究洛倫茲力方向?qū)嶒?yàn)過程中存在什么問題？

生：不能保證電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直，不能保證磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng)．

師：我們可以對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)，將電子束演示儀放入亥姆霍茲線圈(可產(chǎn)生近似勻強(qiáng)的磁場(chǎng))中，如圖10所示，轉(zhuǎn)動(dòng)線圈，由B,v垂直轉(zhuǎn)到平行，觀察偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生的變化，你能分析得到f大小的特點(diǎn)和f方向的判斷方法嗎？

圖10 電子束演示儀在亥姆霍茲線圈中

生：B與v平行時(shí)，f=0；B與v垂直時(shí)，f最大；方向用左手定則判斷，f與B，v都垂直．

在此教學(xué)過程中，構(gòu)建有助于學(xué)生發(fā)生知識(shí)遷移的情境，學(xué)生自主探究發(fā)現(xiàn)了規(guī)律．通過線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，學(xué)生直觀、清晰地觀察到了在B與v所成任何角度下，f的特點(diǎn)．通過質(zhì)疑、思考問題和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，提高了創(chuàng)新思維能力．

案例6：從安培力出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并研究了洛倫茲力的方向和大小后，提出問題.

師：有沒有需要完善的地方？

生:洛倫茲力大小的推理，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

師:如何驗(yàn)證呢？

生:f洛=qvB涉及的兩個(gè)量都是微觀量，比較難直接驗(yàn)證，用洛倫茲力演示儀來間接驗(yàn)證．

師：電子只受洛倫茲力，如果我們關(guān)于洛倫茲力的方向(總是與速度方向垂直)是正確的，電子將做什么運(yùn)動(dòng)？

生:帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)．

師：如果我們關(guān)于洛倫茲力的大小推理也正確，你能知道電子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑跟哪些因素有關(guān)？

師：你能設(shè)計(jì)一個(gè)可行方案驗(yàn)證上述兩個(gè)推論嗎？設(shè)計(jì)間接驗(yàn)證的結(jié)論是什么？

生：當(dāng)B,q,m一定，v越大，r越大．

此教學(xué)過程中，學(xué)生的思維被充分調(diào)動(dòng)起來，學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)探究與理論推導(dǎo)相結(jié)合，敢于探索多種探究方法，提高了問題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)．

(3)高中階段的學(xué)生思維活躍，想象能力豐富，對(duì)很多新奇事物都充滿了探究欲望，在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想洛倫茲力和安培力的關(guān)系、磁場(chǎng)和電場(chǎng)的關(guān)系、電荷與電場(chǎng)磁場(chǎng)間的關(guān)系、洛倫茲力和電場(chǎng)力的關(guān)系．學(xué)生進(jìn)行了知識(shí)間的聯(lián)想和遷移，提高了想象能力，激發(fā)了對(duì)新奇事物的探究欲望，主動(dòng)創(chuàng)新思維能力的發(fā)展得到刺激．

4 實(shí)踐創(chuàng)新

培養(yǎng)發(fā)散思維是發(fā)展創(chuàng)造性思維能力的重要方面，通過布置作業(yè)的形式開展課內(nèi)制作活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生用磁鐵、漆包線、電池、導(dǎo)線制成多種簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生不依常規(guī)，尋求變異，探索多種答案，學(xué)生的發(fā)散思維得到培養(yǎng)；通過引導(dǎo)學(xué)生思考洛倫茲力方向的判斷方法，進(jìn)行左手定則的知識(shí)遷移，通過思考安培力和洛倫茲力的關(guān)系，建立知識(shí)間的聯(lián)系，學(xué)生的發(fā)散思維和知識(shí)遷移能力得到提高．

總之，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力是每一位物理教師的責(zé)任，而能力的形成不是一蹴而就的，能力的培養(yǎng)更要循序漸進(jìn)，教師在教學(xué)中要不斷實(shí)踐，深入探索，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，堅(jiān)持不懈地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．