在物理问题解决中培养学生的批判性思维

2021-08-02徐地虎

江苏教育·中学教学版 2021年6期

【摘要】科学思维是高中物理学科核心素养之一，而批判性思维又是科学思维中极为重要的组成部分，是推动社会进步重要动力，已经成为世界范围内的教育培养目标。在高中物理教学中，应充分利用课堂教学的优势，在真实情境中创造批判性思维氛围，在问题解决中提升学生的批判性思维能力。

【关键词】批判性思维;真实情境;问题解决

【中图分类号】G633.7 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2021）45-0016-04

【作者简介】徐地虎，江苏省锡山高级中学（江苏无锡，214174）教师，高级教师。

美国批判性思维专家罗伯特·恩尼斯指出，批判性思维是合理的、反思性的思维，其目的在于决定我们的信念和决策。清华大学钱颖一教授将批判性思维分为两个层次：第一，它是一种能力，有别于知识;第二，它是一种心态，是一种心智模式，是一种价值取向。第一层次的批判性思维是可教、可测的，第二层次则难以直接教学，但学生可以从周围的环境中学习和感悟。为了培养学生的批判性思维能力，应在高中物理教学中充分利用课堂教学的优势，在真实情境中创造批判性思维氛围，在问题解决中提升学生的批判性思维能力，进而培养学生的创新思维能力，促进学生物理学科核心素养提升，助力学生的终身学习与发展。这里举例笔者所经历的学生的两次质疑，试作说明。

一、关于“等量同种电荷中的电场线”的质疑

图1为人教2019版高中物理必修3中等量同种电荷的电场线分布（虚线为本文讨论需要所画，教材中未画出），与之前版本的教材没有大的改变。课堂上为了让学生对等量同种电荷的电场线分布有一个更好的了解，通常会计算一些特殊位置处的电场强度，分析诸如连线与中垂线上电场分布特点等问题。

一次课后，学生提问：老师你计算了中垂线上的电场强度，那么中垂线上有电场线么？

笔者回答说有的，根据电场的计算结果可知，中垂线上的电场线是沿着中垂线向外的直线，如图1中的竖直虚线所示。

学生继续提问：向上和向下的电场线交于两点电荷的中点，如圖1中O点，可是根据电场线的特点可知，电场线从正电荷或无限远出发，终止于无限远或负电荷，可是该处并没有正电荷，也不是无限远，这个怎么理解呢？

这个问题是一个典型的可用于培养批判性思维的问题，同时也是一个不仔细琢磨就不好回答的问题。基于电场线的分布特点，结合对等量同种电荷的电场线的分析结果，学生得出一个相互矛盾的结论，造成了认知冲突。此时，批判性思维教学的质疑阶段已经形成，接下来是判断和评价的阶段，要设计具体的研究方法或方案，进行全面的对比、分析与综合，最后得出结论或做出评价。笔者同学生一起进行分析，过程如下。

按照电场线的特点，电场线应该从正电荷或无限远出发，显然O点处没有正电荷，那么该点能否看作等效无限远呢？根据电场线的特点，沿电场线的方向电势降低，假定无限远处的电势为零，那么O点的电势高于零，不能等效为无限远。那么是否认为O点处有电场线发出的结论是不正确的呢？这需要进一步研究是否有电场线流入O点。分析可知，两点电荷的连线上应该有电场线，如图1中的水平虚线所示。但依然存在一个问题，电场线在空间不能相交，而水平电场线与竖直电场线在O点似乎发生了“直角转弯”，这与空间中某点的场强只有一个方向，电场线不能相交又相矛盾了，这需要进一步的分析。事实上，O点处的场强为零且无电场线，而O点左右和上下的电场强度均不为零，但越靠近O点越趋于零，即O点是一个极限点，因此可以从极限角度进行理解。假设从正电荷出发的电场线非常靠近两点电荷的连线，则该电场线通过一个曲率半径很小的弧转向竖直方向，如图2（a）中带箭头的弧线所示;且电场线越接近两点电荷连线，弧的曲率半径就越小，转向竖直方向的电场线越接近于中垂线，极限情况下当电场线沿两电荷连线方向，则弧的曲率半径为0，进而转向沿中垂线方向，如图2（a）中带箭头的直线所示，顺利地实现了电场线从水平方向转向竖直方向的“直角转弯”。当然，图中仅展示了平面的电场线分布，可以通过旋转对称性可得到三维立体的电场线分布。

根据以上的分析可以看出，电场线从正电荷或无限远处出发与本题的电场线分布并没有矛盾。要解释中垂线上有电场线分布，既需要分析O点附近处的电场分布特点，又要利用极限思想进行分析理解，对学生的数学要求较高，同时思维难度较大，这也可能是教材中没有画出中垂线上电场线的原因。

为了更为直观地理解电场线从水平方向转向竖直方向，可以对O点处做一些创造性的探索。由于O点处的电场强度为零，而在金属内部的电场强度也为零，那么是否可以相当于在O点有一个金属球？答案是肯定的，假定O点处有一半径极小的不带电金属球，在电场中金属球各处产生感应的电荷如图2（b）所示，O处电场强度为零，且顺利地实现了从水平方向转向竖直方向，并且O处所带净电荷为零，这与真实情形下O点电场强度分布类似，这虽然与真实的电场线分布有出入，但随着金属球的半径越来越小，电场线分布将趋于完全相同，不失为一种促进理解的手段，也可以为解决静电场问题提供一种思路。

鉴于学生已经对电场线有了比较深入的理解，笔者又在课堂上抛出了3个问题让他们讨论：①电场线的特点是从正电荷或无穷远出发，终止于无限远或负电荷，为什么要这样设计电场线？②可不可以有不同于这种特点的电场线呢，比如电场线是首尾相连的闭合曲线，这种电场线又会有怎样的性质呢？③教材中利用头发碎屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，碎屑就按电场强度的方向排列起来，显示电场线的分布情况，这种方法为什么可以模拟电场线呢？能用其他方法来模拟电场线么？

后两个问题明显让学生有所触动。他们此前既没有质疑过教材内容的合理性，也没有思考过如果条件不同将会带来怎样的影响以及其背后所蕴含的物理本质。笔者提问的目的不在于得到正确答案，而是借此启发学生的批判性思维。

上文中利用批判性思维分析了等量同种电荷中垂线上的电场线，在分析的过程中不仅加深了学生对电场线特点的理解，也进一步加深了他们对真实情境下的电场分布特点及对应的分析方法的理解。因此，在课堂中利用批判性思维研究真实问题，对培养学生的学科核心素养、培养学生的关键能力和必备品格方面将大有裨益。

二、关于“电磁感应中磁通量如何变化”的质疑

例题：如图3所示，用一段横截面半径为r、电阻率为ρ、密度为d的均匀导体材料做成一个半径为R（r?R）的圆环。圆环竖直向下落入如图所示的径向磁场中，圆环的圆心始终在N极的轴线上，圆环所在位置的磁感应强度大小均为B。圆环在加速下落过程中某一时刻的速度为v，忽略电感的影响，则（）

课上学生提出疑问：用右手定则可以判定圆环的电动势和电流方向，说明A选项是对的。但是从产生感应电流的条件分析，产生感应电流的条件是闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合回路就是圆环，可是圆环平面与磁感线平行，磁通量在下落的过程中始终为零，从这个角度上看，圆环上不应该有感应电流的，两种方法是矛盾的，这在物理上如何理解。

笔者在一开始也确实有些费解，利用右手定则分析，圆环切割磁感线产生了感应电动势;不过从磁通量的角度看，“似乎”没有磁感线穿过圆环围成的面积，感应电流确实为零。但笔者始终坚信两种方法肯定不矛盾，既然用右手定则能够判定有电流，那么圆环平面内肯定有磁通量的变化，因为产生感应电流的条件就是闭合导体回路的磁通量发生变化，肯定有哪个地方被忽略了。对质疑的鼓励不能替代对质疑的回答。只有利用好这一契机，才能呵护学生的质疑精神，促进学生的批判性思维的培育。基于这样的考虑，笔者同学生一起逐步推导分析。

首先，圆环有感应电流，圆环平面肯定有磁通量变化，那么圆环平面的磁通量肯定不能始终为零;其次，分析圆环处的磁通量是否为零;最后，圆柱形N极在圆环平面的磁通量是否为零，如果为零，则说明产生感应电流的条件是有特例的。进一步分析N极在圆环平面的磁通量，发现问题就出在没有画出完整的磁体内部的磁感线上。为了说明圆环在下落的过程中磁通量的變化，非常有必要将磁体的磁感线分布图画出来，如果要满足题中圆环所在位置的磁感应强度大小均为B的要求，那么在侧视图中磁感线应该间隔均匀，同时根据磁感线的特点，就可画出磁感线一种可能的分布图，如图4所示。将磁感线分布画出来以后，问题就迎刃而解了。圆环在下落的过程中，磁感线从下向上穿过圆环，N极的磁感线下端密上端疏，磁通量增加产生感应电动势和感应电流，利用右手定则与法拉第电磁感应定律判断结果一致，不存在矛盾，并且更加直观易理解。

从以上的问题可以看出，如果不把完整的磁感线画出来，就很难解答学生的困惑，也容易让学生对产生感应电流的条件产生怀疑;与此同时，充分利用学生的疑惑进行深入的研究，不仅能够使学生对物理原理有更加深入的认识，同时也可以让学生在分析问题的过程中培养批判性思维。