方润根 叶晟波

摘   要：培养学生的创新能力是普通高中物理教育的重要目标之一，要提高学生的创新能力，首先要激发和培养学生的创新思维。中学生的创新思维主要体现在发现问题和解决问题的过程中。清楚学生创新思维具体表现在哪些方面，有助于教师在创新视角下通过引导学生提出问题、让学生经历解决实际问题过程等方式来提升其创新能力。

关键词：发现和提出问题;解决问题;创新思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）3-0072-5

創新是学生核心素养的重要组成部分，《普通高中物理课程标准（2017 年版2020年修订）》要求增强学生创新意识和实践能力[1]，美国和韩国的科学课程目标中也分别提出用新想法解决问题的能力和培养学生创造性解决问题的能力[2]。2020年9月和2021年9月，习近平总书记分别在科学家座谈会和中央人才工作会议上强调，“加强创新人才教育培养”[3]“注重培养学生创新意识和创新能力”[3]“加快建设世界重要人才中心和创新高地”[4]。可见，提升学生创新能力是当前高中物理教育的首要问题之一，创新的过程可以说是发现问题和创造性解决问题的思维过程。反之，创新思维也是在发现和提出问题、分析和解决实际问题过程中培养起来的。所以，基于创新素养的物理教学应清楚学生创新思维的具体表现，并引发学生深度思考、发现和提出问题，在解决实际问题过程中培养学生的创新思维。

1    物理问题与创新思维

学生在生活和学习中面对的问题是多种多样的，在发现和提出问题的过程中，学生的创造性表现存在一定差异，根据学生提问特点，一般可将问题分为三类：呈现型问题、发现型问题和创造型问题[5]。

所谓的呈现型问题是学生对物理情境中的信息简单发问，或者简单将已有知识与情境相联系后提问，答案经过简单分析和推理就能获得。这类问题往往是学生已有的知识缺失造成的，学生补上相应的知识后就能解答。例如，学生在实验室“探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”时，把原线圈接在学生电源稳压输出端，用多用电表的交流电压挡测副线圈两端电压，发现电压为0，在检查实验电路和导线连接情况都良好后，电压表示数还是为0。此时，实验现象与学生的经验不符，学生自然会提出问题，为什么副线圈两端的电压为0呢？这个问题可能是由于学生对于变压器工作原理的理解模糊不清造成的，也有可能学生实验中疏忽了，这时教师的耐心解答对完善学生的知识，对以后学生提出有创造性的问题是有帮助的。问题的解决往往需要在原有认知的基础上进行，学生已具有互感的知识，所以该问题需要学生将物理学与实际相联系，知道变化的电流可以使能量从一个线圈传递到另外一个线圈，稳压输出提供的是恒定电流，所以无法实现能量的传递。这问题对思维程度要求相对较低，通过教师引导，学生对物理现象进行简单分析就能解决。

所谓的发现型问题是由学生自己提出或发现的，学生将实际问题过程中的对象和过程转化为物理模型，在对物理问题进行综合分析和推理后，提出与情境有关的问题，答案与求解思路可能是已知的，也可能是尚未明确的。例如，在学习“变压器”新课时，理论推导理想变压器原副线圈两端电压U1和U2的比值等于原副线圈的匝数比，但是学生在“探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”时，发现，实际的输出电压U2比理想情况要小，进一步分析数据后发现电压损失竟然会接近20%，实验数据的分析和学生原有的认知有冲突，就会引起学生发问“这是为什么呢？”问题的解决不但需要原有认知，而且需要改变，以适应这个问题的新需要，因此问题的解决就可能是常规思维和创新思维的有机结合[6]。这个问题要求学生能用科学思维方法，对物理问题进行综合分析和推理，获得结论并作出解释。教材中的理论推导适用于理想变压器，而实验室中的实际变压器要考虑能量损失，变压器工作时会发出声音，是铁芯受交变磁场吸引和排斥而引发震动;变压器的温度升高，主要是因为涡流使损耗增加，让变压器的铁芯发热;线圈发热，是因为电流流过线圈产生焦耳热，由此，学生就可以找出电压损失的原因。在此过程中，观察实际情况并提出问题，结合想象大胆推理和解释，学生表现出了较高的创造性水平，也表明他们有较高的创新思维能力。

对于高中学生而言，创造型问题一般表现为：能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型，在新的情境中对问题进行综合性分析和推理，能通过创造性的思考跳出情境的限制，提出与情境有关的问题，并多角度审视检验结论，问题的解答往往是开放的。高中生掌握的知识有限，但是有些学生思维活跃，乐于体验和创新。例如，学生分析了实际变压器电压损失的原因后，又提出了更复杂、更具探索性的问题：如何进一步优化实验方案？学生通过查阅资料、交流，最后在实验的基础上提出优化的方案：（1）副线圈绕组取合适匝数，用较粗铜线绕制，从而适当减小线圈内阻，减小焦耳热。（2）为了尽可能减小漏磁，同学们查阅资料并讨论后采用铁氧体磁芯的环形变压器，铁氧体具有高导磁性，环形变压器磁路封闭，加上线圈与铁芯二者间紧密的结合，尽可能地减少漏磁[7]。（3）测交流电压采用数字显示交流电压表，使读数更为方便、测量更为精确。根据以上改进方案进行实验，发现电压损失在0.6%左右，比改进前的变压器的电压损失小很多，可以得出较好的实验结果。

学生创新思维的培养需要教师的引领，那么如何在物理教学实践中切实培养学生的创新思维呢？

2    学生创新思维能力培养策略

培养学生的创新思维需要教师转变教学方式，从以教师的“讲为中心”转变为以学生的“学为中心”[8]，其中，提出问题和解决实际问题是培养学生创新素养的重要途径。在该过程中，学生的角色需要从过去传统教学中的被动学习向主动学习转化，学习活动应尽量以学生为主体[9]，教师则应该做好课前的教学设计工作，如创设合适的问题情境、给予实验操作指导、呈现科学家做过的实验[8]等，并引导学生自己查找信息以学习关于此问题的知识和解决问题的方法。教师在高中物理教学实践中可以具体从以下两方面来培养学生的创新思维：

2.1    重视物理观念的形成，引导学生提出问题

要让学生能提出发现型问题或者创造型问题，教师在平时的物理教学中不能只停留在让学生记住一些物理事实，而应该围绕物理学科的概念和规律进行教学，重视用一些典型的案例巩固和完善学生的观念，从而让学生获得新的观点，丰富物理观念，获得解决问题的方法与策略，实现学生对知识的深度学习。可见，教学中重视物理观念的培养，让学生深度学习和认真思考是提出问题的前提。

好的问题往往能够提供给学生一个多向度的思考空间，既能激发学生学习的内在动力，也能提纲挈领地指出持续思考和探究的方向，所以提出有意义的问题意味着学生的知识和能力又向前迈进一步。我们的物理教學可以让学生从呈现型问题出发，引导学生提出发现型问题，甚至创造型问题。为了引导学生多思考、多提问题，首先，可以让学习基础差不多的学生组成小组，教师可以抛砖引玉式提出讨论的问题，并让每位学生都能平等地表达自己的问题。其次，把所提问题按呈现型、发现型和创造型归类，引导学生关注自己、同组同学或者其他小组成员所提问题的质量，并营造良好的谈论气氛，挖掘合理和有价值的问题。最后，引导学生科学表达问题。现以电磁感应导轨单棒模型专题为例，提出解决这类问题需要解决的共性问题，并对问题进行分类，如表1所示。

高中电磁感应导轨杆子模型中，除单棒外还有双棒，也可以在电路中加入电容和电感，所以实际的问题情境很多。但是，无论何种物理问题情境，大多可以根据需要从力与运动、能量转化情况、动量变化情况等角度提出问题，而学会表达则可以促进更多的学生提出自己的问题。如学生提出如下问题：

（1）该模型是属于电动机模型还是发电机模型？

（2）在双电源电路中，通过棒的电流方向不同时，两棒的电压是U=Blv+Ir还是U=Blv-Ir？

这样的问题是对导轨杆子模型力电综合分析和推理后所提的问题，能从回路电势升降的角度对该问题提出疑问，属于较高层次的问题。好的问题能驱动思考，打破既定模式，探索无限可能。关注问题分类，引导学生科学表达问题，都是为了让学生提出有意义的、建设性的问题，并在提问中提升创新素养。

2.2    为学生提供解决问题的机会

物理学科核心素养导向的教学要求物理课程与教学能为学生在今后工作和生活中面对未知问题时，提供解决问题的思路和方法。教师在教学中多给学生提供解决问题的机会，能有效地培养学生的科学探究能力和创新素养。下面以学生实验操作中碰到的实际问题为例，探讨教师如何创造情境引导学生感知现象，主动发现有价值的问题，并让学生运用所学的知识和方法进行实验探究。

学生在做“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验时，教师可以让学生自行组装实验室中的变压器，使其发现变压器主要由线圈、铁芯组成，如图1（铁芯上表面为A面，侧面为B面）。变压器的拆解过程不但使学生了解其基本构造，增强感性认识，还会让学生发现：变压器铁芯A面向上放不进去（图2），但是铁芯B面向上很容易放进去。学生头脑中自然会产生疑问，但是如果此时不加引导，疑问也会稍纵即逝。因此，教师可以适时引导：铁芯A面向上和B面向上对原副线圈电压与匝数的关系有没有影响？学生思考后会想到用对比实验探究以上问题。他们马上进行探究活动的实验设计：采取控制变量方法，保证输入电压U1、原副线圈匝数n1、n2和负载确定的情况下，第一组实验中铁芯B面向上，如图3;第二组实验中铁芯A面向上（费了一些力放进去），如图4，分别测量副线圈两端电压U2。经过多次实验，并对两组实验数据处理分析得到，结果发现第一组实验电压损失平均约为19%，第二组实验电压损失平均达到35%。

为什么第二组实验电压损失会这么大呢？学生对于自己实验中碰到的问题会更加积极地展开思考和讨论，教师引导学生将分析推理与以前的涡流知识相联系，最终得出原因：当磁场随时间变化时，垂直磁感线的空间产生感生电场，会让铁芯产生涡流，铁芯B面向上所对应的铁芯横截面小，形成的涡流少，产生的焦耳热少。有学生还提出来可用实验证伪检验，让变压器工作一段时间后，看哪种情况下铁芯发热更多，以此证明分析的正确性，最终发现确实如此。

为了运用和强化知识，教师展示一道实验题18（2）题。在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，可拆变压器如图5所示。为了减小涡流在铁芯中产生的热量，铁芯是由相互绝缘的硅钢片平行叠成。硅钢片应平行于           （单选）

A.平面abcd

B.平面abfe

C.平面abgh

D.平面aehd

从学生感知现象、发现问题，到教师创设问题情境，引导学生设计探究活动，利用实验获得的信息解决问题，再到最后运用实验题强化知识，所有的实践和逻辑分析都闪耀着创造性火花。虽然此题当时得分率很低，但教师若能合理调配问题的坡度，为学生架设通向创新思维的阶梯，学生在问题的启发下，经历过以上学习过程，可以较好地解决这一相对复杂的问题。

3    小  结

高中生创造性的表现是多方面的，教师教学过程中给学生创设发现问题、（下转第80页）（上接第75页）解决问题的情境，并进行有效引导，可以有效促进其创新思维与能力的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017 年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：5+3.

[2]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017 年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：13-14，30.

[3]习近平.在科学家座谈会上的讲话[EB/OL].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5547627.htm，2020-9-11.

[4]新华社.习近平在中央人才工作会议上强调深入实施新时代人才强国战略 加快建设世界重要人才中心和创新高地[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/202109/t20210929_568037.html， 2021-09-28.

[5]杨艳萍.创造中的问题意识[J].发明与革新，2001（09）： 12-13.

[6]殷传宗，查有梁，廖伯琴.物理教育学研究[M].成都：四川科学技术出版社，1996：703-704.

[7]梁振华.变压器探究实验的创新设计[J].物理通报，2020（07）： 72-74.

[8]梁旭.基于核心素养的学·教·评——浙江省近几年高中物理教学的探索与实践[J].中学物理，2021，39（11）：2-6.

[9]王青.源自苏格拉底的问题驱动式教育：在互动中共同学习和成长[J]. 物理与工程，2020，30（05）：3-25.

（栏目编辑    李富强）