吳必龍

摘 要：合作探究式智慧課堂是預設和生成的統一，是內容和方法的統一，是主導和主體的統一。巧設沖突，啟迪智慧，形成磁力；合作探究，生長智慧，具有活力；交流展示，碰撞智慧，具有魅力；論證結果，生成智慧，形成張力；學以致用，呵護智慧，展示實力。本文以“交變電流”為題，闡述了“合作探究式智慧課堂”的建構策略。

關鍵詞：交變電流；實驗探究；智慧課堂

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0015-4

“合作探究式智慧課堂”是以小組為形式、探究為途徑、智慧為目標的教學過程，用教師的智慧激發(fā)學生的智慧，師生、生生的思想碰撞生成智慧，通過學生的積極參與、用心體驗、深入探究、實踐提升，構成智慧流動的課堂。下面以“交變電流”一課為例，說明“合作探究式智慧課堂”的構建策略。

1 創(chuàng)設情境，啟迪智慧

在合作探究式的教學過程中，要創(chuàng)設情境激發(fā)學生探究的內部動機。根據考試說明，結合學生已有的知識，針對本節(jié)課的內容設定目標，創(chuàng)設與本課有密切聯系、針對性強的情境、實驗或探究問題。

1.1 學生表演，引出課題

兩名同學上臺表演交、直流大戰(zhàn)。故事發(fā)生在19世紀的美國，甲同學扮演直流電的代表人物愛迪生，乙同學扮演交流電的代表人物尼古拉·特斯拉，模擬爭辯的現場。

1.2 觀察實驗，揭示目標

演示實驗：如圖1所示，用電池和手搖發(fā)電機分別給燈泡與兩個發(fā)光二極管供電，引導學生觀察現象，并分析原因。

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圖1 實驗裝置

實驗時，開始搖動發(fā)電機的速度要慢，可以觀察到兩個發(fā)光二極管輪流發(fā)光。轉速加快后電壓增高，可能燒壞發(fā)光二極管；所以，有必要在兩個支路中再串聯一個二極管，既可以增加亮度，又可以防止發(fā)光二極管被燒壞。為增強實驗效果，分別用紅色和綠色發(fā)光二極管加以區(qū)分。通過演示實驗，使學生從感性角度認識到交流電和直流電的區(qū)別。

在實際教學中，教師若能努力挖掘其潛在功能，運用不同的方法建構問題平臺，激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望，使其明確學習目標并形成學習動機，往往能收到“出奇制勝”“先聲奪人”的效果，這是實現“高效課堂”的第一步。

2 合作探究，生長智慧

合作包括師生合作和生生合作。探究的初始階段，教師要“扶”著學生走；在探究過程中，要“牽”著學生走，可以大膽開放課堂，讓知識的建構過程完全通過學生的實驗探究完成。教師的角色由“導學”變?yōu)椤爸鷮W”，學生探究時，教師巡視，適時點撥；既要發(fā)現好的做法，也要及時發(fā)現學生存在的疑難問題，及時對小組探究學習情況進行恰當的評價。

2.1 教師引導，方法點撥

介紹手搖發(fā)電機的組成結構。通過介紹手搖發(fā)電機的模型，告訴學生實際的發(fā)電機要復雜的多，我們學習的是抽象出來的理想化模型。

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圖2 手搖發(fā)電機及其結構

問：手搖發(fā)電機發(fā)電的原理是什么？

生：電磁感應。

問：線圈轉動過程中，哪幾條邊產生了感生電動勢？

生：AB和CD邊產生了感生電動勢。

問：線圈中感應電流的方向用什么方法判斷？

生1：從切割的角度判斷，用右手定則。

生2：還可以從磁通量變化的角度判斷，用楞次定律。

問：比較兩種方法，哪種更加方便？

生：沿垂直于磁場和平行于磁場兩個方向對速度進行分解，用右手定則判定，更加方便。

學生通過上一章的學習，是可以用楞次定律、法拉第電磁感應定律這些基本原理解決新情境下的這些問題的。

2.2 師生合作，問題驅動

用問題鏈的方式引導學生分析線圈轉動一周的過程中電動勢和電流的變化情況；問題的安排要有一定的梯度，逐步深入，以降低學習難度，突破難點。具體問題設置如下：

①怎樣由立體圖畫出平面圖？注意在平面圖的基礎上分析后續(xù)問題。

②在線圈由甲轉到乙的過程中，AB邊中的電流向哪個方向流動？在線圈由丙轉到丁的過程中，AB邊中的電流向哪個方向流動？

③當線圈轉到什么位置時線圈中沒有電流？轉到什么位置時線圈中的電流最大？線圈在這些位置的磁通量及磁通量的變化率等還有什么特點？

2.3 小組活動，合作探究

讓學生將交變電流的產生過程用表格的形式表達出來。為了更形象直觀地表達電流隨時間的變化情況，可以作出電流隨時間變化的曲線，在橫坐標上標出線圈到達甲、乙、丙、丁、戊幾個位置時對應的時刻。同時，運用數學圖像對物理量隨時間的變化情況進行定性的描述，猜想交變電流的變化規(guī)律可能是按什么函數變化。

實施本環(huán)節(jié)時，對教師有兩個要求：一是能準確把握學生的認知現狀，適時進行引導，做到“授學生所需”、有的放矢；二是以探究的理念組織教學，實現以學生為主體的探究教學。

3 交流展示，碰撞智慧

各小組的探究任務結束后，派兩名同學共同匯報本組的探究結果，其中一名同學解說，另一名同學用發(fā)電機模型配合講解，展示結束后，要回答臺下同學的提問。此時，教師不一定幫助其回答問題，而是要適時引導學生進行討論，讓學生充分暴露自己的探究思路和探究細節(jié)，完成思維的碰撞，實現提出問題、解決問題的能力提升。

學生展示探究的結果，如表2所示。

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圖4 電流隨時間的變化規(guī)律

學生通過小組探究，猜想“電流可能按正弦函數規(guī)律變化”。

本環(huán)節(jié)所用時間不長，短短幾分鐘，卻會給學生的學習留下非常深刻的印象。所以，教師要讓“臺上”“臺下”的學生進行討論。這要求教師給學生時間，無論是從學生成長，還是課堂的深度的角度而言，這個環(huán)節(jié)都是必不可少的。

4 論證總結，生成智慧

針對本節(jié)課的基本知識、基本能力和基本方法，結合教師在教學中已有經驗和學生提出的問題，進行論證并歸納總結。要注重知識的內涵與外延的挖掘及其與學過知識的聯系，引導學生自主歸納總結，理清知識結構，突出教材中基本概念、基本規(guī)律和基本特征與方法的掌握，突出學習態(tài)度的培養(yǎng)和總結反思習慣的養(yǎng)成。

4.1 設置情景，理論推導

問題情景：如圖5所示，在磁感應強度為B的勻強磁場中，矩形線圈逆時針繞中軸勻速轉動，角速度為ω。圖中標a的小圓圈表示線圈ab邊的橫截面，標d的小圓圈表示線圈cd邊的橫截面，ab、cd邊的長度為L1，ad、bc邊的長度為L2，設線圈平面從中性面開始轉動，則經過時間t：

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圖5 平面圖

①線圈與中性面的夾角是多少？

②ab邊的速度為多大？

③ab邊的速度方向與磁場方向間的夾角為多大？

④ab邊產生的感應電動勢為多大？

⑤線圈中的感應電動勢為多大？

設置的問題串梯度較小，教師和學生一起推導出線圈中感應電動勢的表達式。

4.2 規(guī)律表述，圖文并舉

擴展到線圈有N匝時的表達式，感應電動勢的峰值表達式，瞬時值的概念，電流的瞬時值表達式，電壓的瞬時值表達式。若線圈有N匝，相當于N個完全相同的電源串聯，e=NBωSsinωt，令Em=NBωS，Em叫做感應電動勢的峰值，e叫做感應電動勢的瞬時值。

根據部分電路歐姆定律，電壓的最大值Um=ImR，電壓的瞬時值U=Umsinωt。

用圖像表示交變電流的變化規(guī)律是一種重要的方法，它形象、直觀，易于被學生接受。因此，除了利用數學表達式表示電動勢、電流、電壓與時間的函數關系外，還可以用正弦曲線來表示，如圖6所示。

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圖6 交變電流的正弦函數圖像

利用圖像可以對中性面的概念再進行理解，即中性面是對感應電流（或感應電動勢）而言的。所謂中性面，是指在這個位置的前后電流可能為正或者為負，恰好在這個位置電流為零，即“不正不負”，取名為“中性面”。

4.3 分析實驗，去偽存真

實驗演示：將傳感器接到手搖發(fā)電機輸出端，觀察電壓隨時間變化的波形，結果如圖7所示。

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圖7 電壓隨時間變化的波形圖

問：手搖交流發(fā)電機的電壓隨時間變化的波形為什么不是正弦式交流電？

生1：由于手搖時不是勻速轉動。

生2：磁場并不是勻強磁場，和我們推導時的理想情況不一樣。

問：在理論推導中，為什么電流是正弦式的？

生：磁場和線圈的轉動均是理想化的，即線圈在勻強磁場中作勻速轉動。

本環(huán)節(jié)是先通過理論推導得出感應電動勢的表達式，再進一步用實驗加以說明，體現了科學的嚴謹。在教師的啟發(fā)點撥下，學生積極思考，在思維能力的提升上得到較好的發(fā)展。

5 學以致用，呵護智慧

學生通過教師的幫助和相互之間的交流，依據實驗事實，運用所得理論和已有的知識指導實踐，在實踐中得到檢驗或修正的過程，這是一個體現創(chuàng)造力的過程，探究的過程應伴隨著問題的不斷解決和新問題的不斷出現。

5.1 了解生產，拓展知識

指導學生閱讀“科學漫步”，問題串有助于學生深入理解材料內容（解答略）。

①交流發(fā)電機的基本構件有哪些？

②交流發(fā)電機的基本類型有幾種？

③獲得感應電動勢有哪些方法？

④如何使交流發(fā)電機產生比較大的電壓？設計一個可以產生大電壓的發(fā)電機。

5.2 討論問題，深化知識

問：用手搖動發(fā)電機，同時，使轉動的角速度增加，引導學生觀察燈泡的亮度如何變化？為什么？

生：變亮。因為E=NBSωsin（ωt），角速度增大，電動勢增大，電流增大，所以，燈泡變亮。

問：如果轉軸不在對稱軸上，而是偏向一邊，能夠產生正弦式交流電嗎？

生：能。由E=NBSωsin（ωt）知，偏向一邊時，其中兩邊產生的電動勢大小不同，但是，電路中總的電動勢不變。

問：若改變線圈的形狀，保待線圈的匝數和面積不變，仍從與磁場垂直的位置開始轉動，感應電動勢的變化規(guī)律是否仍然為E=NBSωsin（ωt）呢？

生：仍然為E=NBSωsin（ωt）。推導過程：Φ=BScos（ωt），E=N■，E=NΦ'（t）=NBSωsin（ωt）。

5.3 分析現象，活化知識

演示實驗：觀察燈絲顫動現象。

實驗器材：光具座、白熾燈、透鏡和光屏。

實驗操作：

①將白熾燈、透鏡和光屏放置在光具座上，調節(jié)好距離，使燈在光屏上成放大、倒立的實像。

②當燈點亮時，光屏上呈現清晰的燈絲的像。

③用一個蹄形磁鐵靠近白熾燈，觀察燈絲，可以看到燈絲顫動的現象。

注意：要使用透明的、可以直接看到燈絲的白熾燈，一般用功率為15 W的即可。如果功率大，可以用變壓器調節(jié)燈的亮度，使燈絲的像更清晰。

問：燈絲在磁鐵靠近時顫動的原因是什么？

生：這是由于變化的電流在磁場中受到了變化的力，所以，燈絲在變力的作用下發(fā)生了顫動。

實施本環(huán)節(jié)時，教師不能僅用單調的習題進行反饋，而應充分利用教材資源，拓展學生的視野。通過對公式中的相關物理量的討論，加深對公式的理解，激活學生的思維，培養(yǎng)思維的發(fā)散性。

本節(jié)課用詼諧幽默的表演引入新課，迅速吸引了學生的注意，巧妙地揭示了目標。教學過程采取由感性到理性，由定性到定量，由特殊到一般，由猜想到驗證，逐步深入的方法。用圖像表示交變電流的變化規(guī)律，是一種重要方法，它形象、直觀，學生易于接受，學生在已有的圖像知識的基礎上，能較好地掌握這種表述方法。在探究過程中，始終將學生置于探索者的位置，學習過程成為“發(fā)現”或“再發(fā)現”的過程，充分發(fā)揮了學生學習的積極性、主動性，讓學生自己從合作探究中得出結論，體驗探索的快樂，強化學習的樂趣。同時，老師的主導作用也得到了有效的體現。教師引導學生設計方案、控制課堂教學的進程、引導學生分析、討論和解決教學中遇到的問題等，多次激起學生的思維火花，引起學生的共鳴，可以說是成功地完成了“合作探究式智慧課堂”的構建，行之有效地落實了既定的教學目標，使學生既學到了知識又提高了能力。

參考文獻：

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（欄目編輯 趙保鋼）