在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的理解能力*
——以“互感和自感”的教學(xué)為例

許衛(wèi)國(guó)吳敏亞

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué)江蘇 無錫214174)

*江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)資助課題“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的校本化研究”階段成果,立項(xiàng)編號(hào)：B-a/2013/02/017

摘 要：以“互感和自感”教學(xué)案例的形式闡述了在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生理解能力的具體措施，包括創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)流程，關(guān)注實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)理解能力具體措施

收稿日期：(2015-01-23)

目前，學(xué)校正在推進(jìn)以理解性學(xué)習(xí)來變革現(xiàn)有課堂教學(xué)的校本教研活動(dòng)，以此達(dá)到促進(jìn)教學(xué)方式改變，關(guān)注智慧生成的教學(xué)目標(biāo).理解性學(xué)習(xí)是和機(jī)械學(xué)習(xí)、死記硬背的學(xué)習(xí)相對(duì)立的概念，是指“學(xué)生通過分析、比較、概括、聯(lián)想或直覺等思維方法，獲得對(duì)概念的深刻性理解及恰當(dāng)運(yùn)用知識(shí)的能力”[1]，它的認(rèn)知意義在于把握事物的本質(zhì)和規(guī)律.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所具備的教學(xué)功能成為在物理課堂教學(xué)中實(shí)施理解性學(xué)習(xí)的重要切入點(diǎn).

1創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境 奠定理解基礎(chǔ)

情境學(xué)習(xí)是理解性學(xué)習(xí)的基本要求，教師在實(shí)際的教學(xué)中用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)的場(chǎng)景或氛圍，其目的在于引起學(xué)生強(qiáng)烈的情感體驗(yàn)和思維活動(dòng).它將學(xué)習(xí)任務(wù)鑲嵌在有意義的真實(shí)情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其產(chǎn)生解決問題的欲望，為知識(shí)的理解打下基礎(chǔ).

在“互感和自感”教學(xué)中設(shè)置的兩個(gè)情境示例如下.

圖1　無源亮燈裝置

(1)無源亮燈.將可拆變壓器接交流電源，把連有燈泡的線圈套在鐵芯上，燈泡會(huì)發(fā)光,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

學(xué)生們專注地觀察著教師的演示，當(dāng)教師手持無電源的燈泡亮起來時(shí)，學(xué)生發(fā)出了驚訝的喊叫聲.

(2)斷路放歌.將手機(jī)用耳機(jī)線與小線圈相連，音箱與另一大線圈相連，小線圈放入大線圈之中，音箱中傳出手機(jī)中正在播放的歌曲，當(dāng)手持手機(jī)回路遠(yuǎn)離(靠近)音箱回路時(shí)，聲音會(huì)變輕(變響),電路圖如圖2所示.

圖2　“斷路放歌”電路圖

隨著小線圈靠近(遠(yuǎn)離)大線圈，音箱的聲音變得響亮(輕柔)，這時(shí)學(xué)生們響起了熱烈的掌聲.

學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入了教師設(shè)置的情境氛圍中，此時(shí)教師應(yīng)及時(shí)提出問題，為學(xué)生的思維指明方向：(1)無源的燈泡為何亮起？流過燈泡的電流從何而來？(2)兩個(gè)獨(dú)立的回路中，手機(jī)中播放的歌曲是如何“傳”到音箱中的？

學(xué)生們能圍繞問題和心中的疑問用自己所學(xué)習(xí)的電磁感應(yīng)知識(shí)分析上述現(xiàn)象，提出自己的推斷和猜想，并在小組內(nèi)相互交流.

由上述兩個(gè)情境實(shí)例可以看出，實(shí)驗(yàn)可以創(chuàng)造出相應(yīng)的情境氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；可以集中學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力.梁?jiǎn)⒊f：暖和和的阿特(art)與冷冰冰的賽因士(science)的共同的母親是觀察自然.所以觀察能力是讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)推理和概括的前提，是提高學(xué)生理解能力的基礎(chǔ).從認(rèn)知角度看，教師所創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)情境能聯(lián)系學(xué)生頭腦中的先前知識(shí)，促使學(xué)生運(yùn)用先前的知識(shí)去建構(gòu)新的理解.

2加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn) 深化理解層次

沒有體驗(yàn)，所學(xué)的東西就不深刻，就顯蒼白.體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)就是讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，這能使學(xué)生的觀察活動(dòng)具有更明確的指向性,注意力更集中，從而捕捉到事物典型的、具有本質(zhì)的特征.它旨在關(guān)注實(shí)驗(yàn)者的主體感受，重視學(xué)生親身體驗(yàn)真實(shí)的物理情景而建構(gòu)物理規(guī)律的過程 .理解性學(xué)習(xí)的主要途徑是學(xué)生參與到一系列的學(xué)習(xí)活動(dòng)中去，在參與的過程中開動(dòng)腦筋，去感、去悟、去思考，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握和應(yīng)用.

在“互感和自感”的教學(xué)中安排如下體驗(yàn).

體驗(yàn)“千人震”：如圖3所示，實(shí)驗(yàn)器材包括一節(jié)電動(dòng)勢(shì)為1.5 V的新干電池、幾根導(dǎo)線、開關(guān)和一個(gè)自感系數(shù)較大的線圈.幾位做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生手拉手成一串，將電池、線圈、開關(guān)用導(dǎo)線按圖示方式連接，接通電路，過一會(huì)兒再斷開．

圖3　“千人震”電路圖

上來體驗(yàn)的是兩位躍躍欲試的男生和兩位有害怕心理的女生，但看到只有一節(jié)干電池，又增強(qiáng)了參加體驗(yàn)的膽量.

隨著開關(guān)的閉合，他們懸著的心放了下來，當(dāng)開關(guān)斷開的瞬間，他們發(fā)出尖叫的同時(shí)也甩掉了手中的導(dǎo)線.這時(shí)教師給他們提出了要求：(1)請(qǐng)把你們的體驗(yàn)告訴同學(xué)們.(2)你為什么會(huì)有這種被電擊的感覺？(3)你認(rèn)為被電擊的強(qiáng)烈程度會(huì)與什么因素有關(guān)？

強(qiáng)烈的身心體驗(yàn)促使學(xué)生調(diào)用頭腦中的相關(guān)知識(shí)思考所體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，從而加深了對(duì)自感現(xiàn)象的理解.

在評(píng)課階段，有些教師認(rèn)為這個(gè)體驗(yàn)活動(dòng)可以去掉，這樣可以節(jié)省出來至少5 min的時(shí)間.筆者堅(jiān)持認(rèn)為，學(xué)生的體驗(yàn)是必要的，來自于學(xué)生自己的體驗(yàn)是難得的，這是學(xué)生真實(shí)地、“近距離”地接觸物理知識(shí).因此，教師在組織教學(xué)時(shí)，要設(shè)計(jì)一些“做”的活動(dòng)體驗(yàn)，從學(xué)生“第一手”的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，考慮怎樣充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的眼、耳、口、鼻等感官使其深入?yún)⑴c到體驗(yàn)中來，讓學(xué)生通過自己的感覺器官直觀、形象地體驗(yàn)物理過程，教師及時(shí)地提出問題引導(dǎo)學(xué)生的思維方向，幫助學(xué)生從感官體驗(yàn)上升到理性思維，把感官認(rèn)識(shí)升華為“物理見識(shí)”.

3經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)流程 引導(dǎo)學(xué)生思考

根據(jù)哈佛大學(xué)教授帕金斯等人的觀點(diǎn)，真正的理解是人們能用已有的知識(shí)去創(chuàng)造性地思考和行動(dòng)，以一種靈活的、對(duì)思維要求很高的方式去進(jìn)行理解性操作[2].實(shí)驗(yàn)探究，是指學(xué)生經(jīng)歷物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程，是新課程理念的基本要求，也凸顯了科學(xué)研究的特點(diǎn).它有利于學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)的探究方法，形成初步的科學(xué)探究能力，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度等，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力打下基礎(chǔ).學(xué)生要在紛繁的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，就應(yīng)該以頭腦中的知識(shí)為參照系，根據(jù)現(xiàn)象提出問題和猜測(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用各種思考和推理方式，得出結(jié)論.這與理解性教學(xué)的觀點(diǎn)是吻合的.

學(xué)生在學(xué)習(xí)通電自感規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中經(jīng)歷了以下流程：

第一,教師提出問題：互感現(xiàn)象的特點(diǎn)是A線圈中電流的變化引起B(yǎng)線圈中產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象.如果一個(gè)線圈的電流發(fā)生變化(增加或減小)，線圈能否在自身的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？ 讓學(xué)生先獨(dú)立思考并作出判斷，然后在小組內(nèi)交流各自的觀點(diǎn).

第二，統(tǒng)一學(xué)生提出的問題和猜測(cè)：自身電流變化→線圈自身內(nèi)部磁場(chǎng)變化→線圈自身內(nèi)部磁通量變化→電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)生.

第三，設(shè)計(jì)探究通電自感規(guī)律實(shí)驗(yàn)：探究通電自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流變化的影響.

問題引導(dǎo)：該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路,使我們能觀察到這個(gè)線圈中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象呢?選擇什么測(cè)量器材更便于觀測(cè)呢?

圖4　線圈直接接入電路 圖5　線圈串聯(lián)燈泡接入電路

該問題對(duì)學(xué)生來說思維的臺(tái)階較大，筆者采取了合作學(xué)習(xí)的方式.大部分學(xué)生都能想到把線圈直接接入電路(如圖4).有的小組提出了質(zhì)疑：該電路并不能觀察到線圈由于電流的變化對(duì)自身的影響，應(yīng)通過與其串聯(lián)的燈泡的亮度變化來顯示其影響(如圖5).

有小組提出了更完善的方案：應(yīng)再并聯(lián)一個(gè)電阻和燈泡串聯(lián)的支路，通過對(duì)比兩只小燈泡的亮度變化來顯示線圈對(duì)本支路的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)更明顯(如圖6).

圖6　線圈和電阻并聯(lián)接入電路

第四，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，分析、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出自感規(guī)律.

你從實(shí)驗(yàn)中看到延遲現(xiàn)象的原因是什么?大家分析一下，談?wù)勛约旱目捶?

教師借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的便捷來幫助學(xué)生理解自感的規(guī)律(如圖7)，并提出問題引導(dǎo)思考：對(duì)比閉合S的瞬間兩次電流圖像有什么不同？并解釋原因.

圖7　利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)比有無線圈電路兩種電流圖像

按照課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，本實(shí)驗(yàn)屬于定性的探究實(shí)驗(yàn)，教師在設(shè)計(jì)時(shí)能從學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程和操作過程，轉(zhuǎn)換了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有利于學(xué)生探究技能的形成和創(chuàng)新思維的發(fā)展.另外，本設(shè)計(jì)將DIS與原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整合，拓展了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)中的探究功能，也突破了自感電動(dòng)勢(shì)方向這一難點(diǎn).

4關(guān)注實(shí)驗(yàn)應(yīng)用 拓展學(xué)生理解

物理知識(shí)的最終歸宿是應(yīng)用它去解釋自然現(xiàn)象并能動(dòng)地改造自然.現(xiàn)代社會(huì)的許多技術(shù)都來自物理實(shí)驗(yàn)，因此物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能聯(lián)系實(shí)際，并能應(yīng)用于實(shí)際，能很大程度上體現(xiàn)從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)的理念，有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)[3].用學(xué)過的物理知識(shí)去解決一些生活、生產(chǎn)中的實(shí)際問題,會(huì)使那些概念、規(guī)律煥發(fā)出生命力，學(xué)生也會(huì)在物理知識(shí)的應(yīng)用中強(qiáng)化對(duì)它們的理解.

在“互感和自感”的教學(xué)中師生共同分析了一些應(yīng)用，如表1所示.

表1　互感和自感的應(yīng)用

在我們身邊有很多互感和自感的現(xiàn)象，在課堂上要盡量創(chuàng)造條件重現(xiàn)這些現(xiàn)象，讓學(xué)生關(guān)注物理與社會(huì)的聯(lián)系，同時(shí)也能增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感.本節(jié)課筆者給學(xué)生演示的實(shí)驗(yàn)有：延時(shí)繼電器、模擬電磁灶打火、含有電感的電路在斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花.給學(xué)生布置的課外探究作業(yè)是，動(dòng)手連接日光燈電路并能讓其正常發(fā)光.

綜上所述，站在提高學(xué)生理解能力的高度，談物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施，既突出了物理教學(xué)的高效性，又體現(xiàn)了物理學(xué)科教學(xué)的特色.因此在教學(xué)過程中，我們應(yīng)關(guān)注物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程中設(shè)計(jì)出更加精美、巧妙的實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)和優(yōu)化其功能.同時(shí)，應(yīng)該鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中自制實(shí)驗(yàn)儀器，這對(duì)改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，幫助他們掌握科學(xué)方法，提高他們的科學(xué)探究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力等具有重要的作用，也使得今后的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容和方式上有更大的創(chuàng)新和發(fā)展，為物理學(xué)科的理解性教學(xué)提供切實(shí)可行的抓手.

參 考 文 獻(xiàn)

1王均霞，吳格明.“理解性教學(xué)”研究的哲學(xué)反思. 河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(教育科學(xué)版)，2012(8)：73

2姚曉慧. 大衛(wèi)·帕金斯的理解性教學(xué)思想透視.外國(guó)教育研究，2011(1)：13～17

3中華人民共和國(guó)教育部制訂.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)). 北京：人民教育出版社2003.4