蓋家祥

摘 要：在初中物理教學(xué)參考資料中，關(guān)于電動機的教學(xué)分析和設(shè)計資料不多。筆者參考了初中物理各版本教科書，基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念，以“滬科版”教科書第十七章第三節(jié)《科學(xué)探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動》為例，設(shè)計了一種能充分體現(xiàn)物理學(xué)科實驗特色的教學(xué)思路，把教師演示實驗、學(xué)生探究實驗、交互仿真實驗相結(jié)合，并將該設(shè)計以說課的形式呈現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：電動機；科學(xué)探究；課程標(biāo)準(zhǔn)；說課

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）12-0062-4

《科學(xué)探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動》是“滬科版”《物理》第十七章第三節(jié)的內(nèi)容，本文從教材學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程和評價反思四個方面進行了闡述。

1 教材學(xué)情分析

第十七章共有三節(jié)：第一節(jié)《磁是什么》介紹了簡單的磁現(xiàn)象；第二節(jié)《電流的磁場》研究電生磁；本節(jié)是第三節(jié)，研究電動機為什么會轉(zhuǎn)動，是一節(jié)實驗探究課。簡單地說，本節(jié)內(nèi)容包括了兩個部分：探究一條科學(xué)規(guī)律（通電導(dǎo)體在磁場中受力）和認(rèn)識一種生活應(yīng)用（電動機）。學(xué)生對電動機比較感興趣，但對其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理并不熟悉。特別是由于學(xué)生的抽象思維能力不強，所以較難理解換向器的作用。

2 教學(xué)目標(biāo)分析

筆者根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求[1]，結(jié)合學(xué)生的實際和自己的教學(xué)經(jīng)驗，制定了本節(jié)課的三維教學(xué)目標(biāo)。

（1）知識與技能

①通過實驗，知道通電導(dǎo)體在磁場中受力的方向與哪些因素有關(guān)。

②通過探究，能說出電動機轉(zhuǎn)動的原理。

（2）過程與方法

經(jīng)歷實驗探究過程，體會簡化法、模型法在科學(xué)研究中的重要性。

（3）情感態(tài)度與價值觀

體會科學(xué)研究過程的艱辛和樂趣，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

本節(jié)課將和學(xué)生一起探究電動機為什么會“轉(zhuǎn)動”。先探究為什么“動”，再探究為什么“轉(zhuǎn)”，達成知識目標(biāo)。其中受力“動”是重點，受力“轉(zhuǎn)”是難點。學(xué)生將經(jīng)歷探究全過程，從而達成過程與方法和情感態(tài)度與價值觀的目標(biāo)。

3 教學(xué)過程分析

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，筆者制定了四個教學(xué)環(huán)節(jié)：引入轉(zhuǎn)動、感受轉(zhuǎn)動、探究轉(zhuǎn)動和總結(jié)轉(zhuǎn)動（圖1）。

（1）引入“轉(zhuǎn)動”

首先，從生活中的電風(fēng)扇、滾筒洗衣機等家用電器引入電動機，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

（2）感受“轉(zhuǎn)動”

由于家用電器的外殼遮擋住了電動機，學(xué)生難以直觀認(rèn)識其結(jié)構(gòu)。所以設(shè)置第二個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生感受電動機的轉(zhuǎn)動。

利用小電動機模型，解決學(xué)生分組實驗：（圖2）讓電動機轉(zhuǎn)起來。在這個過程中，學(xué)生認(rèn)識了電動機的關(guān)鍵部件（磁體和線圈），而且明確了本節(jié)課的研究主線（一個主體——線圈），線圈只要滿足“在磁場中”“通電”兩個條件，就可以發(fā)生受力轉(zhuǎn)動的結(jié)果。

但是學(xué)生直接研究線圈的轉(zhuǎn)動太復(fù)雜，應(yīng)對他們進行引導(dǎo)：一組線圈太復(fù)雜可先研究一個線圈，一個線圈太復(fù)雜可先研究一條邊。讓學(xué)生體會簡化法在物理學(xué)研究中的重要性和必要性。到此，本節(jié)課由生活現(xiàn)象走進了物理本質(zhì)（圖3）。接下來面臨的問題就是讓一條邊在磁場中通電動起來，從而引導(dǎo)學(xué)生探究“動”。

（3）探究“轉(zhuǎn)動”

用金屬鋁棒表示邊。筆者摒棄了很多資料中提到的用電磁鐵替換U形磁鐵[2]，用鋁箔紙及牙膏皮做成金屬棒或者懸掛金屬棒等實際現(xiàn)象并不明顯的做法，用空心鋁棒代替金屬棒[3]，找到了磁感應(yīng)強度高達1 T的強磁鐵，使金屬棒受的安培力比較大。這樣，只需一節(jié)1.5 V的干電池，就可以使實驗效果十分明顯（圖4a）。

通過演示實驗讓金屬棒動起來，學(xué)生也就從有形的動中發(fā)現(xiàn)了無形的力。接著向他們拋出一個問題：你能用小組的器材也讓金屬棒動起來嗎？學(xué)生分組實驗（圖4b），在實驗的過程中他們發(fā)現(xiàn)，有的小組金屬棒動的方向和演示實驗不同，不同的小組金屬棒動的方向也可能不同。于是，他們提出了一個很有探究價值的問題：金屬棒的受力方向到底和哪些因素有關(guān)呢？進而進一步進行探究。

在這個環(huán)節(jié)里，筆者設(shè)計的演示實驗有效降低了學(xué)生分組實驗的難度。學(xué)生通過分組實驗所經(jīng)歷的科學(xué)過程，自主建構(gòu)了相關(guān)知識，即力的方向與電流方向和磁場方向有關(guān)。這樣，筆者和學(xué)生一起明確了本節(jié)課的重點——探究“動”，也就為后面的探究“轉(zhuǎn)”做好了鋪墊。

研究“邊”是為了研究“圈”，探究“動”是為了探究“轉(zhuǎn)”。本節(jié)課又從物理本質(zhì)走向了社會應(yīng)用（圖5）。學(xué)生會考慮，如果一個圈在磁場中通電，會有什么效果呢？有的猜想轉(zhuǎn)，有的猜想不轉(zhuǎn)。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，此處必須有合適的演示實驗來檢驗學(xué)生的猜想。

筆者利用單匝線圈進行演示實驗（圖6a）。學(xué)生觀察線圈就會發(fā)現(xiàn)，線圈其實只轉(zhuǎn)了一點，但是沒有持續(xù)轉(zhuǎn)下去，為什么會這樣呢？筆者要用動態(tài)Flash仿真實驗（圖6b）進行細(xì)節(jié)的分析。提三個問題引導(dǎo)學(xué)生思考：“為什么紅邊受力向上，藍邊受力卻向下？為什么線圈轉(zhuǎn)到豎直方向停不下來？為什么線圈轉(zhuǎn)過豎直方向又轉(zhuǎn)不下去？”根據(jù)之前學(xué)生建構(gòu)的知識，他們可以分析出：就是因為這里紅藍邊的受力方向沒有改變，所以這兩個力又把線圈拉回來了。筆者立即拋出一個新問題：你如何讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)下去呢？這里學(xué)生會給出很多方案，有的說可以顛倒N、S極，有的說可以顛倒電源正負(fù)極，有的說此時可以斷開開關(guān)一段時間后再閉合。對他們給出的這些方案給予肯定：科學(xué)家從理論上也是這么考慮的，但是真正操作起來比較難實現(xiàn)。工程師給科學(xué)家提供了一個簡單的元件，就解決了這個難題。此時，學(xué)生的目光就集中到了筆者手中的換向器上。只需要在剛才的單匝線圈上加一個小小的換向器，就能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動。（圖7a）線圈轉(zhuǎn)起來了，為什么會這樣呢？還要利用仿真實驗（圖7b），進行細(xì)節(jié)的再現(xiàn)。

由于之前有了“轉(zhuǎn)”的鋪墊，此時學(xué)生通過小組討論，就可以知道為什么加上換向器，線圈就能持續(xù)轉(zhuǎn)動了。設(shè)計這個環(huán)節(jié)，主要是想讓學(xué)生認(rèn)識到換向器是一個工業(yè)設(shè)計而非科學(xué)理論的創(chuàng)新，讓他們感受換向器的巧妙。

這樣，在探究“轉(zhuǎn)”的環(huán)節(jié)中，通過兩個演示實驗，兩個仿真實驗，就突破了“轉(zhuǎn)”這個難點。

此時，本節(jié)課的主要內(nèi)容（探究“轉(zhuǎn)動”）就完成了（圖8）。最后，筆者為學(xué)生對轉(zhuǎn)動進行了總結(jié)提升（圖9）。

（4）總結(jié)“轉(zhuǎn)動”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一條規(guī)律，工程師發(fā)明一件應(yīng)用，從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明的過程是漫長而艱辛的，既要有科學(xué)理論的指引，又要有關(guān)鍵部件的技術(shù)創(chuàng)新。隨著電動機的大量應(yīng)用，人類進入了電氣化時代，導(dǎo)致了第二次工業(yè)革命的產(chǎn)生。如此總結(jié)，既明確了科學(xué)家和工程師的職業(yè)分化，為學(xué)生的職業(yè)規(guī)劃起到了萌芽性質(zhì)的指導(dǎo)作用。同時，又滲透了物理學(xué)史，使情感態(tài)度價值觀教學(xué)目標(biāo)得到體現(xiàn)。

4 自我評價反思

本節(jié)課以實驗為基礎(chǔ)，共設(shè)計了兩個分組實驗，三個演示實驗以及兩個仿真實驗，體現(xiàn)了物理以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科特色（圖10）。

本節(jié)課從生活中的家用電器引入電動機，在和學(xué)生一起探究物理規(guī)律和社會應(yīng)用的過程中，突破了“動”“轉(zhuǎn)”的難點。踐行了《課程標(biāo)準(zhǔn)》“從生活走進物理，從物理走向社會”的理念（圖11）。

參考文獻：

[1]劉偉強.談?wù)劥艌鰧﹄娏鞯淖饔脤嶒灥母倪M[J]. 物理教學(xué)探討，2002，20（11）：20—21.

[2]楊英君.空心通電導(dǎo)體的制作與應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2009，27（9）：60—61.

（欄目編輯 鄧 磊）