田陽陽

(儀征市第二中學,江蘇 儀征 211400)

·教材與教法·

基于物理核心素養(yǎng)導向的“交變電流”教學案例

田陽陽

(儀征市第二中學,江蘇 儀征 211400)

物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是教育教學發(fā)展的根本宗旨目標.學生物理核心素養(yǎng)的形成需要通過教育教學實踐得以落實,本文以“交變電流”教學案例為例,探索了促進學生物理核心素養(yǎng)養(yǎng)成的教學過程.

核心素養(yǎng)；交變電流；教學案例

1 設計宗旨

物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,主要由“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態(tài)度與責任”等4個方面的要素構成[1].基于物理核心素養(yǎng)導向的“交變電流”教學案例凸顯實驗探究和科學思維、創(chuàng)設真實的情境形成物理觀念、滲透科學態(tài)度與責任,充分體現物理學科對提高學生核心素養(yǎng)的獨特作用[2].

2 教學過程

圖1

2.1 發(fā)電機

師:演示實驗.如圖1所示,展示一個繞有600匝線圈(漆包線)的泡騰片的包裝盒(管狀);盒內裝有強磁鐵(課前裝好),線圈中接入了一個小燈泡;將磁鐵沿管方向來回搖動.

生:觀察到小燈泡發(fā)光了.

師:猜猜管中是何寶物?為何搖動時能使小燈泡發(fā)光?

生1:管中的寶物應該是電池,電池給小燈泡供電,小燈泡發(fā)光.

生2:管中的寶物應該是磁鐵,當磁鐵在管中沿管方向來回運動時,使閉合線圈內磁通量發(fā)生變化,產生感應電流,小燈泡發(fā)光.

師:兩位學生的猜想都很合理,下面我打開包裝盒,我們親眼見證一下究竟是何寶物.取出寶物,讓寶物靠近教室大門時,寶物緊緊地吸附在教室門上,如圖2所示.

生:寶物是磁鐵.

師:剛才演示的裝置其實就是一個發(fā)電機,請同學們觀察,這個發(fā)電機由哪些部分構成?

生:線圈、磁體.

師：實際上任何發(fā)電機都有2個核心部件：用來產生感應電動勢的線圈(叫電樞)和用來產生磁場的磁極.

師:是不是有了線圈和磁極,就有電流產生呢?要產生電流,還需要什么要求?

生:不是;線圈和磁極要有相對運動.

師:實際中,根據發(fā)電機旋轉部件的不同,將發(fā)電機分為旋轉電樞式發(fā)電機和旋轉磁極式發(fā)電機.

圖3

師:下面我們來詳細了解一下實驗室常見的旋轉電樞式手搖發(fā)電機的基本構造[3，4](多媒體投影結構圖如圖3所示).

師:除了磁極N、S和線圈abcd外,大家還可以觀察到什么結構?

生:滑環(huán)K、L和電刷A、B.

師:它們的作用是什么?

生:討論交流達成共識:使線圈在轉動時保持與外電路的連接.

師:旋轉磁極式發(fā)電機的基本構造與旋轉電樞式發(fā)電機的基本構造相同嗎?

生:不同.旋轉磁極式發(fā)電機的線圈靜止不動,因此不需要滑環(huán)和電刷.

師:旋轉電樞式發(fā)電機與旋轉磁極式發(fā)電機相比,哪一種更優(yōu)秀?為什么?

生:討論交流達成共識:旋轉磁極式發(fā)電機更優(yōu)秀，因為旋轉磁極式發(fā)電機不需要滑環(huán)和電刷,結構簡單，可以避免電壓過高時發(fā)生火花放電,燒壞滑環(huán)和電刷;旋轉電樞式發(fā)電機受空間限制,線圈匝數不能太多,感應電動勢不可能很高.

設計意圖:精彩的引入猶如交響樂曲的“引子”,能夠醞釀學生的情緒,漸入佳境.通過自制發(fā)電機教具開展演示實驗,為學生提供直觀、鮮明的感性材料,吸引學生的注意力,激發(fā)學生的好奇心,使學生產生興趣并形成最佳的心理狀態(tài),積極開動腦筋猜想與思考,討論與交流,主動獲取知識.物理教學應努力創(chuàng)設能夠激發(fā)學生好奇心,能夠促使學生積極順應的物理情境,使物理課堂更具趣味性,讓學生感受物理學的美妙,進而形成終身學習的意愿,促進終身發(fā)展所需的必備品格與關鍵能力的養(yǎng)成,體現物理學科教育在立德樹人中的作用[5].

2.2 交變電流與直流

圖4

師:演示實驗.搖動手搖發(fā)電機(如圖4所示)對小燈泡供電,請同學們仔細觀察,可以觀察到什么現象?

生:小燈泡一閃一閃發(fā)光.

師:說明了什么?

生:發(fā)電機產生的電流的大小是周期性變化的.

圖5

師:將發(fā)電機的兩個輸出端通過滑動變阻器連接到0刻度在刻度盤中央的靈敏電流表的兩個接線柱上(如圖5所示),搖動手搖發(fā)電機,請同學們注意觀察電流表指針是如何偏轉的.

生:電流表指針左右擺動.

師:說明了什么?

生:發(fā)電機產生的電流的方向是周期性變化的.

師:波形圖是反映電壓或電流隨時間變化規(guī)律的圖形.我們常用示波器(讓學生初步認識示波器)來觀察波形圖.下面我們用示波器觀察手搖發(fā)電機產生的電壓的波形圖.

圖6

生:觀察到如圖6所示的電壓波形.

師:說明了什么?

生:發(fā)電機產生的電壓(電流)大小和方向做周期性變化.

師:大小和方向隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流,簡稱交流(AC);而方向不隨時間變化的電流稱為直流(DC).

設計意圖:通過3個演示實驗充分地還原稀釋了交變電流的概念,化枯燥為生動,幫助學生形成清晰的表象,然后在表象的基礎上引導學生經歷抽象、概括、分析和歸納的過程,最終幫助學生很好地建構了交變電流的概念,并提升了學生的觀察能力、分析能力、邏輯思維能力,培養(yǎng)了學生對科學研究的熱情和實事求是的科學態(tài)度.基于我國對物理核心素養(yǎng)的界定,物理課堂教學過程必須從“知識傳遞”轉向“知識建構”.只有在物理概念的建構過程、物理規(guī)律的探索過程中,才能讓學生真切感受物理的思想方法,才能有效培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng).

2.3 交變電流的產生

師:工業(yè)上在產品設計出來之后,對產品的性能特點必須全面了解.為了更好地利用這臺發(fā)電機發(fā)出來的電,我們需要進一步研究這種電流的產生過程.弄清電流大小、方向分別是如何變化的.

師:要研究電流的大小是如何變化的,我們需要什么理論工具?

生:法拉第電磁感應定律.

師:要研究電流的方向是如何變化的,我們需要什么理論工具?

生:楞次定律，右手定則.

師:為了簡單起見,我們將線圈簡化為單匝線圈，且為了更好地幫助大家建構線圈在磁場中的轉動情景,我這里制作了一個模型教具,可以直觀地展示線圈的轉動情況.

生:2位學生到教室前面幫忙,將細線拉直,如圖7所示,形象展示了磁感線.

師:出示線圈模型,展示線圈共有4條邊,讓細線穿過線圈并轉動線圈,如圖8所示.請同學們仔細觀察,線圈有幾條邊在切割磁感線?

生:2條.

圖7 自制磁感線模型

圖8 自制線圈模型

設計意圖:耳聞易忘,目睹為實,躬親則明.利用生活中常見的材料,動手制作直觀、形象、簡易的結構模型教具,讓學生身臨其境,變抽象的空間分布為清晰的實物表象,可豐富他們的感性知識,發(fā)展他們的認知能力、抽象思維能力.學生在參與中突破了學習難點, 產生了學習興趣,提升了關鍵能力.

師:交流發(fā)電機一個周期內轉動過程的示意圖如圖9所示.

圖9

師:實際中,為了分析方便起見,我們需要把立體圖轉化為平面圖.請同學們選擇合適的視角把立體圖甲→戊轉化為平面圖,并結合平面圖分析甲→戊這幾個特殊位置有什么特點,填入表格.

生:繪制平面圖并填寫教師課前設計好的表格,結束后相互討論交流,達成共識.結果如圖10及表1所示.

圖10

表1

師:從表格可見線圈每經過1次中性面,電流方向改變1次.那么一個周期內電流方向改變幾次呢?

生1:一個周期內3次經過中性面,所以電流方向改變3次.

生2:因為圖甲、圖戊是同一個位置,一個周期內只能算1次.如果認為圖甲位置是一個周期的起始位置,則圖戊位置就應該是下一個周期的起始位置,所以一個周期內電流方向改變2次.

師:哪位同學的觀點更合理?

生:生2.

設計意圖:通過立體圖與平面圖的結合,培養(yǎng)了學生的觀察能力,空間想象能力.表格的設計使學生更清晰地看到在甲→戊幾個特殊位置磁通量、磁通量的變化率、感應電動勢、感應電流的方向的特點,從而總結規(guī)律,形成并理解中性面、最大面的概念.通過這樣的教學情境設計,避免了知識以枯燥、呆板的形式傳授給學生,引發(fā)學生的認知需求,激發(fā)學生的學習動機,逐步提升學生化抽象為直觀,歸納演繹的科學思維能力.

圖11 矩形線圈在磁場中轉動

師:上面我們討論了幾個特殊位置感應電動勢e的特點,一般情況,線圈在非特殊位置,如圖11所示,感應電動勢為多大呢?

設勻強磁場磁感應強度為B,單匝線圈從中性面開始,繞垂直于磁場方向的中心軸沿逆時針方向勻速轉動,角速度為ω.線圈ab、dc邊長為L1,ad、bc邊長為L2,經過時間t，

問題1:線圈與中性面的夾角θ為多大?

問題2:dc邊的線速度為多大?

問題3:dc邊的有效切割速度為多大?

問題4:dc邊產生的感應電動勢為多大?

問題5:dc邊產生的感應電動勢方向如何?

問題6:ab邊產生的感應電動勢與dc邊產生的感應電動勢大小關系如何?方向如何?

問題7:整個線圈中產生的感應電動勢為多大?

問題8:若實際線圈的匝數為N,整個線圈中的感應電動勢為多大?

問題9:若整個線圈(總電阻為r)和外電阻(阻值為R外)組成閉合電路,整個電路的總電阻為R,則電路中的感應電流為多大? 路端電壓為多大?

師:e、i、u隨著時間按正弦規(guī)律變化,不同時刻有不同的數值,叫做瞬時值,Em、Im、Um叫做峰值.正弦交流電是應用最普遍、最基本的交變電流.

設計意圖:了解學生現有的知識水平,圍繞教學目標,按一定的次序精心設計一組貼近學生“最近發(fā)展區(qū)”的問題串,為學生提供主動參與探索發(fā)現的機會,激發(fā)學生的獨立思考和積極建構.在“問題串”的引領下,學生的思維能夠由表及里,由淺入深,循序漸進，可以有效地分解教學難點,同時提升學生理論分析的能力.實施核心素養(yǎng)導向的物理教學,需要教師轉變教學的價值觀念,運用自己的教育智慧,將冰冷的學術結論動態(tài)地、活潑地展示在學生面前,易于學生接受,從而提高學生的積極性和學習興趣,讓學生在問題的探索過程中真切感受物理的思想方法,逐步形成科學思維,有效培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng).

2.4 交變電流的圖像

師:由前面的表達式可得到正弦交變電流的電動勢e、電流i和路端電壓u隨時間變化的圖像,如圖12所示.

圖12 正弦式交變電流的圖像

師:理論探究得到的是按正弦規(guī)律周期性變化的電流,而示波器顯示的電流雖然是周期性變化的,但是不按正弦規(guī)律變化(如圖6所示),這是什么原因呢?請大家分小組討論,形成共識,并匯報成果.

生: 小組1:手搖發(fā)電機的線圈是繞在鐵芯上的,而理論分析時沒有鐵芯.

小組2:理論探究中假設的磁場是勻強磁場,而實際手搖發(fā)電機內的磁場不是勻強磁場.

小組3:理論分析時假設線圈是勻角速度轉動的,而手搖發(fā)電機發(fā)電時很難做到勻角速度.

小組4:理論分析時用的是矩形線圈,而手搖發(fā)電機中的線圈并不是矩形的.

師:同學們通過討論找到了多種可能的原因,那么我們如何判斷找到的原因是否正確呢?

生:通過實驗進行檢驗.

師:能說說具體的實驗構思嗎?

生:如圖13所示.

設計意圖:核心素養(yǎng)導向的物理教學要求我們在教學中不斷為學生提供面對問題、分析問題、解決問題的機會,激發(fā)學生的學習熱情,使學生在主動學習與研究中養(yǎng)成行為習慣,發(fā)展關鍵能力[7].創(chuàng)設理論探究結果與實際不一致的問題情境并組織學生小組討論,有助于培養(yǎng)學生與他人合作、溝通、交流的能力.通過小組討論交流,學生找到了引起不一致的多種原因,教師在課堂上不應急于提供結論,而是引導學生找到實驗檢驗這一科學方法,來檢驗自己的觀點是否正確.課堂傳授的物理知識學生終將遺忘殆盡,但解決問題的科學思維、科學方法將在學生心里銘刻深深的印記.這些知識背后更有價值的東西有助于學生今后去正確面對、決策所遇到的大量的非物理問題,為他們一生的文明、健康,高質量的生活奠定基礎[8].

圖13

2.5 作業(yè)

師:交變電流的出現極大地促進了生產力的發(fā)展,給全人類帶來了福音.飲水思源,我們忘不了為交流電的發(fā)現做出巨大貢獻的偉人們,課后請同學們查閱資料,了解交流電之父:尼古拉·特斯拉的生平事跡[9].

設計意圖:物理核心素養(yǎng)導向的教學要求關注學生的科學態(tài)度與責任,科學家們探索、追求真理的事實與故事,包含著豐富的育人因素.通過對尼古拉·特斯拉生平事跡的學習,感受其挫折中前進、利益下淡然處之、世界前大愛無疆、生活中幽默樸實等獨特的人格魅力;感受其珍惜時間,任何情況下都不放棄自己熱愛的工作;感受其對科學一生不息的追求.[10]以尼古拉·特斯拉獨特的人格魅力、對科學的執(zhí)著精神為榜樣,培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度,獻身科學的探索精神,服務社會勇于擔當的公民素養(yǎng),為適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展打下良好的基礎.

3 教學反思

物理核心素養(yǎng)導向的教學要求物理課程能夠為學生在今后工作和生活中面對未知問題時提供解決問題的思路和方法,是體現物理課程價值的必由之路.本節(jié)課以實驗為基礎,以教學活動為依托,以學生核心素養(yǎng)的發(fā)展為指導思想展開.整個教學過程中,學生一直處于動眼、動腦、動手、動口的狀態(tài),教師只是提出問題,提供信息并作適當的啟發(fā)、點撥,學生自主探究、參與體驗、交流合作、建構概念、發(fā)現規(guī)律,最后學生不僅掌握了知識,也在整個學習過程中體驗到成功的快樂,掌握了科學的思維方法,發(fā)展了智力,培養(yǎng)了品格,提高了能力.通過對尼古拉·特斯拉生平事跡的學習,相信一個癡迷于科學研究、挫折中前進、利益下淡然處之、世界前大愛無疆、并始終堅持從不放棄的科學家的形象已深深根植在學生的心靈深處,使學生的內心受到強烈的震撼,以物理學家的人格魅力和智慧去滋養(yǎng)學生的心智,為培養(yǎng)學生終身學習的意愿及世界前大愛無疆、超越國界造福人類的責任感打下堅實的基礎.

物理核心素養(yǎng)是公民基本素養(yǎng)的重要組成之一,是學生在物理課程中獲得的終身受益的學習成果,教師在課堂教學實踐中要積極探索、創(chuàng)設不同的情境,使學生在與不同情境的有效互動中生成物理核心素養(yǎng).正如德國存在主義哲學家、神學家、精神病學家卡爾·西奧多·雅斯貝爾斯所言:“教育是人的靈魂的教育,而非理性知識的堆積.教育本身就意味著一棵樹搖動另一棵樹,一朵云推動另一朵云,一個靈魂喚醒另一個靈魂”.

1 曹義才.基于核心素養(yǎng)導向的中學物理實驗教學表現性評價[J].物理教師，2016(7)：9-11.

2 張新華.教學設計視角:關注學生的物理核心素養(yǎng)[J].物理教學,2016(05):7-10.

3 廣東基礎教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.物理選修3-2[M].廣州:廣東教育出版社,2007.

4 司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2 [M].濟南:山東科學技術出版社,2009.

5 林明華.高中物理核心素養(yǎng)的內涵與培養(yǎng)途徑[J].福建基礎教育研究,2016(02):4-6.

6 鄭永圣,陳之東.整合不同版本教材資源,搞好課堂教學設計——以“交變電流”為例[J].物理通報,2016(02):28-29.

7 林欽,陳峰,宋靜.關于核心素養(yǎng)導向的中學物理教學的思考[J]. 課程·教材·教法,2015(12):90-95.

8 吳加澍.對物理教學的哲學思考[J]. 課程·教材·教法,2005(07):64-67.

9 祁紅菊. “交變電流”同課異構教學設計與評析[J].物理教學,2014(08):6-8.

10 宋雙霞,袁海泉.科學家尼古拉·特斯拉的人格魅力[J].中學物理,2015(01):70-71.

11 馬云秀.優(yōu)化教學情境 提升課堂生命力——“交變電流”一課教學案例[J].物理教師，2014(6)：23-25.

2016-08-15)