李 興

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校，江蘇 蘇州 215006)

科學(xué)探究是物理學(xué)科重要的核心素養(yǎng)之一．普通高中物理課程標準(2017版)中指出:科學(xué)探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力．如何創(chuàng)設(shè)問題情境?提出何種問題?如何指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗和處理信息,并作出合理的解釋?從而達到提升學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)的目的．文中將以“探究電磁爐的工作原理”為例,通過實驗鏈與問題鏈互為驅(qū)動的形式,逐步探究,掌握電磁爐的工作原理,彰顯科學(xué)探究的本質(zhì)．

1 問題背景

電磁爐是常見的廚房電器之一．在新課標(2017版)選擇性必修2模塊中建議學(xué)生“了解電磁爐的結(jié)構(gòu)和原理”．傳統(tǒng)的授課模式中,往往是先講解有關(guān)渦流的知識,然后介紹渦流的相關(guān)應(yīng)用,最后解釋電磁爐的工作原理．雖然這種授課方式能夠讓學(xué)生理解相關(guān)的知識,但是缺少了讓學(xué)生合理質(zhì)疑、科學(xué)猜想、提出策略、實驗論證、評估交流的科學(xué)探究過程,背離了科學(xué)探究的本質(zhì)要求．

實際教學(xué)中,應(yīng)該允許學(xué)生針對電磁爐的加熱方式提出質(zhì)疑．如:電磁爐與電飯煲的加熱方式是否相同?電磁爐的加熱方式與微波爐是否相同或類似?等等.在逐步解決這些問題的過程中,巧妙設(shè)計一系列實驗與問題,互為驅(qū)動．這樣不僅可以增強學(xué)生的質(zhì)疑和探究意識,讓學(xué)生掌握科學(xué)探究的方法,還可以讓學(xué)生體驗到科學(xué)探究的樂趣．

2 基于實驗與問題的探究過程和探究模式

2.1 構(gòu)建5個探究環(huán)節(jié),形成完整的實驗鏈與問題鏈

(1) 探究環(huán)節(jié)1.

演示實驗: 容量為200 mL的不銹鋼杯子里盛適量的水,放在電磁爐上加熱．

實驗現(xiàn)象: 雖然沒有明火,但是水很快被燒開了．

質(zhì)疑問題:電磁爐的加熱方式與電飯煲是否相同?是否也通過面板發(fā)熱,并將熱量傳導(dǎo)給鍋具,然后再傳給鍋內(nèi)食物?

新探究方案:將杯子與電磁爐面板不直接接觸,觀察杯子里的水能否得到加熱．

(2) 探究環(huán)節(jié)2.

圖1 隔離加熱實驗

探究實驗:在電磁爐的面板上放一疊厚度適中的紙張(圖1),然后再將盛水的不銹鋼杯子放在紙張上面進行加熱．

實驗現(xiàn)象: 杯子里的水很快得到加熱．移開杯子和紙張,卻發(fā)現(xiàn)電磁爐的面板幾乎不發(fā)熱．

階段結(jié)論:電磁爐與電飯煲不同,并不是通過熱傳導(dǎo)的方式,將熱量傳給鍋具,再傳給食物的．

質(zhì)疑問題:電磁爐加熱與微波爐是否類似,是對鍋具內(nèi)的食物直接加熱而與鍋具無關(guān)呢?

新探究方案:用兩個不同材料的容器,盛等量的水,用電磁爐同時加熱,觀察是否能讓水同時升溫．

(3) 探究環(huán)節(jié)3.

圖2 玻璃杯與金屬杯對比實驗

對比實驗:玻璃燒杯和金屬杯子各一個,盛等量且溫度相同的冷水,分別放入酒精溫度計(圖2)．將兩個容器對稱放置在電磁爐的加熱區(qū)域進行加熱,觀察兩個容器中溫度計的示數(shù)變化情況．

實驗現(xiàn)象:金屬杯中的水溫持續(xù)上升,而玻璃燒杯中的水溫幾乎不變．

階段結(jié)論:根據(jù)實驗現(xiàn)象可以猜測:電磁爐不是直接對容器里的水加熱,而是與容器材料密切相關(guān)．若容器是金屬的,就可以對容器加熱,若容器是非金屬的則不能加熱．

質(zhì)疑問題:既然與容器有關(guān),為什么電磁爐對鍋具加熱時,可以不直接接觸,且電磁爐面板幾乎不發(fā)熱呢?

新探究方案:打開電磁爐面板,觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu),并查閱資料,了解基本原理．

(4) 探究環(huán)節(jié)4.

拆解實驗:打開電磁爐的面板,觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu),查閱相關(guān)資料．

實驗現(xiàn)象:電磁爐內(nèi)部的主要部件是一個圓盤形的線圈,即加熱線圈．

階段結(jié)論:電磁爐加熱的基本原理是,電磁爐通過變頻電路將高頻變化的交變電流通入圓盤線圈,在垂直線圈平面的方向上產(chǎn)生高頻變化的磁場,于是在金屬容器上產(chǎn)生渦電流,由于渦電流的電阻很小,電流很大,鍋具的溫度升高很快,鍋內(nèi)的食物得到了加熱．

質(zhì)疑問題:電磁爐對所有的金屬鍋具都能夠有效加熱嗎?為什么有些鍋具會標注電磁爐專用呢?

新探究方案:換用其它材料的金屬容器(如鋁鍋),再次進行加熱實驗．

(5) 探究環(huán)節(jié)5.

圖3 用鋁鍋進行加熱實驗

探究實驗:將盛有適量水的鋁鍋,放在電磁爐上進行加熱實驗(圖3)．

實驗現(xiàn)象:鋁鍋內(nèi)的水沒有得到加熱,且電磁爐處于報警狀態(tài)．

階段結(jié)論:再次查閱相關(guān)資料得知,鐵磁性材料的磁導(dǎo)率較高,在鐵磁性鍋具上產(chǎn)生的渦流較強,加熱效率較高．其它金屬材料(如鋁)的磁導(dǎo)率相對較低,產(chǎn)生的渦流較弱,加熱效率較低,出于安全保護的需要,電磁爐會報警并停止供電．

2.2 凸顯科學(xué)探究本質(zhì)的雙鏈驅(qū)動模式

在探究電磁爐的工作原理過程中,依托實驗提出問題,為了解決問題,設(shè)計新的實驗．一系列實驗和問題構(gòu)成科學(xué)探究過程中的兩條主線．兩條主線之間形成了緊密的邏輯關(guān)系,體現(xiàn)了科學(xué)探究的實質(zhì)．文中探究電磁爐工作原理的過程,可以用圖4的形式表示出來．

圖4 實驗鏈與問題鏈

3 對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的思考

3.1 有價值的問題來源于質(zhì)疑

提出問題是科學(xué)探究的前提,脫離了問題,科學(xué)探究便無從談起．我們要抓住事物的本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生提出高價值問題的能力,善于把新發(fā)現(xiàn)的事實與原有認知之間的矛盾揭示出來,增強學(xué)生根據(jù)事實進行質(zhì)疑的意識．

與普通的爐灶不同,電磁爐的加熱過程沒有明火產(chǎn)生．可以引導(dǎo)學(xué)生提出這樣的問題“電磁爐加熱的方式與普通的電飯鍋是否相同?是不是依靠電磁爐面板發(fā)熱,通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給鍋具,然后再傳給鍋內(nèi)的食物呢?”在接下來探究過程中,不斷產(chǎn)生新的問題,提出新的解決策略和實驗方法,形成一個有梯度、有價值的問題鏈．

3.2 提出科學(xué)的猜想,內(nèi)化探究的意識與方法

科學(xué)猜想不是隨意的猜測,而是根據(jù)自己的觀察和實踐,調(diào)動原有的知識和經(jīng)驗,對事實的成因或結(jié)果做出假設(shè)或解釋．科學(xué)的猜想有助于培養(yǎng)學(xué)生的深度思維能力．

猜想之后,需要提出下一步的探究策略與方法,可以通過設(shè)計實驗、進行實驗,來獲取科學(xué)探究的證據(jù)．探究的策略和方法,不是由教師直接指定,而是由學(xué)生根據(jù)具體的問題和現(xiàn)實條件作出恰當?shù)倪x擇．長期堅持這樣的探究模式,有助于將科學(xué)探究的意識和方法逐漸內(nèi)化成學(xué)生探究認知的一種本能．

課例中,在解決“電磁爐加熱原理與電飯煲一樣嗎”的問題時,可以引導(dǎo)學(xué)生主動提出相應(yīng)的解決策略“用一疊紙張隔開電磁爐面板與鍋具”．在解決“電磁爐加熱是否像微波爐那樣,對鍋具內(nèi)的食物直接加熱”的問題時,可以讓學(xué)生思考相應(yīng)的解決策略與實驗方法．在探究過程中,教師可以起到組織和引導(dǎo)的作用,而不能替代學(xué)生的探究主體地位．

3.3 科學(xué)探究中的解釋與交流

科學(xué)探究中,對探究得到的數(shù)據(jù)或結(jié)果進行描述和分析,對因果關(guān)系作出解釋,并歸納形成探究的結(jié)論．在“探究電磁爐的工作原理”課例中,經(jīng)過一系列的問題鏈與實驗鏈互為驅(qū)動探究之后,形成電磁爐工作原理的解釋性結(jié)論．實際教學(xué)中,問題與實驗的驅(qū)動在前,工作原理的解釋在后．解釋性的結(jié)論也應(yīng)該由學(xué)生主動生成．

探究電磁爐工作原理的教學(xué)中,在確保安全的前提下,可以分組進行探究．指導(dǎo)學(xué)生撰寫探究報告,讓學(xué)生學(xué)會通過語言、文字、圖表等方式,與他人分享探究的方法、成果和探究的心得,培養(yǎng)學(xué)生的表達和交流能力．

綜上所述,在物理規(guī)律的建立過程中,常常要運用觀察和實驗、分析和綜合、數(shù)學(xué)和推理等科學(xué)方法．在物理課堂教學(xué)中,應(yīng)該將這些物理學(xué)的思想和方法滲透到問題中、滲透到實驗中．讓學(xué)生在解決具體問題的過程中,學(xué)會合理質(zhì)疑、科學(xué)猜測、實驗論證、評價交流,從而彰顯科學(xué)探究的本質(zhì)．