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        “法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)的失當(dāng)問題及改進

        2020-09-17 03:16:08羅國忠李麗萍
        物理教師 2020年8期
        關(guān)鍵詞:磁通量電動勢磁鐵

        羅國忠 李麗萍

        (廣西教育學(xué)院教研部,廣西 南寧 530023)

        1 問題的產(chǎn)生

        一直以來,法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理教學(xué)的重難點.由于缺乏成熟可靠的定量實驗器材,教材還是以陳述方式展開教學(xué)內(nèi)容,先是回顧實驗“導(dǎo)體切割磁感線的快慢不同、磁鐵插入線圈的快慢不同,所產(chǎn)生的感應(yīng)電流也不同”;接著根據(jù)這些現(xiàn)象得出定性結(jié)論“感應(yīng)電動勢與磁通量變化率有關(guān)”;最后提到紐曼和韋伯進行了研究,并直接給出定量結(jié)論“感應(yīng)電動勢與磁通量變化率成正比”.不少教師也理所當(dāng)然地“教教材”,倒是“省時省力”,但學(xué)生抱怨有硬塞感,因為缺乏思維參與而囫圇吞棗.一些教師意識到問題,創(chuàng)造性地改造電壓表、模擬示波器甚至電流計等傳統(tǒng)器材,或直接選用數(shù)字示波器、傳感器等先進器材,以探究方式展開教學(xué),期望能提升學(xué)生思維參與效度,促進深度學(xué)習(xí),深入理解知識的來龍去脈.當(dāng)然,由于探究“費時費力”,以至在常態(tài)課中較少見,多見于非常態(tài)的比賽課中,因為后者有創(chuàng)新的壓力和動力.那么,這些探究是否有效提升了學(xué)生思維參與效度?有哪些可取或改進之處?筆者帶著問題,認真觀看了最近幾屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽的相關(guān)教學(xué)錄像.結(jié)果發(fā)現(xiàn),教學(xué)確實精彩紛呈,但問題也同樣存在,值得反思改進.本文基于案例分析這些問題,并提出改進設(shè)想.

        2 問題例析及改進設(shè)想

        2.1 猜測整合突兀,缺乏思想方法引領(lǐng)

        對于多因素問題的猜測,學(xué)生往往會用零散的概念來表達影響因素.如何凝煉整合這些概念,使之重新概念化成為一個新概念?

        案例1.教師甲設(shè)計了一個實驗:線圈連接LED燈,磁鐵劃過線圈時,線圈的磁通量發(fā)生變化,燈就會亮,可用燈的亮度反映感應(yīng)電動勢大小.演示1:1塊、3塊磁鐵分別劃過線圈,3塊時燈更亮,學(xué)生由此猜測:磁通量變化量大,感應(yīng)電動勢就大.演示2:3塊磁鐵分別慢、快劃過線圈,快劃時燈更亮,學(xué)生由此猜測:速度大或時間短,感應(yīng)電動勢就大.

        教師梳理提煉:也就是說,感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān),看來與它們比值有關(guān).我們重新定義一個物理量:磁通量變化率.是不是可以重新表述為感應(yīng)電動勢與磁通量變化率有關(guān)?

        學(xué)生沉默……

        評析.教師通過形象直觀的變式實驗,有助于引導(dǎo)學(xué)生猜測感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān).教師接著馬上把猜測因素過渡整合到比值、變化率等概念,但由于缺乏思想方法的引領(lǐng)分析,整合顯得過急、跳躍,給人突兀感、硬塞感,以至學(xué)生沉默.

        改進.(1) 以“簡潔”物理思想為指引,搭建建構(gòu)主義的“腳手架”,從猜測逐步過渡到比值.啟發(fā)思考:剛才我們猜測感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān),涉及兩個自變量,而我們物理人追求簡潔,能否把兩個自變量整合為一個自變量?……怎么整合呢?不妨這樣想,兩次電動勢大時有何共同特點?……分析比較兩次實驗結(jié)果,找出共性:兩次都是磁通量變化量與時間的比值ΔΦ/Δt大,電動勢E就大.這樣,就把更簡潔、更本質(zhì)的比值引出來,實現(xiàn)了“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的物理追求.(2) 以“類比”方法架設(shè)橋梁,從比值過渡到變化率.啟發(fā)回憶:比值ΔΦ/Δt這種形式是不是似曾相識?……與加速度a=Δv/Δt相似,它表示速度變化快慢,也稱速度變化率.類似地,可否用比值ΔΦ/Δt表示磁通量變化快慢,也稱磁通量變化率?如此,借助“類比”這座橋梁,從已知Δv/Δt過渡到未知ΔΦ/Δt,水到渠成地搭建起“磁通量與時間的比值→磁通量變化快慢→磁通量變化率”邏輯線路.顯然,這樣應(yīng)用“簡潔”思想和“類比”方法,站位更高,思路更開闊,思維更順暢,更具有思維訓(xùn)練價值.學(xué)生既學(xué)到知識又學(xué)會方法,對知識的得出過程和結(jié)果心服口服.

        2.2 控制變量法應(yīng)用失當(dāng),影響學(xué)生物理素養(yǎng)構(gòu)建

        從結(jié)果(現(xiàn)象或數(shù)據(jù))到結(jié)論是一個“主觀”的分析加工過程,結(jié)論的合理性取決于加工者的預(yù)設(shè)觀點、是否正確應(yīng)用方法等.那么,探究“E與ΔΦ、Δt的關(guān)系”該用什么方法?在實驗操作和數(shù)據(jù)分析加工時是否正確應(yīng)用了方法?

        案例2.教師讓學(xué)生用傳統(tǒng)器材做分組實驗,定性探究感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量ΔΦ、時間Δt的關(guān)系.具體做法:線圈連接電流計,磁鐵穿過線圈時電流計指針偏轉(zhuǎn),用指針偏轉(zhuǎn)大小反映電動勢大小.

        第1個實驗:同一磁鐵從同一高度下落,穿過1個線圈.磁鐵第1次自由釋放,第2次慢慢滑落.兩次穿過線圈的ΔΦ相同,但Δt不同.

        學(xué)生匯報:自由釋放時電流計讀數(shù)為30,慢慢滑落時讀數(shù)為10,結(jié)論是快速穿過時電動勢大.

        教師總結(jié):也就是ΔΦ相同,Δt短,E就大,說明E與ΔΦ無直接聯(lián)系.

        第2個實驗:不同磁鐵從同一高度自由釋放,穿過同一線圈.兩次穿過線圈的Δt相同,但ΔΦ不同.

        學(xué)生匯報:磁鐵B穿過時讀數(shù)為26,磁鐵A穿過時讀數(shù)為10,結(jié)論是強磁鐵穿過時電動勢大.

        教師總結(jié):也就是Δt相同,ΔΦ大,E就大,說明E與Δt無直接聯(lián)系.

        ……

        評析及改進.“E與ΔΦ、Δt的關(guān)系”屬于多因素問題,應(yīng)用控制變量法進行探究.可以看出,學(xué)生的操作步驟是符合控制變量法的,所得結(jié)果也是合理的,但教師所得結(jié)論呢?不妨先看看,第1次實驗結(jié)果是“ΔΦ相同,Δt短,E就大”,根據(jù)控制變量法的規(guī)則,由這個結(jié)果只能得出結(jié)論“E與Δt有關(guān)”,而無法得出結(jié)論“E與ΔΦ無關(guān)”.類似地,第2次實驗結(jié)果“Δt相同,ΔΦ大,E就大”,只能得出結(jié)論“E與ΔΦ有關(guān)”,而無法得出結(jié)論“E與Δt無關(guān)”.由此看出,教師得出的結(jié)論“E與ΔΦ、Δt無直接關(guān)系(無關(guān))”是錯誤的.

        控制變量法在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用頻率很高,似乎也不難,按理教師不該出錯.但實際上這種錯誤不是個案,類似這樣良莠不齊的方法應(yīng)用仍在繼續(xù)誤導(dǎo)學(xué)生,毫無疑問會影響學(xué)生物理素養(yǎng)的構(gòu)建、提升.究其原因是教師系統(tǒng)學(xué)習(xí)了物理知識,一般不容易在知識上出錯,但對物理思想方法的學(xué)習(xí)遠談不上系統(tǒng),因此稍微不慎就會出現(xiàn)錯誤或爭議.

        2.3 關(guān)注學(xué)生認知不夠,缺乏精心預(yù)設(shè)和引導(dǎo)

        圖1

        定量探究“E與ΔΦ/Δt的關(guān)系”的難點之一是ΔΦ/Δt的測算,解決辦法是把ΔΦ/Δt分解成ΔΦ、Δt,然后分別測算ΔΦ或/和Δt.可用的具體方法分別有:① 控制ΔΦ,改變Δt,測算Δt;② 控制Δt,改變ΔΦ,測算ΔΦ;③ 綜合①和②兩個方法,ΔΦ、Δt都要測算;④ ΔΦ和Δt都不控制,ΔΦ、Δt都要測算等.前3個是半定量,最后一個是全定量,難度最大.如何引導(dǎo)學(xué)生針對既有器材設(shè)計合適的方法?方法確定后,又如何測算ΔΦ或/和Δt的大?。?/p>

        教師接著提問:磁通量Φ跟磁感應(yīng)強度B有關(guān),需要精密儀器才能準確測量.而這個過程需要兩個變量,能否控制一個變量,只改變另一個變量?學(xué)生沉默……

        教師自問自答:好.那這樣的話,控制哪個量?一個學(xué)生回答:控制Φ不變.教師追問:怎么做到控制ΔΦ?學(xué)生思索……

        評析.由于教師對學(xué)生認知關(guān)注不夠,由此疏于問題梯度和語言表述的精心預(yù)設(shè),才會出現(xiàn)教師預(yù)料不到的兩個問題:一是學(xué)生啟而不發(fā),沉默以對;二是學(xué)生錯答為Φ,教師則把Φ篡改為ΔΦ.

        對于第1個問題,教師的本意是: ① 目標是要比較多次ΔΦ、Δt的比值,② 但現(xiàn)實是ΔΦ難測,既然ΔΦ難測,那就不測ΔΦ,保持ΔΦ不變,只改變Δt.這個思路無可厚非,但教師沒有表達清楚其本意,發(fā)出的信息含混模糊.首先,教師表述“磁通量Φ跟磁感應(yīng)強度B有關(guān),需要精密儀器才能準確測量”,其本意是現(xiàn)有條件下Φ、B兩個變量難測,導(dǎo)致ΔΦ難測,但教師沒有明確表達ΔΦ難測,造成信息含混模糊.接著,教師表述“這個過程需要兩個變量,能不能控制一個變量,只改變另一個變量”,這“兩個變量”究竟是ΔΦ、Δt還是Φ、B?教師也沒有明確表達,造成信息含混模糊,導(dǎo)致學(xué)生難以馬上判斷,故出現(xiàn)沉默.教師只好自問自答,接著追問“控制哪個量”,A學(xué)生可能受信息含混模糊的影響,把“兩個變量”理解成Φ、B,以至錯誤回答“控制Φ不變”,當(dāng)然這不是教師的預(yù)設(shè)(本意),但教師顯然缺乏心理準備,因此把“Φ”下意識篡改為預(yù)設(shè)的“ΔΦ”.本來,這不是一件復(fù)雜的事情,但由于教師語序的先后顛倒,先②后,而且信息含混模糊,導(dǎo)致學(xué)生難以領(lǐng)會其本意,造成不必要的思維負擔(dān),以至先沉默、后回答錯誤.

        設(shè)想.理清邏輯,調(diào)整語序,明確信息.具體做法:①我們需要比較多次ΔΦ、Δt的比值,而②ΔΦ難測,怎么辦?……能否在兩個變量ΔΦ、Δt中,控制一個變量,只改變另一個變量?……控制哪個量方便?這樣的表述邏輯清晰,層次分明,信息準確,減輕了學(xué)生不必要的思維負擔(dān)……

        盡管以上都是細節(jié)問題,但“細節(jié)決定成功”,只有“抓實、抓牢、抓深、抓細”,想學(xué)生所想,換位思考,并據(jù)此精心預(yù)設(shè),否則生硬、突兀,學(xué)生思維沒有激活、參與,再好的設(shè)計理念和思路也會打折扣,實踐已經(jīng)反復(fù)證明了這點.

        2.4 測量器材有創(chuàng)新性,但思想方法顯化不夠

        定量探究“E與ΔΦ/Δt的關(guān)系”的難點之二是E的測量.在磁通量變化過程中,線圈的E、ΔΦ/Δt都是變化的,究竟測或算哪個E值、ΔΦ/Δt值?用什么儀器測?用什么方法算?

        圖2

        案例4.教師丙把改造過的模擬示波器連接圖1的線圈,用來測電動勢E.示波器的改造如圖2所示:按比例給屏幕刻度標上數(shù)值,把屏幕顯示調(diào)節(jié)為一個亮點,亮點對應(yīng)的示數(shù)即為E大小.

        圖3

        把數(shù)據(jù)輸入excel表格,生成如圖3所示的E-1/Δt直線.直線接近坐標原點,在誤差范圍內(nèi),可認為E與ΔΦ/Δt成正比.

        評析及改進.為了測量E值,教師丙創(chuàng)造性改造傳統(tǒng)示波器,雖然沒有傳感器便捷、準確,而且方案設(shè)計、誤差分析等也比較麻煩,但這些麻煩事為學(xué)生綜合應(yīng)用知識和方法提供了契機,具有思維訓(xùn)練價值,關(guān)鍵在于教師能否充分利用.

        不僅教師丙,其他教師也一樣,不管用什么儀器,都是測量E的最大值,然后只研究E最大值與ΔΦ/Δt最大值的特殊關(guān)系,而不是研究兩者的一般關(guān)系,這樣的“以點帶面”有說服力嗎?其實這個問題蘊含著思想方法的教育價值,但基本沒有教師給予說明,甚至可能沒有意識到這個問題,失去了一次思想方法顯化教育的重要契機.在這個實驗中,磁鐵下落時,線圈內(nèi)ΔΦ/Δt在變化、產(chǎn)生的E在變化,眼睛只能勉強捕捉到E的最大值,但無法捕捉到E的其他瞬時值與對應(yīng)的ΔΦ/Δt,因此無法研究所有時刻的E與ΔΦ/Δt的關(guān)系.那么,不能研究所有點,能否研究特殊點?然后類推到一般點?……哪點特殊?既然能捕捉E最大值,那就研究E最大值與對應(yīng)ΔΦ/Δt最大值的關(guān)系……這樣的處理用到了不完全歸納、類推等方法,可以把復(fù)雜問題簡單化,化難為易,從簡單、容易的地方(最大值)著手,體現(xiàn)了“方法簡潔美”的物理思想.當(dāng)然,這種“窺管見豹”似的類推有風(fēng)險,但在現(xiàn)實條件下,沒有找到更優(yōu)的可行方案,不得不這樣做.如果學(xué)生質(zhì)疑結(jié)論的普遍性,那可以因勢利導(dǎo):假如我們是人類首次研究這個問題,這個結(jié)論仍然是初步的、假設(shè)的、暫時的,還有待進一步驗證,可能被證實、也可能被修改補充、也可能被推翻…人類就是在不斷地探求、優(yōu)化方法的過程中,把科學(xué)不斷推向前進.到這里不妨刺激一下學(xué)生:老師暫時找不到更好辦法,但相信“長江后浪推前浪”,這個難題就交給大家課后思考了,看誰能找到更好辦法?即使學(xué)生想不出,但為學(xué)生開一扇門窗,留個懸念、念想總比禁錮思維好,意味著科學(xué)永遠在路上……很顯然,這樣的改進設(shè)計更具有思想、思維和方法的訓(xùn)練價值.

        3 討論

        對于“法拉第電磁感應(yīng)定律”這節(jié)課,教材沒有采用實驗探究,主要困難是缺乏成熟可靠的器材,但一些逆行者迎難而上,想方設(shè)法讓學(xué)生探究.教師的這種做法本身就是一種探究行為,體現(xiàn)了可貴的創(chuàng)新精神.但是,探究意味著試探解決,并不一定完全解決,留下一些問題或出現(xiàn)新問題并不意外.應(yīng)該說,這些教師基本解決了器材問題,其暴露的問題多數(shù)與器材沒有多少關(guān)系,主要是教師對學(xué)生認知研究還不夠,或?qū)ξ锢硭枷敕椒ㄍ诰蜻€不夠,甚至方法良莠不齊、錯誤應(yīng)用,以至缺乏有效合理的方法引導(dǎo),學(xué)生思維參與效度低,囫圇吞棗甚至習(xí)得錯誤,毫無疑問會影響物理素養(yǎng)的構(gòu)建、提升.其實這些問題并不是實驗探究課、非常態(tài)課所獨有的,在其他課上更加多見、嚴重.原因至少有兩方面:(1) 不重視思想方法.受應(yīng)試的壓力,教師一方面抱怨“器材和時間不夠”,難開展探究課,另一方面即使在非探究課上,也是盡量壓縮知識得出過程,草草得出知識,思想方法被視為可有可無而擠掉,以便騰出時間大量練題鞏固知識,可見“器材和時間不夠”不過是一個“合理”幌子.(2) 缺乏思想方法.教師系統(tǒng)學(xué)習(xí)了物理知識,但缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理思想方法,確實難以充分或正確挖掘知識形成過程所蘊含的思想方法,“自身不硬”何以“打鐵”?高中物理課程標準明確把物理思維列為物理素養(yǎng),可見教師自身對物理思想、思維和方法的掌握是多么重要、緊迫,在學(xué)習(xí)中應(yīng)用、在應(yīng)用中反思是解決問題的途徑之一.

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