程宏亮 馮志雯
摘 要:建構(gòu)主義者有兩個(gè)基本認(rèn)識(shí),一個(gè)是新知的學(xué)習(xí)必須建構(gòu)在已有知識(shí)之上,另一個(gè)是自主建構(gòu)是最有效的學(xué)習(xí)途徑。文章以自制揚(yáng)聲器實(shí)驗(yàn)器材為例,著重分析初中物理教材知識(shí)的建構(gòu)體系,以及該自制實(shí)驗(yàn)器材對(duì)知識(shí)建構(gòu)體系的補(bǔ)充途徑。
關(guān)鍵詞:初中物理;知識(shí)建構(gòu);自制;實(shí)驗(yàn)器材
人教版九年級(jí)物理下冊(cè),第二十章“電與磁”第4節(jié)“電動(dòng)機(jī)”一節(jié)中,通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究歸納了通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān),并以此結(jié)論分析了電動(dòng)機(jī)的工作流程和原理。在現(xiàn)實(shí)生活中,電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,高鐵、地鐵、新能源汽車,甚至大型的軍艦都采用電動(dòng)機(jī)作為提供動(dòng)力的裝置。所以,將電動(dòng)機(jī)作為“通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的作用”這一物理原理的應(yīng)用實(shí)例是理所當(dāng)然的。這也拉近了物理知識(shí)與生活的距離,符合“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的新課標(biāo)理念。但在生活中,還有很多實(shí)際應(yīng)用都與通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力這一原理有關(guān),學(xué)生如果更早地建構(gòu)了電動(dòng)機(jī)線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的知識(shí),就會(huì)很難理解通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的其他運(yùn)動(dòng)方式,而對(duì)該物理原理的認(rèn)知片面。這樣的片面認(rèn)知就會(huì)對(duì)接下來(lái)電磁感應(yīng)物理概念的學(xué)習(xí)造成了很大的困擾,因?yàn)閺膶W(xué)生學(xué)習(xí)的角度來(lái)看,電動(dòng)機(jī)模型和發(fā)電機(jī)模型的基本構(gòu)造極為相似。而電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作原理本身就是互為可逆的電磁互生,這會(huì)進(jìn)一步影響學(xué)生對(duì)這兩個(gè)物理知識(shí)的認(rèn)知。鑒于此,在教學(xué)過(guò)程中必須首先建立完整的通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力作用的知識(shí)體系,才能利于學(xué)生對(duì)電和磁知識(shí)的整體構(gòu)建。
建立完整的通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力作用的知識(shí)體系在教材編寫中體現(xiàn)得非常充分,人教版教材在本章章末的“科學(xué)世界”欄目介紹了揚(yáng)聲器是怎樣發(fā)聲的,至此,通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力至少有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即可能滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)。如圖1、圖2、圖3所示。
圖1是研究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力原理的基本模型,學(xué)生既可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程,也易于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,所以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論比較容易。圖2是電動(dòng)機(jī)工作原理的示意圖。學(xué)生認(rèn)知比較困難,特別對(duì)于平衡位置線圈受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以及換向器的工作原理,學(xué)生更是由于思維的抽象而極難掌握。但人教版教材能夠從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)出發(fā),設(shè)計(jì)了“想想做做”小小電動(dòng)機(jī),如圖4,通過(guò)問(wèn)題“讓線圈轉(zhuǎn)起來(lái)”引導(dǎo),學(xué)生“用小刀刮兩端引線的漆皮”的實(shí)踐,自主建構(gòu)平衡位置受力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和換向器原理的知識(shí),突破難點(diǎn)。最后,教材還具體完整地展現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的工作流程,符合學(xué)生具體運(yùn)算階段的認(rèn)知習(xí)慣。如圖5。
圖3是揚(yáng)聲器發(fā)聲的工作原理示意圖,在教材的“科學(xué)世界”欄目中出現(xiàn)。學(xué)生前期建構(gòu)的通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的知識(shí)與圖3中的振動(dòng)存在差異,這是造成學(xué)生認(rèn)知困難的原因之一。更困難的是,學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)圖2電動(dòng)機(jī)原理時(shí)的問(wèn)題引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、具體歸納分析的認(rèn)知過(guò)程。所以,要讓學(xué)生建構(gòu)完整的通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力知識(shí)體系,就必須創(chuàng)建完整的認(rèn)知情境,而最有效的認(rèn)知情境就是學(xué)生自制揚(yáng)聲器裝置。
揚(yáng)聲器是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)的一種裝置,圖3是揚(yáng)聲器的構(gòu)造示意圖,它主要由固定的永久磁體、線圈和錐形紙盆構(gòu)成。當(dāng)線圈中通有電流時(shí),線圈受到磁鐵力的作用而運(yùn)動(dòng);當(dāng)線圈中電流的方向相反時(shí),線圈向相反方向運(yùn)動(dòng)。由于通過(guò)線圈的電流是交變電流,它的方向不斷變化,線圈就不斷地來(lái)回振動(dòng),帶動(dòng)紙盆也來(lái)回振動(dòng),揚(yáng)聲器就發(fā)出了聲音。將原理轉(zhuǎn)化為應(yīng)用還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材的自制,自制揚(yáng)聲器裝置的操作如下:
一、 自制揚(yáng)聲器所需的器材
一個(gè)一次性的紙杯;一枚大鐵釘,長(zhǎng)度要超過(guò)紙杯的高度約5厘米;一段細(xì)漆包線,兩端刮去絕緣層,長(zhǎng)度大約50厘米;一個(gè)可裝兩節(jié)5號(hào)干電池的電池盒,帶連接正負(fù)極的導(dǎo)線;一塊音樂(lè)芯片,在音樂(lè)門鈴、廢棄的玩具、音樂(lè)賀卡上都可獲得;一塊小磁鐵。
二、 制作方法
1. 把漆包線按同一個(gè)方向纏繞在鐵釘上,由于被磁化的大鐵釘兩端磁性最強(qiáng),漆包線要盡量纏繞在鐵釘?shù)捻敹恕?/p>
2. 音樂(lè)芯片的第1、2接線柱為電流輸入,第3、4接線柱為電流輸出。將電池盒的正負(fù)極導(dǎo)線連在音樂(lè)芯片的第1、2接線柱,纏繞在大鐵釘上的線圈連接音樂(lè)芯片的第3、4接線柱。經(jīng)過(guò)音樂(lè)芯片讀取,IO口的高低電平以及延遲產(chǎn)生不同的頻率電流,變頻電流輸出到漆包線線圈。
3. 把小磁鐵放在紙杯口處,大鐵釘穿過(guò)杯底被小磁鐵吸引固定在杯底。
三、 使用效果
閉合電池盒開關(guān),纏繞的鐵釘漆包線線圈成為通電螺旋管,它與小磁鐵相互作用,上下振動(dòng),紙杯的作用是共鳴箱,放大線圈上下振動(dòng)頻率,得到響度可聞的音樂(lè)。
四、 自制揚(yáng)聲器裝置的評(píng)價(jià)和反饋
自制揚(yáng)聲器不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,學(xué)生易于制作,而且在使用時(shí)效果非常明顯。使用時(shí),有響度、音色和很好的樂(lè)音產(chǎn)生,學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力能夠迅速被激發(fā),主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。在教師的引導(dǎo)下,自制揚(yáng)聲器裝置可以讓學(xué)生體驗(yàn)到很多舊知,比如小紙杯振動(dòng)明顯,說(shuō)明聲音依靠振動(dòng)產(chǎn)生。在裝置中,振動(dòng)的能源來(lái)自電池的電能轉(zhuǎn)化得到的機(jī)械能,說(shuō)明聲音的能量其實(shí)是一種機(jī)械能。再比如,學(xué)生在纏繞漆包線線圈時(shí),纏繞在大鐵釘頂部是為了使用磁體上磁性最強(qiáng)的部分,條形磁鐵的磁極在磁體兩端。
但對(duì)這些舊知的驗(yàn)證,并不是該自制實(shí)驗(yàn)器材的意義。該自制實(shí)驗(yàn)器材的最大意義在于首先完善了學(xué)生知識(shí)構(gòu)建的過(guò)程,讓學(xué)生能夠從通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)建到上下振動(dòng),再到其他復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第二,該自制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,效果明顯,能夠打開學(xué)生自主知識(shí)建構(gòu)的大門,達(dá)到最理想的學(xué)習(xí)效果。第三,在通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力上下振動(dòng)這個(gè)知識(shí)層面,該自制實(shí)驗(yàn)器材能夠補(bǔ)充教材不夠充分的教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)器材的自制過(guò)程,就是設(shè)計(jì)情境,自主探究,歸納分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的過(guò)程,同樣也是知識(shí)內(nèi)化的過(guò)程。
總之,物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很大的概念,自制實(shí)驗(yàn)器材是物理實(shí)驗(yàn)概念中最重要的組成部分。自制實(shí)驗(yàn)器材教學(xué)追求提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力,追求學(xué)生的知識(shí)整體構(gòu)建,追求學(xué)生學(xué)會(huì)研究問(wèn)題的方法。最終的追求,就是為造就國(guó)家未來(lái)的“創(chuàng)造型”“實(shí)用型”人才作出實(shí)質(zhì)性基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。
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作者簡(jiǎn)介:程宏亮,馮志雯,廣東省深圳市,廣東省深圳市坪山實(shí)驗(yàn)學(xué)校。