謝建偉

(江蘇省武進高級中學,江蘇 常州 213161)

人教版選修3-2第4章第2節(jié)“探究感應電流的產生條件”一課,是物理實驗探究教學的經(jīng)典案例.參加了江蘇省高中物理實驗教學創(chuàng)新設計大賽.筆者從前期備課階段的磨課到形成自身特色的課堂教學,本節(jié)課設計思路的發(fā)展呈現(xiàn)為3個階段,重點闡述課堂實驗的優(yōu)化與創(chuàng)新對培養(yǎng)學生批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階思維能力,實現(xiàn)知識型課堂向素養(yǎng)型課堂轉變的作用．

1 緊扣教材,重視實驗的傳統(tǒng)教學

教師引導學生對教材提供的3個學生實驗依次探究,從不同角度觀察、記錄實驗現(xiàn)象,結合理論分析,總結歸納出產生感應電流的條件．教師重視實驗在創(chuàng)設情境、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、解決問題等方面的作用,緊扣教材、逐步推進,通過實驗探究和邏輯推理歸納、理解物理規(guī)律,不失為一種好的教學方法．基本環(huán)節(jié)如表1．

表1

引課實驗置疑,創(chuàng)設情境,激發(fā)了學生的探究欲望;課堂結尾釋疑,應用規(guī)律解決問題,這是常用的教學手段．教材實驗1的設計意圖是和初中銜接,喚醒前認知．在教材內容后段,也從高中視角,保持磁感應強度B不變,通過改變回路面積S,來改變磁通量Φ．教材實驗2,通過磁鐵與線圈的相對運動,說明B變S不變,來改變磁通量Φ．

教材實驗3(如圖1),電路較為復雜、探究情景單一,用開關或變阻器控制線圈中的電流,實質還是歸結到B發(fā)生變化上來;其次,不能用來探究B不變S變、B變S變但Φ不變的情形;再次,兩個線圈各成回路,即使作為演示實驗,在連接電路、操作講解、記錄現(xiàn)象、原理分析等方面也會對教師和學生形成障礙．作為學生分組實驗,學生在認識電路、連接電路上花費過多時間,不利于將思維集中在實驗現(xiàn)象的分析、規(guī)律本質的歸納上．

圖1

教材通過3個實驗的探究,歸納出產生感應電流的條件與B、S的變化都有關系,從而用磁通量描述感應電流的產生條件,顯得較為牽強．如果能設計實驗,B變S變但Φ不變,也不能產生感應電流作為佐證,在邏輯上更為嚴謹．

2 突出學生主體,優(yōu)化實驗實施方案

傳統(tǒng)教學突出了實驗的重要地位和探究功能,主要通過教師演示實驗、分析論證、歸納結論,充分體現(xiàn)了教師的主體性．但是,教材中的3個實驗,對學生而言是新的認識和新的體驗．教師嘗試提供多種實驗器材,引導學生自行設計實驗方案,體驗探究、發(fā)現(xiàn)的過程,突出學生的主體性．

2.1 自制實驗,引出問題

圖2

教師演示“無源小燈珠發(fā)光”．魔術盒(帶鐵芯的變壓器線圈)點亮與小線圈連接的LED燈珠,如圖2．

引導學生回顧物理學史,奧斯特20年夢圓“電生磁”,法拉第10年心系“磁生電”．下面,我們循著科學家的足跡一起來探究,要抓住兩個關鍵:磁場、回路．磁場從哪來?怎樣檢驗微電流?為后續(xù)探究做好準備．

2.2 自主設計方案,開展科學探究

教師演示教材實驗1,由于初中階段對此已有認識,因此,著重引導學生如何觀察實驗現(xiàn)象,記錄實驗結論,為學生開展自主探究提供方向．接著,教師展示多個實驗器材,如圖3．學生分組討論,自主選擇實驗器材,設計實驗方案．

圖3

圖4

教師展示不同小組的實驗方案,師生共同交流評價,補充完善實驗方案．最終形成相對典型的3組,如圖4．由學生設計表格,分組開展實驗探究,找到感應電流,嘗試歸納產生感應電流的條件．

本教學環(huán)節(jié)注重學生間互動合作、自主探究、質疑評價,從“接受型教學”向“質疑式學習”轉變．從教材實驗1的導體切割磁感線到第1組方案中線圈和磁場相對運動,也體現(xiàn)多匝線圈切割磁感線放大電流的放大思想．第2組方案中,通過改變通電螺線管中的電流來改變磁場,體現(xiàn)替代思想,實現(xiàn)多種方式產生變化磁場．第3組方案,教師自主設計器材,形成近似的勻強磁場．通過進出勻強磁場區(qū)域、在勻強磁場中旋轉線圈、擠扁線圈等方式改變線圈的有效面積,彌補了教材中不能探究B不變S變的缺陷．

2.3 合理外推,提升思維的邏輯性

感應電流的產生與B、S的變化都有關系,而且應該是兩者共同作用的結果,能找到一個物理量將這兩個因素統(tǒng)一起來嗎?物理規(guī)律具有簡潔美,師生通過合理外推,歸納出產生感應電流的本質原因．接著,教師帶領學生揭開引課實驗“魔術盒”的奧秘;現(xiàn)場展示手機無線充電過程,進而解釋汽車無線充電原理;課后親身實踐教材中的“做一做:搖繩能發(fā)電嗎?”結合真實情境,應用物理規(guī)律解決實際問題,能夠幫助學生強化知識與情境相聯(lián)系的意識和能力,提升思維的創(chuàng)造性．

本教學設計,學生在師生交互式的實驗探究中建構物理觀念、理解物理規(guī)律,體會科學探究的方法,學會抽象思維,發(fā)展發(fā)散思維、批判性思維和創(chuàng)造性思維能力．當然,三組實驗方案,電路連接的復雜程度不同,好在師生共同交流完善時得到一些補償．和第一種教學設計一樣,沒有設計實驗“B變S變但Φ不變”說明磁通量的變化才是產生感應電流的本質條件,是一個缺憾．

3 整合實驗方案,創(chuàng)新實驗教學,培養(yǎng)思維品質

教師嘗試創(chuàng)新設計實驗器材,優(yōu)化實施演示實驗和學生分組實驗,讓學生在實驗探究和邏輯思辨的過程中,參與活動的研究過程、知識的建構過程和問題解決過程．課堂教學的6個環(huán)節(jié)(如表2),或以實驗情境“設疑”、或以實驗探究“質疑”、或以生活應用“釋疑”,注重給學生鮮活的知識、鮮活的活動,讓學習真實發(fā)生,核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真正落地．

表2

3.1 創(chuàng)設情境重在設疑,提高思維品質的批判性

用魔術創(chuàng)設情境,不僅僅是激趣,更重要的設疑．在教學環(huán)節(jié)1中,初做魔術:LED燈珠緩慢劃過送電線圈上方,多個無源LED燈珠卻能被點亮．生成問題:產生磁場的磁體在哪里?進而回顧物理學史(奧斯特“電生磁”)和對稱性思想(法拉第“磁生電”),引發(fā)學生在已有認知上的新思考,進入新課．

在進入環(huán)節(jié)3前,再做魔術:幾枚LED燈珠靜止于送電線圈的磁場中,并沒有切割磁感線,卻也亮了．引發(fā)認知沖突(生:送電線圈產生變化的磁場),學生帶著問題“不切割磁感線能產生感應電流嗎?切割磁感線一定會產生感應電流嗎?”自然過渡到環(huán)節(jié)3:創(chuàng)新器材,分組探究產生感應電流的其它情形．

3.2 整合演示實驗,提高思維品質的深刻性

蘇科版9年級教材就已經(jīng)呈現(xiàn)過“教材實驗1”,學生可能操作過并有了“磁生電”的前概念．但是學習并不深入,甚至存在錯誤認識:只有切割磁感線才會產生感應電流;切割磁感線就一定能產生感應電流．為了避免實驗的簡單重復,完善知識體系,提高思維品質的深刻性,教師創(chuàng)新教材實驗1和2的操作過程,并改分組實驗為演示實驗．

在教學環(huán)節(jié)2中,長約5 m的導線與靈敏電流表G形成閉合回路,學生按照教材實驗1,用單匝導線切割磁感線,G表有偏轉但極其微弱．教師引導學生將導線多繞幾圈,用多匝導線再去切割磁感線,G表發(fā)生了明顯的偏轉．學生演示教材實驗2,磁鐵插入或抽出百匝線圈時,G表發(fā)生大角度偏轉甚至超過了量程;但當磁鐵停在線圈中,G表不偏轉．

學生用一匝線圈、幾匝線圈到百匝線圈切割磁感線逐漸獲得較大的感應電流,既回顧了初中的前認知,體會了相對運動、放大思想等物理方法,在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的科學探究過程中,得到規(guī)律,發(fā)展科學思維．

3.3 創(chuàng)新分組實驗,提高思維品質的創(chuàng)造性

考慮到教材實驗3的復雜性,以及不能用來探究B不變S變等方面的缺陷,教師自制了大型螺線管(600-800匝漆包線均勻繞在直徑約15 cm、長約30 cm的有機玻璃管上)．學生電源(直流10-12 V)、開關、變阻器、大型螺線管串聯(lián)成閉合電路,螺線管中近似為勻強磁場,并可以通過改變電流來改變磁感應強度的大?。灾聘袘€圈和G表連接成另一個閉合電路．

在教學環(huán)節(jié)3中,按4-6人/組分2次開展分組實驗．第1次分組實驗,在前面探究的基礎上去求證“不切割磁感線也能產生感應電流;切割磁感線也可能不會產生感應電流．”學生將線圈從通電螺線管中間上方開口處放入并保持靜止,迅速改變變阻器的阻值,使管內的磁感應強度發(fā)生變化,發(fā)現(xiàn)G表發(fā)生明顯偏轉;保持螺線管內的勻強磁場不變,將線圈在勻強磁場區(qū)域內上下平動,線圈切割磁感線,但G表的指針幾乎不動．各個小組先后找到是否產生感應電流的證據(jù)．第2次開放性分組實驗,自主探究不同情形下是否產生感應電流．學生通過斷開、閉合開關,線圈在螺線管外運動、在螺線管內旋轉、擠扁線圈改變面積,線圈在螺線管兩側進出的過程、在螺線管內平推…學生基本能夠預判實驗現(xiàn)象,初步歸納感應電流的產生條件．

創(chuàng)新實驗器材,避免學生在認識電路、連接電路上花費過多時間,更多地去探究思考物理規(guī)律的本質．本組實驗達成多種情形下的探究目標,培養(yǎng)了學生模型建構、質疑思辨、邏輯推理、創(chuàng)造性思維等科學思維能力．

3.4 科學思辨,提高思維品質的邏輯性

至此,學生不斷強化感應電流的產生與B、S的變化有關．在教學環(huán)節(jié)四中,強磁鐵置于喇叭狀模具上方,保持軟質線圈(約10匝)面積不變,上下運動穿過強磁鐵,G表發(fā)生明顯偏轉;用手收緊軟質線圈,使之緊貼模具外壁下滑的過程中,B、S都發(fā)生變化(B變小、S變大,Φ幾乎不變),但G表幾乎不發(fā)生偏轉．再次引發(fā)學生的認知沖突,從而引導學生從磁通量是否變化的角度,以列表的方式,共同回顧上述課堂實驗,得出感應電流的產生與磁通量發(fā)生變化的一一對應關系,最終歸納出科學本質．

通過對比實驗,邏輯推理與實驗現(xiàn)象不符對學生形成認知沖突,生成新問題．學生在不斷解決問題的過程中,體會到科學探究的不完善性和發(fā)展性．本實驗也是從邏輯上對產生感應電流的本質條件的進一步佐證,彌補了教材實驗的不足．

3.5 解決實際問題,提高思維品質的靈活性

教學環(huán)節(jié)6基本保持第2種教學設計的思路,現(xiàn)場改裝舊款手機實現(xiàn)無線充電功能,進而解釋手機、汽車無線充電原理;展示改裝的廢棄音箱,實現(xiàn)無線傳聲;PPT展示其它無線能量傳輸?shù)纳顟茫寣W生將從一個情境中習得的知識遷移應用到其它情境中,培養(yǎng)學生思維品質的靈活性．

4 結束語

課堂教學要讓學習真正發(fā)生,培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng),需要在真實情境中圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題,追求對知識本質的理解和對學習內容的批判性吸收,實現(xiàn)有效的學習遷移和實際問題的解決．筆者始終堅持實驗在物理教學中的重要作用,注重實驗器材的創(chuàng)新設計,并通過實驗操作的創(chuàng)新設計有效實現(xiàn)課堂重構．體現(xiàn)學生的思維發(fā)展,優(yōu)化課堂實驗的組織實施,整合必要的演示實驗、深入探究分組實驗,在真實的實驗情境中,體會實驗魅力和邏輯力量,困惑中求發(fā)現(xiàn),復雜中求簡明,領悟中有升華．