暴 雷

(哈爾濱市中實學校 黑龍江 哈爾濱 150000)

湯金波

(南京師范大學附屬中學樹人學校 江蘇 南京 210000)

1 引言

對于物理學習來說，真正有效的物理認知結(jié)構(gòu)一定是學生自主構(gòu)建起來的，真正的物理學科能力一定是學生通過自身的努力建立起來的[1].學生自主創(chuàng)新實驗是培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的有效方式，而學生自主創(chuàng)新實驗的實踐途徑之一，就是教師演示實驗的創(chuàng)新化和生活化處理.因此,教師演示實驗的創(chuàng)新性和可拓展性，對于學生的跟隨模仿與后期超越，就有了極其重要的示范作用.所以筆者采用了風扇這一生活電器來對電磁感應(yīng)知識進行演示實驗教學.風扇按照工作方式分為：直流風扇(DC FAN)、交流風扇(AC FAN)兩種.本文選擇四葉交流風扇，根據(jù)其原理可逆向看成“交流發(fā)電機”——轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流.再通過抽象與理想化后，在“電磁感應(yīng)”“交變電流”兩章中可進行演示實驗的開發(fā)與應(yīng)用.

在演示實驗的基礎(chǔ)上設(shè)置問題，目的是為了讓學生達成最近發(fā)展區(qū)，根據(jù)學生已有的認知水平，把需要學習的知識轉(zhuǎn)化為一連串有主題的問題群[2].所以,在演示實驗及學生實驗的同時，筆者配以問題引導(dǎo)學生思考及分析的方向.

下面針對楞次定律、電磁阻尼與交變電流等教學內(nèi)容來分別談?wù)劰P者的一些具體做法.

2 楞次定律

在本節(jié)新課引入中，采用如圖1所示的轉(zhuǎn)動風扇點亮發(fā)光二極管，同時配以如圖2所示抽象的物理模型，觀看完演示實驗后，設(shè)計如下的問題.

圖1 風扇轉(zhuǎn)動二極管發(fā)光

圖2 簡化的物理模型

問題1：圖2所示為理想化的電風扇內(nèi)部基本原理圖，那你能用學習過的理論來解釋一下電風扇可以點亮發(fā)光二極管嗎？

預(yù)設(shè)回答：根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，線圈在轉(zhuǎn)動過程中，線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化.所以發(fā)光二極管可以被點亮.

設(shè)計意圖：(1)培養(yǎng)學生的建模能力.通過實際生活情景的引入，教師引導(dǎo)學生對情景進行抽象和理想化，幫助學生建立理想模型與實際生活的聯(lián)系.學生建立模型能力的培養(yǎng)需要在平時教學的過程中潛移默化地形成[3].因此，引入實際生活情景，教師加以引導(dǎo)和分析幫助學生建立理想化模型，以此達到培養(yǎng)學生建模能力.

(2)回顧上節(jié)課感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.由此對本節(jié)課楞次定律所需要的知識基礎(chǔ)進行復(fù)習.幫助學生快速進入情景，利用已有認知內(nèi)容對未知知識探索的基礎(chǔ)準備.同時讓學生體會到電磁感應(yīng)知識在生活中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學生利用物理觀念解決實際問題的思想.

3 電磁阻尼

在本節(jié)的教學中，筆者未采用教材中電流表正負接線柱直接相接來演示電磁阻尼現(xiàn)象.原因在于：

(1)高中生對電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認知可能有不夠清晰的地方，導(dǎo)致對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不能形成透徹理解--只知其然而不知其所以然.

(2)電流表指針比較細，課堂演示可見度可能較差.

(3)課本實驗電流表的指針到底是用來觀察感應(yīng)電流還是用來感受感應(yīng)電流引發(fā)的效果，容易引起學生誤解.

因此，筆者把電流表改為風扇，且演示實驗為學生自主探究實驗.把學生分為6組，每組分配一風扇和電流表，讓學生利用手邊的儀器自主探究如何讓轉(zhuǎn)動的風扇快速停止.在此基礎(chǔ)上配以抽象出的理想化模型幫助學生分析電磁阻尼現(xiàn)象.在實驗的基礎(chǔ)之上配以以下問題來引導(dǎo)學生建立完整清晰的理論認知.

問題2：在我們轉(zhuǎn)動風扇的情況下，如何快速地讓風扇停止轉(zhuǎn)動，請同學們自主設(shè)計并做出實驗驗證.

預(yù)設(shè)學生實驗1：利用導(dǎo)線與風扇連接.在不接通風扇插頭的情況下，轉(zhuǎn)動風扇葉片，風扇可以持續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間，而利用導(dǎo)線將風扇插頭連接后，轉(zhuǎn)動風扇葉片，風扇很快停止.

預(yù)設(shè)學生實驗2：利用電流表與風扇連接.在不接通風扇插頭的情況下，轉(zhuǎn)動風扇葉片，風扇可以持續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間,如圖3所示，而利用電流表將風扇插頭連接后，轉(zhuǎn)動風扇葉片，風扇很快停止，同時靈敏電流計發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，如圖4所示.

圖3 未接通風扇插頭，風扇轉(zhuǎn)動時間長

圖4 風扇插頭與電流表連接，風扇很快停止

設(shè)計意圖：改演示實驗為學生自主探究實驗.通過探究實驗可以掌握學生對電磁感應(yīng)知識的理解.風扇發(fā)電的原理在楞次定律教學時已經(jīng)有所了解，學生可以通過討論、交流等科學探究過程進行實驗的分析，同時對楞次定律知識的理解，從理論到實際操作的升華.

問題3:如圖5所示為實驗的抽象化物理模型圖.你能通過實驗和模型圖來解釋你所看到的實驗現(xiàn)象嗎？

圖5 抽象化的物理模型

預(yù)設(shè)回答1：在電流表與電風扇插頭串聯(lián)后，電流表有示數(shù)，說明產(chǎn)生了感應(yīng)電流.感應(yīng)電流產(chǎn)生安培力，安培力阻礙風扇的轉(zhuǎn)動，所以風扇很快停下來.未接通的情況下，未產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此，不能快速停止轉(zhuǎn)動.

預(yù)設(shè)回答2：在接通電風扇插頭后，產(chǎn)生了感應(yīng)電流.機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此風扇很快停下來.未接通的情況下，未產(chǎn)生電能，不能快速停止轉(zhuǎn)動.

設(shè)計意圖：(1)此問題具有一定靈活性，答案沒有限定明確的回答角度.目的是希望學生在看到此問題后，通過討論與分析，能夠從“力與運動”和“能量轉(zhuǎn)化”等多角度來審視和加深對電磁阻尼的理解.

(2)通過給出模型圖，潛移默化地培養(yǎng)學生通過實際生活情境轉(zhuǎn)化為物理模型的能力.

(3)培養(yǎng)學生以物理學視角解釋自然和生活中的現(xiàn)象.

問題4：此現(xiàn)象被稱為電磁阻尼，你能通過剛剛我們的解析給出電磁阻尼的定義，并分析此現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化嗎？

預(yù)設(shè)回答：當導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼.機械能轉(zhuǎn)化為電能.

設(shè)計意圖：通過學生總結(jié)定義及能量轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學生對物理概念和規(guī)律的提煉與升華，以培養(yǎng)學生的物理觀念.

4 交變電流

交變電流即交流電路中的電流，它是由交流發(fā)電機產(chǎn)生的，電流的大小方向隨時間而發(fā)生變化.在本節(jié)的教學中，首先利用發(fā)光二極管并聯(lián)在風扇插頭兩端(二極管正負極反接)交替點亮(圖6)的演示實驗，通過圖7的電路圖讓學生分析交變電流的特點及總結(jié)定義，再讓學生利用手搖交流發(fā)電機進行分組實驗，通過給出的問題進行交變電流的理論分析.通過筆者的實際課堂操作，認為取得了比較好的課堂效果.

圖6 風扇轉(zhuǎn)動二極管交替發(fā)光

圖7 電路圖

下面筆者對本節(jié)課中問題的設(shè)置進行簡單闡述.

問題5：請問二極管交替發(fā)光的原因是什么？你能自主設(shè)計驗證實驗，并現(xiàn)場來進行演示嗎？

預(yù)設(shè)回答：二極管交替發(fā)光的原因是電流的方向發(fā)生變化.在電源插頭上連接靈敏電流計，以此來證實電流方向發(fā)生變化(圖4).

設(shè)計意圖：通過上一章的學習及鋪墊，學生很容易想到二極管交替發(fā)光的原因為電流的方向發(fā)生變化.此問題的亮點在于學生自主設(shè)計、操作實驗來進行猜想驗證.通過本問題期望學生經(jīng)歷猜想和假設(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)論并作出解釋的完整科學探究過程，以此來培養(yǎng)學生科學探究能力.

問題6：風扇發(fā)電機的物理模型就是交流電發(fā)電機如圖8所示，請同學們利用手中交流發(fā)電機進行發(fā)電并畫出以下4幅圖(圖9)的截面圖，并通過實驗和圖像對交流電進行分析.

圖8 交流電發(fā)電機

(a) (b)

(c) (d)

設(shè)計意圖：(1)筆者以往的教學中，僅僅是通過圖像讓學生畫出截面圖并分析產(chǎn)生電流特點及原因，發(fā)現(xiàn)效果不盡如人意.原因在于學生未經(jīng)歷實驗探究的過程，未建立交變電流的物理模型.因此,筆者在進行本節(jié)課的過程中，讓學生進行分組實驗，同時引導(dǎo)學生利用實際情景自主建立圖9的截面圖并分析.呈現(xiàn)出的效果比直接畫圖效果好很多.

(2)此題目的設(shè)置仍具有一定開放性，不限制學生分析交變電流的角度.筆者引導(dǎo)學生從以下3個方面來入手.

1)從交流電產(chǎn)生原因入手，AB,CD為導(dǎo)體切割磁感線運動，為下一步交流電峰值及瞬時值的求解建立邏輯起點.

2)從右手定則入手分析交流電的方向問題，對交流電方向變化建立理論基礎(chǔ).

3)從電流大小變化入手，為下一步電流的變化呈現(xiàn)正弦式變化進行猜想鋪墊.

5 總結(jié)

“物理學不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學和人生的道路[3].”如何激發(fā)學生的創(chuàng)新精神與理性的思維方式，筆者認為教師在教學的過程中應(yīng)大量發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律并通過創(chuàng)新和改進實驗為教學及培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)服務(wù).同時教師的創(chuàng)新實驗也能為學生的自主創(chuàng)新實驗起到引領(lǐng)和示范的作用.