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        創(chuàng)設(shè)真實情境,創(chuàng)新實驗教學(xué)

        2023-02-19 01:36:30馬慧佳
        物理教學(xué)探討 2023年1期
        關(guān)鍵詞:電動勢充電器線圈

        馬慧佳

        廣東省東莞市塘廈中學(xué),廣東 東莞 523710

        1 創(chuàng)設(shè)情境在實驗教學(xué)中的必要性

        古人云:“學(xué)起于思,思源于疑”。而“疑”從何而來?從對不同事物、環(huán)境、事件等問題的看法經(jīng)歷中來,即從“情境”中來?!扒椤本褪歉星?,只有在感情上形成了共鳴,情理相融,才能促進學(xué)習(xí)興趣的產(chǎn)生;“境”就是提供一個場景,認知場景,從而促進意義的構(gòu)建。

        學(xué)生可以從情境中思考,從疑問中發(fā)現(xiàn)和提煉問題,對問題可能的答案作出假設(shè),并根據(jù)問題情境運用已有知識制訂探究計劃,設(shè)計符合情境要求的實驗裝置進行實驗,獲取客觀真實的數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)的分析形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論[1]。從培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度,創(chuàng)設(shè)情境是物理實驗教學(xué)的重要手段,是物理創(chuàng)新實驗教學(xué)的必經(jīng)之路。

        2 情境載體的選擇

        選擇合適的情境載體,對學(xué)生進行完整的實驗探究有重要的推動作用。要根據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律、已有的知識儲備等來進行選擇。例如,生活實踐、自然現(xiàn)象、科技前沿、物理學(xué)史、思政內(nèi)容等,無論哪一種,要盡量選擇接近學(xué)生生活和閱歷的真實情境,這樣一方面能引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,另一方面也能保證實驗教學(xué)的順利推進。

        3 情境與實驗教學(xué)的融合

        常規(guī)的物理實驗教學(xué)以課本中的演示實驗為主,缺乏學(xué)生的自主探究。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,看過的實驗?zāi)苡涀。鲞^的實驗才能理解,只有讓學(xué)生“做”,才能促進學(xué)生對物理規(guī)律的理解,只有理解了,才能進行創(chuàng)新和遷移。創(chuàng)設(shè)情境,調(diào)動思維,要讓學(xué)習(xí)真實發(fā)生。創(chuàng)設(shè)實驗情境,更能激發(fā)學(xué)生的求知欲,推動學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴,促進思考。經(jīng)歷實驗的探究過程,打碎舊的知識系統(tǒng),不斷發(fā)現(xiàn)驚喜,正如論語所言:“不聞不若聞之,聞之不若見之,見之不若知之,知之不若行之”。

        以情境為載體的實驗教學(xué),通過“情境—問題—證據(jù)—解釋—交流—情境”的循環(huán),來滲透物理核心素養(yǎng),如圖1所示。

        圖1 以情境為載體的實驗教學(xué)理論模型

        具體的實施途徑如圖2所示。

        圖2 以情境為載體的創(chuàng)新實驗教學(xué)實施流程

        4 “法拉第電磁感應(yīng)定律”創(chuàng)新實驗教學(xué)片段

        4.1 以情境為載體的教法與學(xué)法

        “法拉第電磁感應(yīng)定律”是2019年版人教版高中物理選擇性必修第二冊第二章的內(nèi)容?!镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對該節(jié)內(nèi)容的要求為:“通過實驗,理解法拉第電磁感應(yīng)定律”。本節(jié)內(nèi)容強調(diào)對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行歸納推理的方法,以此提升學(xué)生對實驗結(jié)果進行定性分析的能力。教材中是從感應(yīng)電流進一步深入到感應(yīng)電動勢來理解的,即“探究決定感應(yīng)電動勢大小的因素”,通過“做一做”欄目中的實驗來定性研究,以陳述事實的方式引入法拉第電磁感應(yīng)定律,涉及的情境創(chuàng)設(shè)和定量探究比較少。

        從學(xué)生的知識儲備來看,學(xué)生掌握了有關(guān)電磁學(xué)的基本知識,對變化量和變化率的概念也有所了解。同時,學(xué)生具備了一定的實驗操作的能力,對物理學(xué)常用的研究方法已經(jīng)有了較為深刻的認識。因此,以教材為基礎(chǔ),創(chuàng)設(shè)了新的情境——手機無線充電,從學(xué)生感興趣的話題入手,從定性分析到定量研究,由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生解決問題、創(chuàng)新實驗,從而得出結(jié)論,獲得成長。

        4.2 “法拉第電磁感應(yīng)定律”創(chuàng)新實驗教學(xué)及設(shè)計意圖

        4.2.1 引入:創(chuàng)設(shè)情境,提出問題

        情境:無線充電技術(shù)是近年發(fā)展起來的新技術(shù),相比有線充電技術(shù),無線充電器與用電裝置之間不用電線連接,使用更加方便,更加安全,如圖3所示。

        圖3 無線充電器

        問題:手機無線充電器的工作原理是什么?怎樣才能使手機充電更快呢?

        設(shè)計意圖:無線充電器作為情境的選擇,一方面從科技前沿及學(xué)生感興趣的話題入手,引入新課,拉近物理與生活的距離;另一方面是由于無線充電器的內(nèi)部構(gòu)造比較簡單,為后續(xù)的實驗設(shè)計和操作提供可能性。

        4.2.2 建構(gòu):模型建構(gòu),設(shè)計實驗

        設(shè)計驅(qū)動性問題(圖4),引導(dǎo)學(xué)生一步一步建構(gòu)物理模型,為實驗設(shè)計提供條件。學(xué)生小組合作將購買的無線充電器拆開,觀察其內(nèi)部構(gòu)造,營造探索的氛圍,提高學(xué)生的積極性。

        圖4 驅(qū)動性問題設(shè)定

        物理實驗?zāi)P偷慕ⅲ号c電源相連的線圈,產(chǎn)生磁場,與小燈泡相連的線圈,可通過同一小燈泡的亮度變化來定性判斷決定感應(yīng)電動勢大小的因素,如圖5所示。

        圖5 物理實驗?zāi)P?/p>

        設(shè)計意圖:在教學(xué)中,教師作為引導(dǎo)者和把控者,通過語言描述——提問,促進學(xué)生的思考,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。在這個環(huán)節(jié)中,拆卸充電器是學(xué)生反應(yīng)最強烈的環(huán)節(jié)(圖6),從以前的聽到現(xiàn)在的親眼看,瞬間調(diào)動起了學(xué)生的積極性。以情境為載體,以問題為導(dǎo)向,建構(gòu)合適且合理的物理模型,使學(xué)生的科學(xué)思維能力得到提升。

        圖6 拆卸無線充電器

        4.2.3 創(chuàng)新探究一:定性探究,深度互動

        猜想:感應(yīng)電動勢可能與線圈匝數(shù)、磁通量的變化、磁通量的變化率等有關(guān)。

        方法:控制變量法,與電源相連的線圈部分,直接采用無線充電器,通電后其周圍產(chǎn)生磁場。

        原理:通電線圈可以在其周圍產(chǎn)生磁場(充電器),將另一線圈連接燈泡(手機)放在通電線圈上,保持通電線圈的頻率不變,改變與燈泡相連的線圈的匝數(shù),觀察燈泡的亮度變化,定性分析當(dāng)磁通量變化率不變時,匝數(shù)與感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系[2]。

        實驗現(xiàn)象:

        當(dāng)線圈匝數(shù)為2匝時,小燈泡不太亮;當(dāng)線圈匝數(shù)為10匝時,小燈泡比較亮。

        結(jié)論:頻率不變,磁通量變化的快慢一定時,線圈匝數(shù)越多,小燈泡越亮,感應(yīng)電動勢越大。

        設(shè)計意圖:定性研究并不精確,但效果也很明顯,采用身邊的事物來完成實驗,增加了實驗的趣味性,使學(xué)生的體驗感更強。同時,直接采用無線充電器產(chǎn)生磁場的優(yōu)勢在于解決問題更為直接,操作也更加簡單方便。

        4.2.4 創(chuàng)新探究二:定量探究,得出結(jié)論

        這一環(huán)節(jié)主要是定量探究感應(yīng)電動勢與磁通量變化率之間的關(guān)系,采用數(shù)字化信息技術(shù)DISLab,實驗裝置包含了磁感應(yīng)強度傳感器(LWE861)、法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器Ⅱ(LW-Q828)、智能電源V2.0、導(dǎo)線、電腦,如圖7所示。

        圖7 朗威法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器

        其電路安裝及電腦操作界面如圖8所示。

        圖8 法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器安裝情況及操作界面

        將磁感應(yīng)強度傳感器置于線圈內(nèi)部,打開智能電源,調(diào)整電源的輸出電壓,使螺線管內(nèi)部磁場約為5 mT。首先,分別選擇智能電源信號的輸出模式為“梯形波”“三角波”和“鋸齒波”,按下運行鍵,調(diào)節(jié)各波形幅度,即可得到磁感應(yīng)強度與對應(yīng)的感應(yīng)電動勢的變化情況,觀察二者之間的關(guān)系;接著,分別對“梯形波”“三角波”和“鋸齒波”各波段進行選擇區(qū)域,得出感應(yīng)電動勢與磁感應(yīng)強度變化率的關(guān)系,如表1所示。

        表1 法拉第電磁感應(yīng)定律定量實驗結(jié)果

        設(shè)計意圖:從定性到定量是物理實驗的基本流程,數(shù)字化的實驗方式更加精確、直觀。通過實驗現(xiàn)象總結(jié)實驗結(jié)果,在線圈橫截面積一定的情況下,磁感應(yīng)強度的變化率正比于磁通量的變化率,即在一定的時間內(nèi),磁感應(yīng)強度的變化反映了磁通量的變化,從而得出感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率成正比的定量關(guān)系[3]。

        4.2.5 升華:歸納總結(jié),遷移反思

        回顧本次實驗的全過程,總結(jié)出實驗的結(jié)論及實驗過程中的收獲,相互交流,為后續(xù)學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備。

        5 結(jié)語

        本節(jié)實驗教學(xué)的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下三個方面:首先,在課程的引入上采用了無線充電器這一新的情境載體,并且貫穿始終,真正從解題中抽離出來,開始解決問題;其次,定性研究取材簡單,學(xué)生操作方便,極大地增加了學(xué)生的參與度,增強了學(xué)生的成就感;再次,本實驗融入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),采用更加先進、精確的技術(shù)手段進行實驗,關(guān)注到了未來教學(xué)的發(fā)展方向。

        適度且合理的情境應(yīng)用于實驗教學(xué)中,將情境中的事物或者一段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個物理探究過程,讓學(xué)生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn),在思考和分析后有所構(gòu)思,在討論和探究后有所收獲。將問題情境貫穿于整個創(chuàng)新實驗教學(xué)中,采用多樣化的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生認識物理本質(zhì),增強解決問題的能力,真正將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。

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