張玲芳

(常熟市中學,江蘇 常熟 215500)

文章以“互感和自感”為例,以提升學生物理核心素養(yǎng)為目標,精心進行教學設計.通過優(yōu)化教學流程、完善經(jīng)典實驗、創(chuàng)新實驗教具等方式,形成三個實際案例,以供參考.

1 創(chuàng)新物理實驗教學是提升學科素養(yǎng)的有效途徑

1.1 堅持“真實性學力”的目標導向

區(qū)別于傳統(tǒng)浮于表面、回避學習本質(zhì)的“應試學力”,所謂“真實性學力”是指以思考力、判斷力、表達力為核心的學力.不是對既有知識的再現(xiàn)而是引導新知識的產(chǎn)生,不是對知識點的記憶而是基于先行知識的探究,不是封閉固化而是創(chuàng)新超越,具有可信賴性、可遷移性和可持續(xù)性,是新課改以來各個學科共同的教學目標[1].

1.2 堅持物理課程中實驗教學的核心地位

對物理課程來說,“真實性學力”的獲得基于物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成,包括“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”和“科學態(tài)度與責任”4個要素.而實驗教學是培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)最直接也是最有效的手段.物理實驗實質(zhì)上是一個觀察、操作和思維相互影響的過程.在教師的引導下,讓學生積極主動參與到實驗探究過程中,引導學生模擬科學家分析問題、解決問題的思維及實踐過程,使學生體會到如何面對疑難情境,學會搜集和加工需要的新資料,最終達到問題解決、獲得理性認識目的的探究過程,培養(yǎng)在真實生活情境中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力.

1.3 堅持創(chuàng)新是物理實驗教學的生命力

以往匹配“應試學力”的物理實驗教學多以教師單項演示為主,或者是學生按部就班機械參與,學生的體悟和理解不深入,大部分停留在知其然不知其所以然,教學效果一般.而創(chuàng)新性的實驗操作活動,是把物理與生活緊密結(jié)合,合理創(chuàng)設實驗情境,充分利用日常生活中的小工具,設計或引導學生構(gòu)思物理理論的驗證性實驗,提高學生觀察、思考、操作、表達等綜合能力.實驗創(chuàng)新不是對傳統(tǒng)經(jīng)典的顛覆,而是根植于時代的再生.

2 以“互感和自感”教學為例,創(chuàng)新物理實驗課程的實例研究

互感和自感是電磁感應第四節(jié)內(nèi)容,是電磁感應現(xiàn)象具體應用的兩個實例.對互感、自感現(xiàn)象的研究,既是對電磁感應定律的鞏固和深化,也將為以后學習交流電、電磁波奠定知識基礎.另外,互感和自感的知識與人們?nèi)粘Ｉ钣兄芮械年P系,有著非常廣泛的實際應用.

案例(一):引入性實驗,引導觀察激發(fā)興趣.

本人選擇這樣一個實驗如圖1為學生激趣導入:有一個鐵芯和兩個線圈,一個線圈和220 V交流電相連,另一個線圈里面串有一個小燈泡但沒有電源,當后者線圈套入鐵芯靠近第一個線圈時,小燈泡亮了.

圖1 電磁感應現(xiàn)象

用該實驗作為引入,不僅是讓燈泡從暗到亮吸引學生眼球,引發(fā)學生思考,也是體現(xiàn)線圈在電磁感應中的地位,由此引出最早利用線圈研究電磁感應的科學家法拉第和他使用的線圈.應用這個線圈模型回顧產(chǎn)生電磁感應的條件,并用楞次定律判斷感應電流的方向,回顧法拉第電磁感應等知識,最重要的是該模型正是變壓器的原始模型,這也為學生日后學習變壓器奠定基礎.

作為引入性實驗,可以制造懸念、吸引眼球,也可以簡單明了、突出模型、串接知識.在此過程中提高學生的觀察力、思考力,回顧調(diào)取知識并提高分析表達力,并讓學生形成清晰科學的物理觀念,開啟基于這些先行知識的探究[2].

案例(二):探究性實驗,科學設問深入思考.

互感作為電磁感應的延伸,從一個線圈中電流變化引起磁場的變化,導致另外一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象,學生分析理解起來是比較輕松的.然而,對于互感的“互”字的理解,是我們?nèi)菀缀雎缘牟糠?為此,本人設計了這樣一個實驗和設問:如圖2中A線圈和手機音頻信號相連,B線圈和揚聲器相連,當A線圈放入B線圈中時,從揚聲器中聽到了音樂.提問分析:

圖2 A、B線圈互感現(xiàn)象

(1)什么是音頻信號?音頻是強度和頻率隨時間變化的電流,所以A線圈中有著變化的電流,產(chǎn)生變化的磁場,導致B線圈中磁通量發(fā)生變化,B線圈中產(chǎn)生感應電流,這就是從揚聲器中聽到的音樂.

(2)B線圈中的電流,會不會使得A線圈中產(chǎn)生感應電動勢?揚聲器中聽到和手機里一樣的音樂,說明B線圈中產(chǎn)生的是同頻的變化的電流,根據(jù)電磁感應的條件,應該會使得A線圈產(chǎn)生感應電動勢.這個過程中A、B線圈之間確實一直在發(fā)生著相互感應的現(xiàn)象.

在此基礎上,可以選擇互感現(xiàn)象的具體實例:

(1)手機無線充電的過程;

(2)利用探雷器和金屬探測儀探測金屬物品的過程;

(3)平時使用的飯卡、門禁卡和公交卡.

在教授新課時設計這樣的實驗,引導啟發(fā)學生提出問題、思考問題,協(xié)助其研究、總結(jié)問題,在解決各種疑問和設想的過程中提升其學習的創(chuàng)新力和思辨力.

案例(三):設計性實驗,系統(tǒng)思維驗證猜想.

在自感學習之前,設計如圖3實驗,讓學生自行體驗單個線圈的威力:用一節(jié)干電池、一個線圈、一個開關、4位同學為一組和若干導線進行實驗.體驗自感過程:

圖3 學生體驗自感的實驗電路圖

(1)開關閉合前,學生的體會——“無感覺”;

(2)開關閉合后,學生的體會——“無感覺”;

(3)開關斷開瞬間,突然受到電擊——“很明顯的電擊感”.

當電流變化時,一個線圈會不會自身產(chǎn)生電磁感應呢?根據(jù)上面實驗的體驗,答案是肯定的!在此體驗的基礎上,引導學生思考這個問題:如圖4(a)中開關閉合時,電流從無到有突然增大,請學生根據(jù)電磁感應的條件和楞次定律的核心阻礙變化,學生判斷猜想回路中電流應該慢慢增大.

圖4 探究通電自感的實驗電路設計過程

為了驗證猜想,通過設計實驗看到電流緩慢增大過程:

(1)要看到電流的變化,可以用燈泡串在回路中如圖4(b)進行觀察;

(2)實驗中燈泡緩慢變亮但現(xiàn)象不明顯,需改進;

(3)用對照組,并聯(lián)一條支路來對比觀察如圖4(c),開關閉合時,現(xiàn)象直觀明顯.

有通電自感,當然也有斷電自感,如圖5實驗中,開關S斷開會有自感現(xiàn)象嗎?實驗中發(fā)現(xiàn),A、B兩燈泡立即熄滅.對此先分析回路,開關閉合時,A、B燈是并聯(lián)的,開關斷開時,亮燈變成串聯(lián),A、B一起熄滅,不分先后.重新設計實驗,以達到觀察斷電自感的目的,圖5(a)中斷開開關,沒有回路,電流不存在,觀察不到自感現(xiàn)象;圖5(b)電路圖中,斷開開關后有回路,但導線直接把電源短路,不可取.

圖5 探究斷電自感的實驗電路設計過程

學生在圖5(b)的基礎上再改進實驗,提出把線圈旁邊的燈泡移到導線上如圖5(c),并猜想,在開關由閉合變成斷開時,燈泡將會閃亮.這樣再進行的實驗,現(xiàn)象明顯,猜想正確.

在上述實驗教學過程中,對于一個線圈而言,學生從親自體驗自感的威力開始思考并探究,確定單個線圈對自身也會有電磁感應的效果,并推測該效果為阻礙電流的變化.為了看到這個現(xiàn)象,驗證自己的猜想,大家設計通電自感和斷電自感的實驗和電路,在設計過程中及時反饋并討論實驗的可行性、直觀性、可比性,在通電自感電路需要加上對照組,在斷電自感需要和自己經(jīng)歷的實驗相聯(lián)系.這些都需要學生細心的觀察,讓他們真正模擬了一次科學家分析、解決問題的思維及實踐過程,使學生體會到如何面對疑難情境,學會搜集和加工新資料,最終達到問題解決、獲得理性認識目的的探究過程.

3 結(jié)束語

在物理教學過程中,通過挖掘、創(chuàng)新實驗教學活動,除了可以提升實驗演示效果,還可以針對性地提高學生的觀察、思考、操作等應用能力.發(fā)揮學生在物理實驗教學中的主體作用,激發(fā)其主動性和積極性.同時通過引導學生參與,幫助其建立培養(yǎng)“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”和“科學態(tài)度與責任”,提升他們在物理學科中的核心素養(yǎng).以此培養(yǎng)提升學生的“真實性學力”,為其在今后的學習生涯乃至離開校園后的自主高質(zhì)量學習提供保障.