陳美英

摘 要：本文以法拉第電磁感應(yīng)定律為例，通過問題作為導(dǎo)向，采用虛擬仿真實驗和真實實驗相結(jié)合的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生在探索問題的過程中，掌握物理研究方法，提升學(xué)生個人的思維能力、動手操作能力、觀察力等物理關(guān)鍵能力，達(dá)成更理想的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：問題解決；虛擬仿真實驗；物理關(guān)鍵能力

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的崇尚理性、重視邏輯推理的自然學(xué)科。它對客觀世界的規(guī)律做出了深刻揭示，并在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系，即從觀測或?qū)嶒炇聦嵵刑釤挸鑫锢韱栴}，嘗試用已知理論對問題做解釋、邏輯推理和數(shù)學(xué)演算等，最終得出規(guī)律[1]。本文在這個思想體系的引導(dǎo)下，以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生在嘗試探索問題的過程中，提升學(xué)生個人的思維能力、動手操作能力、觀察力等物理關(guān)鍵能力。同時，采用虛擬仿真實驗和真實實驗相結(jié)合的技術(shù)手段，突破難點(diǎn)，以期達(dá)成更理想的教學(xué)效果。

一、以問題解決為導(dǎo)向，培養(yǎng)關(guān)鍵能力的教學(xué)策略

以問題解決為導(dǎo)向的教學(xué)策略是一種高效的教學(xué)策略，教師對教材內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)精心加工，巧妙設(shè)計教學(xué)中的每一個環(huán)節(jié)，使之以問題的形式呈現(xiàn)在課堂上。讓學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和加以應(yīng)用的過程來達(dá)到教學(xué)目標(biāo)[2]。本文以“法拉第電磁感應(yīng)定律”為例具體闡述問題教學(xué)法融入課堂中的策略。

策略1：通過趣味物理學(xué)史，構(gòu)建情境提出問題

以問題解決為導(dǎo)向的教學(xué)，其目的是幫助學(xué)生探索知識并解決問題。物理學(xué)上一些規(guī)律的探索歷程充滿曲折、富有故事性，講述這些故事能夠激起學(xué)生的興趣，把注意力集中在故事中提出的物理問題上。以物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)有趣的問題情境能夠讓學(xué)生產(chǎn)生求知欲及內(nèi)在動力，引導(dǎo)學(xué)生針對問題進(jìn)行思考，引發(fā)其對相關(guān)知識的探索。因此，盡管趣味性問題并不決定問題本身的意義，但能確保問題的創(chuàng)設(shè)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。本節(jié)課通過展示法拉第制作世界上第一臺圓盤發(fā)電機(jī)的歷程，通過生動有趣的歷史故事，讓學(xué)生經(jīng)歷圓盤發(fā)電機(jī)的發(fā)明過程，體會其中的艱辛和最后的成功，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

策略2：通過科學(xué)設(shè)置問題鏈，導(dǎo)引學(xué)習(xí)方向

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)，很重要的價值在于通過問題設(shè)置，使得教學(xué)過程具有更明顯的針對性。這里的針對性是指問題引導(dǎo)學(xué)生探索和研究的內(nèi)容，是否直接指向知識點(diǎn)的核心內(nèi)容，即使是在對知識點(diǎn)進(jìn)行層級剖析的前提下，創(chuàng)設(shè)的問題也需要能夠精準(zhǔn)指向不同傾向的知識層級，保證學(xué)生擁有正確的探究方向，這是決定學(xué)生學(xué)習(xí)效率及學(xué)習(xí)活動有效性的關(guān)鍵因素[3]。因此，以問題引導(dǎo)課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)的問題是否具有相應(yīng)的指向性，是發(fā)揮問題教學(xué)應(yīng)有的教育作用的關(guān)鍵。本節(jié)課設(shè)置三個核心問題：影響感應(yīng)電流大小的因素；影響感應(yīng)電動勢大小的因素；感應(yīng)電動勢與磁通變化率大小的關(guān)系，引導(dǎo)整個課堂的方向，串聯(lián)起各個教學(xué)環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系。

策略3：通過層進(jìn)式子問題，啟發(fā)思考探究本質(zhì)

設(shè)置層層遞進(jìn)的問題，重視開發(fā)其探究性內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生一步步去解決問題，在探索的過程中逐漸養(yǎng)成強(qiáng)烈的探索欲。學(xué)生在充分考量問題的探究性內(nèi)容中獲得成就感，實現(xiàn)由問題驅(qū)動轉(zhuǎn)向求知欲驅(qū)動的內(nèi)化過程，逐漸養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)意識，這個過程對完善學(xué)生人格及知識體系發(fā)揮重要作用。本節(jié)課設(shè)置4個核心問題引導(dǎo)教學(xué)方向，以層進(jìn)式的子問題探究物理規(guī)律，例如表1中法拉第電磁感應(yīng)定律這節(jié)課設(shè)置的子問題。

核心問題 子問題 探究的物理概念、規(guī)律

問題1：影響感應(yīng)電流大小的因素 1.普通電路的電流由什么決定？

2.與普通電路對比，感應(yīng)電路中誰充當(dāng)電源，提供電動勢？

3.感應(yīng)電路中的電源電動勢的來源？ 感應(yīng)電動勢

問題2：影響感應(yīng)電動勢大小的因素 1.觀察實驗1：由實驗現(xiàn)象得出什么結(jié)論？

動手操作實驗2：由實驗現(xiàn)象得出什么結(jié)論？ 感應(yīng)電動勢的大小由磁通變化快慢決定。

問題3：感應(yīng)電動勢與磁通變化率大小的關(guān)系 1.觀察實驗裝置，感應(yīng)電動勢如何產(chǎn)生？

2.本套實驗裝置感應(yīng)電動勢的大小由什么決定？

3.傳感器如何與電路連接，并測量感應(yīng)電動勢和磁通變化率？

4.與電腦連接的圖像，反映出感應(yīng)電動勢和磁通變化率有什么關(guān)系？ 感應(yīng)電動勢與磁通變化率成正比。

問題4：如何應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律對第一臺發(fā)電裝置進(jìn)行

改進(jìn) 1.第一臺發(fā)電機(jī)電流小的原因是什么？

2.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電動勢由什么決定？

3.你將從哪些方面改進(jìn)發(fā)電機(jī)，從而增大它的電動勢？ 理論聯(lián)系實際，解決問題，發(fā)展物理關(guān)鍵能力。

表1

二、虛實結(jié)合的教學(xué)方法突破難點(diǎn)

高中物理采用問題教學(xué)法，除了教師對教學(xué)策略的精心安排，對教學(xué)難點(diǎn)的突破方法也很重要。本節(jié)課采用虛實結(jié)合的探究方法突破難點(diǎn)，虛擬仿真實驗作為一種以虛擬仿真技術(shù)為支撐的實驗教學(xué)新形式，通過圖形化界面模擬實物實驗的過程與效果，幫助學(xué)生直觀、形象地體驗實驗操作過程，具有沉浸式、高仿真、突破時間和空間的限制等特點(diǎn)，與真實實驗相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)中的不足，提高物理實驗的教學(xué)效果，優(yōu)化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)

能力[4]。

突破1：虛擬仿真實驗?zāi)M真實情景，構(gòu)建物理模型，還原歷史場景。

結(jié)合歷史上真實的圓盤發(fā)電機(jī)的圖片，用虛擬實驗再現(xiàn)法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的原型。讓學(xué)生更直觀了解第一臺發(fā)電機(jī)的原型，在腦海中構(gòu)建生動具體的物理模型，引起探究感應(yīng)電流大小的

欲望。

突破2：虛擬仿真實驗演繹動態(tài)實驗過程，解釋物理原理。

高中部分物理實驗本身不具備直觀性，例如本節(jié)課中電磁場部分，電場和磁場不可視、不可觸，不利于學(xué)生理解，虛擬仿真實驗通過電磁物理模型豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，幫助其知識的建構(gòu)，將抽象、不可視的物理世界形象化。本節(jié)課借助虛擬仿真軟件nobook內(nèi)的實驗，動態(tài)展示兩個實驗過程：1.定性探究感應(yīng)電動勢的大小與磁通變化快慢的關(guān)系。2.分析傳感器探究電動勢大小與磁通變化率關(guān)系的實驗原理。更清晰呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，對復(fù)雜抽象的實驗原理開展教學(xué)，將物理規(guī)律分步具象化，加深學(xué)生的印象和

理解。

突破3：模擬演練實驗操作過程，使教學(xué)過程更高效。

傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)過程中，由于學(xué)生對實驗器材不熟悉，教師耗費(fèi)大量時間糾正學(xué)生的實驗操作動作，導(dǎo)致課堂效率低。高中階段課程任務(wù)多、時間緊，學(xué)生無法在課下找到足夠的時間去完成課上未完成的物理實驗。而虛擬仿真實驗以計算機(jī)為依托，學(xué)生可在計算機(jī)上進(jìn)行實驗?zāi)M，熟悉實驗步驟，這樣能夠在實際實驗操作過程中減少失誤，提高學(xué)習(xí)活動效率。例如，本節(jié)課在探究感應(yīng)電動勢大小的活動之前，通過虛擬仿真實驗提前讓學(xué)生熟悉電路的連接。

突破4：通過真實實驗對比教學(xué)，內(nèi)化物理概念和規(guī)律

虛擬仿真實驗是按照計算機(jī)編程程序來模仿實際實驗，已提前預(yù)設(shè)了實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果，學(xué)生只需通過操作鼠標(biāo)即可完成相應(yīng)實驗操作，因此學(xué)生潛意識可能會認(rèn)為一切均是人為設(shè)置，從而在一定程度上懷疑實驗現(xiàn)象和結(jié)論的可靠性，不能完全信服實驗結(jié)果，并且失去了親自動手實踐的訓(xùn)練，其動手能力會大大降低[5]。因此，本節(jié)課在充分發(fā)揮虛擬仿真實驗優(yōu)勢的同時，結(jié)合了真實實驗開展教學(xué)。虛擬仿真實驗主要在實驗設(shè)計的修正、模擬操作練習(xí)、解釋原理、展示動態(tài)過程和實驗創(chuàng)新上；真實實驗重點(diǎn)放在儀器的規(guī)范操作和數(shù)據(jù)采集上。所以本節(jié)課通過兩個定性探究實驗和一個定量探究實驗，讓學(xué)生親身經(jīng)歷動手實踐探究物理規(guī)律的過程，真實感受感應(yīng)電動勢與磁通變化快慢的關(guān)系，從而落實物理核心素養(yǎng)（表2）

表2

三、以問題解決為導(dǎo)向，虛實結(jié)合的教學(xué)實踐步驟

（一）回顧知識點(diǎn)

通過兩個如圖1所示的虛擬仿真實驗提出問題：電磁感應(yīng)現(xiàn)象和產(chǎn)生條件，引導(dǎo)學(xué)生回憶感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：（1）閉合電路（2）磁通量變化。喚起學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的記憶，為接下來的新課做準(zhǔn)備。

圖1

（二）設(shè)置問題情境

教師展示法拉第圓盤發(fā)電機(jī)圖片，播放法拉第圓盤發(fā)電機(jī)虛擬仿真實驗并講述歷史故事：法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，不久之后就制作了世界上第一臺發(fā)電機(jī)——圓盤發(fā)電機(jī)，但這臺發(fā)電機(jī)只能產(chǎn)生微弱的電流，甚至無法讓一盞小燈泡發(fā)光，被當(dāng)時的人們嘲笑。由此引發(fā)學(xué)生思考：感應(yīng)電流的大小由什么決定？ 比較普通電路和感應(yīng)電路，普通電路電流由電源提供，對于電阻一定的電路，電流大小由電源電動勢決定。而感應(yīng)電路中的電源由導(dǎo)體棒或者螺線管等充當(dāng)，提供電動勢，這種由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動勢，叫感應(yīng)電動勢。

產(chǎn)生條件：穿過回路的磁通量發(fā)生變化。那電路需要閉合嗎？分析感應(yīng)電動勢的微觀本質(zhì)，由自由電子在磁場中運(yùn)動受到洛倫茲力引起導(dǎo)體兩端電勢差而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電路中只要磁通量發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，閉合回路進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。因此，討論感應(yīng)電流的大小就很有必要討論感應(yīng)電動勢的大小。

提出問題：影響感應(yīng)電動勢大小的因素，引發(fā)學(xué)生思考。

（三）定性實驗分析

針對學(xué)生的猜想設(shè)計了以下兩個實驗。

實驗1（圖2甲）：定性探究感應(yīng)電動勢的

大小

磁鐵穿過兩個相同的螺線管，觀察兩個同規(guī)格的二極管發(fā)光亮度。結(jié)合虛擬實驗（圖2乙）放慢實驗過程，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象。得出實驗結(jié)論：磁通變化量一定時，穿過回路的時間越短，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。

圖2

實驗2：學(xué)生分組探究感應(yīng)電動勢的大小

利用nobook虛擬仿真實驗（如圖3）連接實驗電路，練習(xí)實驗操作。然后真實操作實驗電路，改變A螺線管的磁感應(yīng)強(qiáng)度，讓A螺線管以相同的速度穿過B螺線管，觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)幅度。得出實驗結(jié)論：穿過回路的時間一定時，磁通變化量越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。

圖3

綜合以上兩個實驗，得出結(jié)論：感應(yīng)電動勢的大小E與磁通量變化的快慢有關(guān)，磁通量變化越快，感應(yīng)電動勢越大.

（四）定量實驗測量，得出結(jié)論

通過更精確的儀器電壓傳感器和磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器定量探究感應(yīng)電動勢E與磁通變化率的關(guān)系，實驗儀器和電路圖如圖4所示，利用虛擬實驗（圖5）介紹儀器的工作原理，通過改變圖6中與智能電源相連的內(nèi)管的電流，產(chǎn)生變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，圖中紅色部分外管產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。用傳感器分別記錄管中磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間變化圖像，和感應(yīng)電動勢E隨時間變化圖像（圖8），分析圖像，得出感應(yīng)電動勢與磁通變化率成

正比。

圖4

圖5

圖6

（五）練習(xí)

通過以下例題讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律公式

例題：在一個磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時間變化的磁場中，垂直于磁場方向放一個面積為0.10m2的線圈。在0.20s內(nèi)磁場各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度由0增大到0.30T，求線圈中的平均感應(yīng)電

動勢。

（六）生活應(yīng)用

討論如何改進(jìn)法拉第的第一臺圓盤發(fā)電機(jī)，增大感應(yīng)電流，提高發(fā)電效率。引導(dǎo)學(xué)生通過法拉第電磁感應(yīng)定律解決實際問題。通過增加匝數(shù)，用多組線圈取代原來的金屬圓盤，用電磁鐵取代磁鐵，用更大的動力驅(qū)動線圈轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生更大的電流，形成現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)。例如，利用水力驅(qū)動的水電站，利用風(fēng)力驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電站，核動力驅(qū)動的核電站。法拉第的電磁感應(yīng)定律為進(jìn)入電氣時代奠定了最重要的基礎(chǔ)，從第一臺發(fā)電機(jī)不能讓一盞燈泡發(fā)光，到現(xiàn)在的大功率發(fā)電站，從嬰兒到巨人的成長。介紹當(dāng)今世界上最大水電站——三峽電站，總裝機(jī)容量為2250萬千瓦，單機(jī)容量和總裝機(jī)規(guī)模均居世界第一，引發(fā)同學(xué)們的民族自豪。

結(jié)束語

愛因斯坦曾說過：“發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會了獨(dú)立思考和工作，他必定會找到自己的道路，并適應(yīng)進(jìn)步和變化?！惫P者認(rèn)為高中物理教學(xué)過程中通過問題作為教學(xué)的導(dǎo)向，最終目的應(yīng)是形成學(xué)生能夠運(yùn)用物理思想方法獨(dú)立思考問題并解決問題的思維。在這個過程中教師合理利用有效的信息技術(shù)手段，調(diào)動學(xué)生自發(fā)學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，充分發(fā)揮學(xué)生自主探索問題的主觀能動性，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，形成獨(dú)立人格。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：2022年度福州市教育信息技術(shù)研究課題“基于虛擬仿真實驗2.0的高中物理教學(xué)策略研究”（課題編號：FZDJ2022A27）。