還原歷史本來(lái)面目 展示科學(xué)探究魅力——談“電磁感應(yīng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

雷三林

(浙江省安吉縣昌碩高級(jí)中學(xué),浙江 安吉 313300)

筆者充分尊重運(yùn)用史實(shí),對(duì)“電磁感應(yīng)”進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)踐,聽(tīng)課學(xué)生、教師普遍有耳目一新的感覺(jué),受到他們的認(rèn)可和好評(píng).

設(shè)計(jì)思想:秉承素質(zhì)教育的精神,以史為鑒,充分利用科學(xué)史料,向?qū)W生展現(xiàn)科學(xué)歷程,習(xí)得科學(xué)方法,領(lǐng)悟科學(xué)精神,建立科學(xué)發(fā)展的價(jià)值取向.

教學(xué)模式流程圖(見(jiàn)圖1).

圖1

1 回顧歷史 創(chuàng)設(shè)情境

師:19世紀(jì)工業(yè)革命席卷了整個(gè)歐洲.歐洲科學(xué)的發(fā)展走在了整個(gè)人類(lèi)的前列.1800年意大利科學(xué)家伏打(展示伏打照片)制造了伏打電堆(利用化學(xué)原理),第一次使人類(lèi)獲得了持續(xù)電流.伏打電堆能夠提供持續(xù)電流,但造價(jià)高、電流微弱.人們想有沒(méi)有其他產(chǎn)生電流的方法呢？1820年丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特(展示奧斯特照片)發(fā)現(xiàn)電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng).這個(gè)發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了整個(gè)科學(xué)界.

教師演示重現(xiàn)奧斯特實(shí)驗(yàn).

教師質(zhì)疑:電能生磁,磁能生電嗎？

2 重演歷史 合作探究

1821年,法拉第(展示法拉第照片)同樣思考了這個(gè)問(wèn)題.

(1)初步探究.

師:如果你是當(dāng)時(shí)的法拉第,你會(huì)做什么樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)猜想呢？

生:用一個(gè)閉合的電路,旁邊放上磁鐵,用電流表測(cè)電路有沒(méi)有電流產(chǎn)生.

(教師實(shí)驗(yàn)演示,結(jié)果失敗)

教師介紹當(dāng)時(shí)法拉第的想法:用通電螺線管感應(yīng)出電流.結(jié)果同樣失敗了.

法拉第進(jìn)行了其他很多的嘗試,都遭遇了失敗.在日記中寫(xiě)下了“毫無(wú)反應(yīng)”、“不行”等詞語(yǔ),記錄了當(dāng)時(shí)艱辛的探索.但法拉第說(shuō):“如果實(shí)驗(yàn)不能成功,只能說(shuō)明我還不善于處理它.就是實(shí)驗(yàn)不能成功,也應(yīng)該找出它的原因來(lái).”有一個(gè)時(shí)期,他的背上總背著一個(gè)電磁線圈模型,一有空他就拿出來(lái)比劃琢磨(圖2).

圖2

圖3

終于有一次他冒出了這樣的想法:把線圈A與電源、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線串聯(lián),線圈B引出導(dǎo)線形成閉合回路.旁邊放一個(gè)小磁針.閉合或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),如發(fā)現(xiàn)小磁針偏轉(zhuǎn),則說(shuō)明有感應(yīng)電流產(chǎn)生.(圖3)

教師演示法拉第當(dāng)年實(shí)驗(yàn).學(xué)生說(shuō)出觀察到的現(xiàn)象:閉合或斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),發(fā)現(xiàn)電流表指針偏轉(zhuǎn).

教師追問(wèn):電流穩(wěn)定時(shí)呢？

生:不會(huì)偏轉(zhuǎn).(觀察實(shí)驗(yàn))

1831年的8月29日,法拉第終于發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)電流,經(jīng)歷了整整10年的探索.那我們不禁要想:為什么他前面的實(shí)驗(yàn)會(huì)失敗呢？

(2)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn).

生1:可能是開(kāi)始沒(méi)鐵芯？

教師去掉鐵芯,演示實(shí)驗(yàn).依然有感應(yīng)電流.

生2:是否有可能是電生電啊？不一定是磁生電？

教師用磁鐵插入線圈,演示實(shí)驗(yàn).依然有感應(yīng)電流.

教師總結(jié):控制原電路電流有無(wú)能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流;將條形磁鐵插入和拔出螺線管能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流.它們的共同點(diǎn)是什么在變化？

生:磁場(chǎng).

師:這樣我們就明白了為什么感應(yīng)電流總是產(chǎn)生在開(kāi)關(guān)閉合、斷開(kāi)瞬間,因?yàn)槟莻€(gè)瞬間磁場(chǎng)發(fā)生了變化.

(3)拓展思考.

師:這10年間其他的科學(xué)家有沒(méi)有一些發(fā)現(xiàn)呢？

生:克拉頓當(dāng)年用條形磁鐵插入、拔出線圈也做過(guò)類(lèi)似實(shí)驗(yàn).為了防止小磁針被條形磁鐵磁化,他把小磁針和線圈放在兩個(gè)房間,他把磁鐵插入線圈后再跑到另一房間看小磁針是否偏轉(zhuǎn).當(dāng)他跑到另一個(gè)房間的時(shí)候,小磁針已經(jīng)不偏轉(zhuǎn)了.結(jié)果,他沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象.

教師在表示惋惜時(shí)問(wèn):有沒(méi)有辦法挽救??？

生:找個(gè)助手在另一個(gè)房間看就行了.

教師感慨:為什么他不找呢？

生:他不知道會(huì)發(fā)生在閉合、斷開(kāi)瞬間啊！

師:貝弗里奇說(shuō)過(guò)“做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,如果我們僅注意那些預(yù)期的事物,就很可能錯(cuò)過(guò)意料之外的現(xiàn)象.而這些現(xiàn)象,盡管開(kāi)始時(shí)令人不解,卻最可能導(dǎo)致意想不到的重要事實(shí)的發(fā)現(xiàn).”

3 形成規(guī)律 總結(jié)提升

(1)初步結(jié)論.

1831年11月法拉第在向英國(guó)皇家協(xié)會(huì)遞交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中第一次提出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的定義:置于磁場(chǎng)中的閉合電路因磁場(chǎng)變化而在電路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)現(xiàn)象.

(2)提出新概念.

學(xué)生總結(jié)感應(yīng)電流產(chǎn)生的各種情況:①變化的電流;②運(yùn)動(dòng)的磁體;③變化的磁場(chǎng);④磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體;⑤運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流(法拉第當(dāng)年補(bǔ)充).

師:開(kāi)始電磁感應(yīng)現(xiàn)象就是這樣描述的.但一個(gè)物理結(jié)論這樣敘述好嗎？為什么？

生:不好,不夠簡(jiǎn)潔.

師:我們知道物理學(xué)有簡(jiǎn)單、普適之美,一定可以從紛繁的物理現(xiàn)象中找到統(tǒng)一性進(jìn)行概括.物理學(xué)每遇到新問(wèn)題就會(huì)促使新概念的產(chǎn)生.請(qǐng)大家看圖片4.

由于兩線圈處磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同穿過(guò)它們平面的磁感線條數(shù)也不同.我們定義物理學(xué)一個(gè)新概念——磁通量.

穿過(guò)閉合電路磁感線的多少叫穿過(guò)這個(gè)閉合電路的磁通量.

圖4

圖5

請(qǐng)學(xué)生判斷圖5中磁通量的大小變化.上圖圓形彈性線圈收縮,下圖矩形線圈在旋轉(zhuǎn).

師:有了磁通量的概念,大家猜想穿過(guò)這個(gè)閉合電路的磁通量怎么樣就可以產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

生:變化.

師:那我們就試試從這個(gè)角度解釋上面的5種情況.

教師展示圖片6(運(yùn)動(dòng)的磁體)、展示圖片7(磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體),請(qǐng)學(xué)生解釋,強(qiáng)調(diào)哪個(gè)構(gòu)成閉合回路.

師:我們成功解釋了運(yùn)動(dòng)的磁體、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流的情形,那么變化的電流、變化的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流呢？我們自己實(shí)驗(yàn)并解釋.

學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作并解釋看到的現(xiàn)象.

學(xué)生總結(jié):不管什么原因,只要穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化,該回路就一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

圖6

圖7

4 聯(lián)系生活 運(yùn)用規(guī)律

(1)結(jié)合生活.

師:我們身處在地磁場(chǎng)之中,如圖8.能否利用地磁場(chǎng)發(fā)電呢？如果能,也說(shuō)明了地磁場(chǎng)的存在??！

教師拿出導(dǎo)線繩和電流表構(gòu)成閉合回路,請(qǐng)學(xué)生思考怎么樣才能發(fā)電呢？

生:搖繩！

師:那我們?cè)囋嚢?學(xué)生上下、左右搖繩實(shí)驗(yàn).

圖8

(2)結(jié)合生產(chǎn).

師:地磁場(chǎng)很微弱,雖然產(chǎn)生了感應(yīng)電流,但能讓燈泡發(fā)光嗎？

生:不能.

師:想要有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,那怎么辦呢？

生:增強(qiáng)磁場(chǎng).

教師拿出發(fā)電機(jī)模型,與電流表連接,搖動(dòng)手柄演示(圖9).教師展示世界上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)的圖片(圖10).

法拉第做此實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)時(shí)在場(chǎng)的一位貴婦人取笑他:“先生,你發(fā)明這個(gè)玩意有什么用呢？”法拉第平靜地問(wèn):“夫人,新生的嬰兒又有什么用呢？”

后來(lái),這個(gè)新生的嬰兒成長(zhǎng)為巨人,開(kāi)辟了我們電氣化時(shí)代.我們今天享受電給我們帶來(lái)各種便利的時(shí)候,不能忘記了這位偉大的科學(xué)家.

圖9

圖10

5 實(shí)踐后的體會(huì)和幾點(diǎn)建議

利用史學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,發(fā)展學(xué)生獨(dú)立思考和判斷的能力,這樣的教學(xué)模式能達(dá)到以下幾個(gè)效果.

(1)可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn):物理概念是科學(xué)家們?yōu)榱嗣枋鲆?guī)律方便人為引入的,而不是先天存在的.是可以為他們理解、接受、運(yùn)用的,甚至他們也可以自己定義概念.

(2)可以讓學(xué)生體會(huì):成功的經(jīng)驗(yàn)固然重要,失敗的教訓(xùn)更應(yīng)該總結(jié).讓學(xué)生真正體驗(yàn)?zāi)欠N通過(guò)峰回路轉(zhuǎn)百折不撓的探索終于登上豁然開(kāi)朗的峰頂時(shí)的喜悅,以及他們成功后不睦功名、甘于淡泊的崇高人格.

(3)可以讓學(xué)生了解:任何一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)都依賴于科學(xué)家群體的努力.正是有這樣一批精英才推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展,一些在現(xiàn)在看來(lái)是錯(cuò)誤的理論其實(shí)在當(dāng)時(shí)是很進(jìn)步和了不起的,從而樹(shù)立正確的價(jià)值觀,有助于學(xué)生歷史唯物主義和辯證唯物主義思想的形成.

筆者經(jīng)過(guò)具體實(shí)踐認(rèn)為要注意以下幾點(diǎn).

(1)物理學(xué)史的運(yùn)用不能簡(jiǎn)單貼標(biāo)簽,而要將內(nèi)容和教學(xué)有機(jī)地融合在一起.不能簡(jiǎn)單介紹物理學(xué)史,要用它來(lái)引發(fā)學(xué)生的思考,從而促進(jìn)學(xué)生掌握科學(xué)方法,提高科學(xué)思維能力.

(2)物理學(xué)史取材和處理要達(dá)到兩個(gè)要求:第一.取材要能啟發(fā)學(xué)生對(duì)新問(wèn)題產(chǎn)生自己的思考.第二.教師要引導(dǎo)學(xué)生順著科學(xué)家的思維脈絡(luò)去體驗(yàn)當(dāng)時(shí)人們是怎么思考這個(gè)問(wèn)題的.

(3)要用歷史唯物主義和辯證唯物主義的觀點(diǎn)看待一些在現(xiàn)在看來(lái)是錯(cuò)誤的理論,展示和說(shuō)明它先進(jìn)可取的一面,從而給學(xué)生一個(gè)完整、全面的認(rèn)識(shí).要啟發(fā)、引導(dǎo)思維的發(fā)展變化,從而促進(jìn)學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性.通過(guò)沖突會(huì)話和實(shí)驗(yàn)探究使學(xué)生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、善于交流、勤于動(dòng)手、樂(lè)于合作的良好科學(xué)態(tài)度和習(xí)慣.