基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的“滬科版”《科學(xué)探究：電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)》說課

蓋家祥

摘 要：在初中物理教學(xué)參考資料中，關(guān)于電動(dòng)機(jī)的教學(xué)分析和設(shè)計(jì)資料不多。筆者參考了初中物理各版本教科書，基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念，以“滬科版”教科書第十七章第三節(jié)《科學(xué)探究：電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)》為例，設(shè)計(jì)了一種能充分體現(xiàn)物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)特色的教學(xué)思路，把教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)、交互仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并將該設(shè)計(jì)以說課的形式呈現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；科學(xué)探究；課程標(biāo)準(zhǔn)；說課

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）12-0062-4

《科學(xué)探究：電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)》是“滬科版”《物理》第十七章第三節(jié)的內(nèi)容，本文從教材學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程和評(píng)價(jià)反思四個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

1 教材學(xué)情分析

第十七章共有三節(jié)：第一節(jié)《磁是什么》介紹了簡(jiǎn)單的磁現(xiàn)象；第二節(jié)《電流的磁場(chǎng)》研究電生磁；本節(jié)是第三節(jié)，研究電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，是一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課。簡(jiǎn)單地說，本節(jié)內(nèi)容包括了兩個(gè)部分：探究一條科學(xué)規(guī)律（通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力）和認(rèn)識(shí)一種生活應(yīng)用（電動(dòng)機(jī)）。學(xué)生對(duì)電動(dòng)機(jī)比較感興趣，但對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理并不熟悉。特別是由于學(xué)生的抽象思維能力不強(qiáng)，所以較難理解換向器的作用。

2 教學(xué)目標(biāo)分析

筆者根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求[1]，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際和自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，制定了本節(jié)課的三維教學(xué)目標(biāo)。

（1）知識(shí)與技能

①通過實(shí)驗(yàn)，知道通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的方向與哪些因素有關(guān)。

②通過探究，能說出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。

（2）過程與方法

經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，體會(huì)簡(jiǎn)化法、模型法在科學(xué)研究中的重要性。

（3）情感態(tài)度與價(jià)值觀

體會(huì)科學(xué)研究過程的艱辛和樂趣，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

本節(jié)課將和學(xué)生一起探究電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)“轉(zhuǎn)動(dòng)”。先探究為什么“動(dòng)”，再探究為什么“轉(zhuǎn)”，達(dá)成知識(shí)目標(biāo)。其中受力“動(dòng)”是重點(diǎn)，受力“轉(zhuǎn)”是難點(diǎn)。學(xué)生將經(jīng)歷探究全過程，從而達(dá)成過程與方法和情感態(tài)度與價(jià)值觀的目標(biāo)。

3 教學(xué)過程分析

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，筆者制定了四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：引入轉(zhuǎn)動(dòng)、感受轉(zhuǎn)動(dòng)、探究轉(zhuǎn)動(dòng)和總結(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖1）。

（1）引入“轉(zhuǎn)動(dòng)”

首先，從生活中的電風(fēng)扇、滾筒洗衣機(jī)等家用電器引入電動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

（2）感受“轉(zhuǎn)動(dòng)”

由于家用電器的外殼遮擋住了電動(dòng)機(jī)，學(xué)生難以直觀認(rèn)識(shí)其結(jié)構(gòu)。所以設(shè)置第二個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生感受電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

利用小電動(dòng)機(jī)模型，解決學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：（圖2）讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來。在這個(gè)過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)了電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件（磁體和線圈），而且明確了本節(jié)課的研究主線（一個(gè)主體——線圈），線圈只要滿足“在磁場(chǎng)中”“通電”兩個(gè)條件，就可以發(fā)生受力轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果。

但是學(xué)生直接研究線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)太復(fù)雜，應(yīng)對(duì)他們進(jìn)行引導(dǎo)：一組線圈太復(fù)雜可先研究一個(gè)線圈，一個(gè)線圈太復(fù)雜可先研究一條邊。讓學(xué)生體會(huì)簡(jiǎn)化法在物理學(xué)研究中的重要性和必要性。到此，本節(jié)課由生活現(xiàn)象走進(jìn)了物理本質(zhì)（圖3）。接下來面臨的問題就是讓一條邊在磁場(chǎng)中通電動(dòng)起來，從而引導(dǎo)學(xué)生探究“動(dòng)”。

（3）探究“轉(zhuǎn)動(dòng)”

用金屬鋁棒表示邊。筆者摒棄了很多資料中提到的用電磁鐵替換U形磁鐵[2]，用鋁箔紙及牙膏皮做成金屬棒或者懸掛金屬棒等實(shí)際現(xiàn)象并不明顯的做法，用空心鋁棒代替金屬棒[3]，找到了磁感應(yīng)強(qiáng)度高達(dá)1 T的強(qiáng)磁鐵，使金屬棒受的安培力比較大。這樣，只需一節(jié)1.5 V的干電池，就可以使實(shí)驗(yàn)效果十分明顯（圖4a）。

通過演示實(shí)驗(yàn)讓金屬棒動(dòng)起來，學(xué)生也就從有形的動(dòng)中發(fā)現(xiàn)了無形的力。接著向他們拋出一個(gè)問題：你能用小組的器材也讓金屬棒動(dòng)起來嗎？學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（圖4b），在實(shí)驗(yàn)的過程中他們發(fā)現(xiàn)，有的小組金屬棒動(dòng)的方向和演示實(shí)驗(yàn)不同，不同的小組金屬棒動(dòng)的方向也可能不同。于是，他們提出了一個(gè)很有探究價(jià)值的問題：金屬棒的受力方向到底和哪些因素有關(guān)呢？進(jìn)而進(jìn)一步進(jìn)行探究。

在這個(gè)環(huán)節(jié)里，筆者設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)有效降低了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的難度。學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)所經(jīng)歷的科學(xué)過程，自主建構(gòu)了相關(guān)知識(shí)，即力的方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)。這樣，筆者和學(xué)生一起明確了本節(jié)課的重點(diǎn)——探究“動(dòng)”，也就為后面的探究“轉(zhuǎn)”做好了鋪墊。

研究“邊”是為了研究“圈”，探究“動(dòng)”是為了探究“轉(zhuǎn)”。本節(jié)課又從物理本質(zhì)走向了社會(huì)應(yīng)用（圖5）。學(xué)生會(huì)考慮，如果一個(gè)圈在磁場(chǎng)中通電，會(huì)有什么效果呢？有的猜想轉(zhuǎn)，有的猜想不轉(zhuǎn)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，此處必須有合適的演示實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)學(xué)生的猜想。

筆者利用單匝線圈進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)（圖6a）。學(xué)生觀察線圈就會(huì)發(fā)現(xiàn)，線圈其實(shí)只轉(zhuǎn)了一點(diǎn)，但是沒有持續(xù)轉(zhuǎn)下去，為什么會(huì)這樣呢？筆者要用動(dòng)態(tài)Flash仿真實(shí)驗(yàn)（圖6b）進(jìn)行細(xì)節(jié)的分析。提三個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生思考：“為什么紅邊受力向上，藍(lán)邊受力卻向下？為什么線圈轉(zhuǎn)到豎直方向停不下來？為什么線圈轉(zhuǎn)過豎直方向又轉(zhuǎn)不下去？”根據(jù)之前學(xué)生建構(gòu)的知識(shí)，他們可以分析出：就是因?yàn)檫@里紅藍(lán)邊的受力方向沒有改變，所以這兩個(gè)力又把線圈拉回來了。筆者立即拋出一個(gè)新問題：你如何讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)下去呢？這里學(xué)生會(huì)給出很多方案，有的說可以顛倒N、S極，有的說可以顛倒電源正負(fù)極，有的說此時(shí)可以斷開開關(guān)一段時(shí)間后再閉合。對(duì)他們給出的這些方案給予肯定：科學(xué)家從理論上也是這么考慮的，但是真正操作起來比較難實(shí)現(xiàn)。工程師給科學(xué)家提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的元件，就解決了這個(gè)難題。此時(shí)，學(xué)生的目光就集中到了筆者手中的換向器上。只需要在剛才的單匝線圈上加一個(gè)小小的換向器，就能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。（圖7a）線圈轉(zhuǎn)起來了，為什么會(huì)這樣呢？還要利用仿真實(shí)驗(yàn)（圖7b），進(jìn)行細(xì)節(jié)的再現(xiàn)。

由于之前有了“轉(zhuǎn)”的鋪墊，此時(shí)學(xué)生通過小組討論，就可以知道為什么加上換向器，線圈就能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了。設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)，主要是想讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到換向器是一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)而非科學(xué)理論的創(chuàng)新，讓他們感受換向器的巧妙。

這樣，在探究“轉(zhuǎn)”的環(huán)節(jié)中，通過兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，就突破了“轉(zhuǎn)”這個(gè)難點(diǎn)。

此時(shí)，本節(jié)課的主要內(nèi)容（探究“轉(zhuǎn)動(dòng)”）就完成了（圖8）。最后，筆者為學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了總結(jié)提升（圖9）。

（4）總結(jié)“轉(zhuǎn)動(dòng)”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一條規(guī)律，工程師發(fā)明一件應(yīng)用，從發(fā)現(xiàn)到發(fā)明的過程是漫長而艱辛的，既要有科學(xué)理論的指引，又要有關(guān)鍵部件的技術(shù)創(chuàng)新。隨著電動(dòng)機(jī)的大量應(yīng)用，人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代，導(dǎo)致了第二次工業(yè)革命的產(chǎn)生。如此總結(jié)，既明確了科學(xué)家和工程師的職業(yè)分化，為學(xué)生的職業(yè)規(guī)劃起到了萌芽性質(zhì)的指導(dǎo)作用。同時(shí)，又滲透了物理學(xué)史，使情感態(tài)度價(jià)值觀教學(xué)目標(biāo)得到體現(xiàn)。

4 自我評(píng)價(jià)反思

本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，共設(shè)計(jì)了兩個(gè)分組實(shí)驗(yàn)，三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)以及兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了物理以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科特色（圖10）。

本節(jié)課從生活中的家用電器引入電動(dòng)機(jī)，在和學(xué)生一起探究物理規(guī)律和社會(huì)應(yīng)用的過程中，突破了“動(dòng)”“轉(zhuǎn)”的難點(diǎn)。踐行了《課程標(biāo)準(zhǔn)》“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)”的理念（圖11）。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉強(qiáng).談?wù)劥艌?chǎng)對(duì)電流的作用實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理教學(xué)探討，2002，20（11）：20—21.

[2]楊英君.空心通電導(dǎo)體的制作與應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2009，27（9）：60—61.

（欄目編輯 鄧 磊）