學(xué)力目標(biāo)指引下以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升物理學(xué)科素養(yǎng)
——以“互感和自感”為例

張玲芳

(常熟市中學(xué),江蘇 常熟 215500)

文章以“互感和自感”為例,以提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)為目標(biāo),精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).通過優(yōu)化教學(xué)流程、完善經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具等方式,形成三個(gè)實(shí)際案例,以供參考.

1 創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑

1.1 堅(jiān)持“真實(shí)性學(xué)力”的目標(biāo)導(dǎo)向

區(qū)別于傳統(tǒng)浮于表面、回避學(xué)習(xí)本質(zhì)的“應(yīng)試學(xué)力”,所謂“真實(shí)性學(xué)力”是指以思考力、判斷力、表達(dá)力為核心的學(xué)力.不是對(duì)既有知識(shí)的再現(xiàn)而是引導(dǎo)新知識(shí)的產(chǎn)生,不是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶而是基于先行知識(shí)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(gè)學(xué)科共同的教學(xué)目標(biāo)[1].

1.2 堅(jiān)持物理課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心地位

對(duì)物理課程來說,“真實(shí)性學(xué)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(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)要素.而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)最直接也是最有效的手段.物理實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)觀察、操作和思維相互影響的過程.在教師的引導(dǎo)下,讓學(xué)生積極主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)探究過程中,引導(dǎo)學(xué)生模擬科學(xué)家分析問題、解決問題的思維及實(shí)踐過程,使學(xué)生體會(huì)到如何面對(duì)疑難情境,學(xué)會(huì)搜集和加工需要的新資料,最終達(dá)到問題解決、獲得理性認(rèn)識(shí)目的的探究過程,培養(yǎng)在真實(shí)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(jiān)持創(chuàng)新是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生命力

以往匹配“應(yīng)試學(xué)力”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以教師單項(xiàng)演示為主,或者是學(xué)生按部就班機(jī)械參與,學(xué)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(xué)效果一般.而創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)操作活動(dòng),是把物理與生活緊密結(jié)合,合理創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,充分利用日常生活中的小工具,設(shè)計(jì)或引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思物理理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生觀察、思考、操作、表達(dá)等綜合能力.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新不是對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典的顛覆,而是根植于時(shí)代的再生.

2 以“互感和自感”教學(xué)為例,創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)例研究

互感和自感是電磁感應(yīng)第四節(jié)內(nèi)容,是電磁感應(yīng)現(xiàn)象具體應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例.對(duì)互感、自感現(xiàn)象的研究,既是對(duì)電磁感應(yīng)定律的鞏固和深化,也將為以后學(xué)習(xí)交流電、電磁波奠定知識(shí)基礎(chǔ).另外,互感和自感的知識(shí)與人們?nèi)粘Ｉ钣兄芮械年P(guān)系,有著非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用.

案例(一):引入性實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)觀察激發(fā)興趣.

本人選擇這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)如圖1為學(xué)生激趣導(dǎo)入:有一個(gè)鐵芯和兩個(gè)線圈,一個(gè)線圈和220 V交流電相連,另一個(gè)線圈里面串有一個(gè)小燈泡但沒有電源,當(dāng)后者線圈套入鐵芯靠近第一個(gè)線圈時(shí),小燈泡亮了.

圖1 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

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

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

案例(二):探究性實(shí)驗(yàn),科學(xué)設(shè)問深入思考.

互感作為電磁感應(yīng)的延伸,從一個(gè)線圈中電流變化引起磁場(chǎng)的變化,導(dǎo)致另外一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,學(xué)生分析理解起來是比較輕松的.然而,對(duì)于互感的“互”字的理解,是我們?nèi)菀缀雎缘牟糠?為此,本人設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)和設(shè)問:如圖2中A線圈和手機(jī)音頻信號(hào)相連,B線圈和揚(yáng)聲器相連,當(dāng)A線圈放入B線圈中時(shí),從揚(yáng)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(hào)?音頻是強(qiáng)度和頻率隨時(shí)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(chǎng),導(dǎo)致B線圈中磁通量發(fā)生變化,B線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流,這就是從揚(yáng)聲器中聽到的音樂.

(2)B線圈中的電流,會(huì)不會(huì)使得A線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?揚(yáng)聲器中聽到和手機(jī)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(yīng)的條件,應(yīng)該會(huì)使得A線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).這個(gè)過程中A、B線圈之間確實(shí)一直在發(fā)生著相互感應(yīng)的現(xiàn)象.

在此基礎(chǔ)上,可以選擇互感現(xiàn)象的具體實(shí)例:

(1)手機(jī)無線充電的過程;

(2)利用探雷器和金屬探測(cè)儀探測(cè)金屬物品的過程;

(3)平時(shí)使用的飯卡、門禁卡和公交卡.

在教授新課時(shí)設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)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(shè)想的過程中提升其學(xué)習(xí)的創(chuàng)新力和思辨力.

案例(三):設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)思維驗(yàn)證猜想.

在自感學(xué)習(xí)之前,設(shè)計(jì)如圖3實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自行體驗(yàn)單個(gè)線圈的威力:用一節(jié)干電池、一個(gè)線圈、一個(gè)開關(guān)、4位同學(xué)為一組和若干導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn).體驗(yàn)自感過程:

圖3 學(xué)生體驗(yàn)自感的實(shí)驗(yàn)電路圖

(1)開關(guān)閉合前,學(xué)生的體會(huì)——“無感覺”;

(2)開關(guān)閉合后,學(xué)生的體會(huì)——“無感覺”;

(3)開關(guān)斷開瞬間,突然受到電擊——“很明顯的電擊感”.

當(dāng)電流變化時(shí),一個(gè)線圈會(huì)不會(huì)自身產(chǎn)生電磁感應(yīng)呢?根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn),答案是肯定的!在此體驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生思考這個(gè)問題:如圖4(a)中開關(guān)閉合時(shí),電流從無到有突然增大,請(qǐng)學(xué)生根據(jù)電磁感應(yīng)的條件和楞次定律的核心阻礙變化,學(xué)生判斷猜想回路中電流應(yīng)該慢慢增大.

圖4 探究通電自感的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)過程

為了驗(yàn)證猜想,通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行觀察;

(2)實(shí)驗(yàn)中燈泡緩慢變亮但現(xiàn)象不明顯,需改進(jìn);

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

有通電自感,當(dāng)然也有斷電自感,如圖5實(shí)驗(yàn)中,開關(guān)S斷開會(huì)有自感現(xiàn)象嗎?實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),A、B兩燈泡立即熄滅.對(duì)此先分析回路,開關(guān)閉合時(shí),A、B燈是并聯(lián)的,開關(guān)斷開時(shí),亮燈變成串聯(lián),A、B一起熄滅,不分先后.重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),以達(dá)到觀察斷電自感的目的,圖5(a)中斷開開關(guān),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(guān)后有回路,但導(dǎo)線直接把電源短路,不可取.

圖5 探究斷電自感的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)過程

學(xué)生在圖5(b)的基礎(chǔ)上再改進(jìn)實(shí)驗(yàn),提出把線圈旁邊的燈泡移到導(dǎo)線上如圖5(c),并猜想,在開關(guān)由閉合變成斷開時(shí),燈泡將會(huì)閃亮.這樣再進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),現(xiàn)象明顯,猜想正確.

在上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,對(duì)于一個(gè)線圈而言,學(xué)生從親自體驗(yàn)自感的威力開始思考并探究,確定單個(gè)線圈對(duì)自身也會(huì)有電磁感應(yīng)的效果,并推測(cè)該效果為阻礙電流的變化.為了看到這個(gè)現(xiàn)象,驗(yàn)證自己的猜想,大家設(shè)計(jì)通電自感和斷電自感的實(shí)驗(yàn)和電路,在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)反饋并討論實(shí)驗(yàn)的可行性、直觀性、可比性,在通電自感電路需要加上對(duì)照組,在斷電自感需要和自己經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系.這些都需要學(xué)生細(xì)心的觀察,讓他們真正模擬了一次科學(xué)家分析、解決問題的思維及實(shí)踐過程,使學(xué)生體會(huì)到如何面對(duì)疑難情境,學(xué)會(huì)搜集和加工新資料,最終達(dá)到問題解決、獲得理性認(rèn)識(shí)目的的探究過程.

3 結(jié)束語

在物理教學(xué)過程中,通過挖掘、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng),除了可以提升實(shí)驗(yàn)演示效果,還可以針對(duì)性地提高學(xué)生的觀察、思考、操作等應(yīng)用能力.發(fā)揮學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主體作用,激發(fā)其主動(dòng)性和積極性.同時(shí)通過引導(dǎo)學(xué)生參與,幫助其建立培養(yǎng)“物理觀念”“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”,提升他們?cè)谖锢韺W(xué)科中的核心素養(yǎng).以此培養(yǎng)提升學(xué)生的“真實(shí)性學(xué)力”,為其在今后的學(xué)習(xí)生涯乃至離開校園后的自主高質(zhì)量學(xué)習(xí)提供保障.