指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)物理規(guī)律教學(xué)研究*
——以“法拉第電磁感應(yīng)定律”為例

楊雅婷 畢皓天 蔡武德

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

1 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式

從物理教學(xué)的角度可將物理規(guī)律分為實驗規(guī)律、理想規(guī)律和理論規(guī)律3種類型[1-2].目前,國內(nèi)學(xué)者關(guān)于物理規(guī)律的教學(xué)過程已有多種闡釋[3-5],對深度學(xué)習(xí)的發(fā)生機制提出了多種觀點[6-9].結(jié)合深度學(xué)習(xí)與中學(xué)物理規(guī)律教學(xué)的特點,構(gòu)建“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”,如圖1所示.首先,教師通過創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,提出猜想和假設(shè),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;其次,根據(jù)物理規(guī)律的類型引導(dǎo)學(xué)生完成實驗探究或直接通過邏輯推理發(fā)展學(xué)生的高階思維;再次,學(xué)習(xí)物理規(guī)律的目的是運用規(guī)律解決問題,深度學(xué)習(xí)最終由學(xué)生的實踐能力和問題解決能力的提升來體現(xiàn);最后,教師可通過多種方式完善評價體系,延續(xù)深度學(xué)習(xí).

圖1 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式

2 “法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)案例

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象、反映其本質(zhì)的重要規(guī)律,在電磁學(xué)中起到承上啟下的作用.《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》對該內(nèi)容的要求是“通過實驗,理解法拉第電磁感應(yīng)定律”[10].結(jié)合上文已構(gòu)建的“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”,在教材所給實驗裝置的基礎(chǔ)上加以改進,將信息技術(shù)與物理教學(xué)深度融合.引導(dǎo)學(xué)生使用實驗器材設(shè)計并完成層層遞進的定量探究實驗,得到感應(yīng)電動勢的大小與各個因素之間的數(shù)量關(guān)系.通過體驗物理規(guī)律的提煉過程,降低學(xué)生的思維跨度,促進學(xué)生對法拉第電磁感應(yīng)定律的理解.“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)框架”如圖2所示.

圖2 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)框架

2.1 創(chuàng)設(shè)情境 誘發(fā)深度思考

學(xué)生活動：兩位學(xué)生上臺使用線圈和磁鐵做成的“手搖發(fā)電機”將小燈泡點亮,比較誰的燈泡更亮,發(fā)現(xiàn)搖速越快,燈泡越亮.

教師設(shè)疑:感應(yīng)電流的大小會不會與某些因素有關(guān)?

學(xué)生猜想:可能與磁場強度、轉(zhuǎn)速、線圈大小、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線粗細等因素有關(guān).

設(shè)計意圖:導(dǎo)入是深度探究的開始,有效的情境創(chuàng)設(shè)有利于生成有探究價值的問題,調(diào)動學(xué)生設(shè)計實驗驗證猜想的積極性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,誘發(fā)深度思考.

2.2 師生互動 深化實驗探究

教師活動：提供各種規(guī)格的線圈、導(dǎo)線、條形磁鐵、靈敏電流計等器材,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗讓靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)盡可能大.

學(xué)生活動:小組合作進行實驗探究,并上臺展示、分析實驗方案,總結(jié)出感應(yīng)電流的大小與磁鐵運動速度v、磁感應(yīng)強度B、線圈的橫截面積S、線圈匝數(shù)n等因素有關(guān).

教師帶領(lǐng)學(xué)生分析各個因素:磁鐵運動的速度v實際上反映了磁鐵通過線圈的時間Δt長短,磁感應(yīng)強度B和線圈的橫截面積S共同決定了磁通量.

教師設(shè)疑:感應(yīng)電流的大小是否由磁通量的大小決定呢?

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察以下靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況:(1)在線圈中插入兩根磁鐵,將兩根磁鐵同時拔出;(2)插入兩根磁鐵,只拔出一根磁鐵.

學(xué)生活動:發(fā)現(xiàn)兩次實驗中磁通量是相同的,但第二次實驗中靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)變小了,總結(jié)出感應(yīng)電流的大小與磁通量的變化量ΔΦ有關(guān).

教師活動:引導(dǎo)學(xué)生歸納出感應(yīng)電流大小與線圈匝數(shù)n、磁通量的變化量ΔΦ、磁鐵通過線圈的時間Δt有關(guān).并將感應(yīng)電流與電路中產(chǎn)生恒定電流的條件進行類比分析,進一步總結(jié)得出感應(yīng)電動勢的概念[11].

設(shè)計意圖:通過設(shè)計分組實驗,讓學(xué)生親自參與探究活動,定性探究影響感應(yīng)電動勢大小的因素.同時,教師通過有效提問引導(dǎo)學(xué)生主動思考,保持了主體思維參與的積極性.

教師活動:展示自制的法拉第電磁感應(yīng)定律定量實驗儀,如圖3所示,重點介紹在本實驗裝置中,使用ESP32單片機作為電壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指針式電壓表測量電壓,感應(yīng)電動勢的值可以通過phyphox傳感器軟件讀出.

圖3 法拉第電磁感應(yīng)定律定量實驗儀實物圖

教師提問:(1)實驗要采用什么科學(xué)方法?(2)如何設(shè)計實驗方案?

學(xué)生任務(wù)1:探究感應(yīng)電動勢E與線圈匝數(shù)n的定量關(guān)系.

實驗原理:控制磁通量的變化量ΔΦ和磁鐵通過線圈的時間Δt不變,線圈匝數(shù)n的改變通過換用不同匝數(shù)的線圈來實現(xiàn).

實驗過程:線圈高度距管口0.3 m時,將2個強磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,每次更換不同匝數(shù)的線圈,實驗數(shù)據(jù)如表1所示,計算機擬合圖像如圖4所示.

表1 感應(yīng)電動勢E實驗數(shù)據(jù)

圖4 感應(yīng)電動勢E與線圈匝數(shù)n的擬合圖像

學(xué)生任務(wù)2:探究感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量ΔΦ的定量關(guān)系.

實驗原理:控制線圈匝數(shù)n和磁鐵通過線圈的時間Δt不變,通過成倍增加強磁鐵的個數(shù)使磁感應(yīng)強度近似成倍疊加,從而控制穿過線圈的磁通量的變化量近似成倍增加[12].

實驗過程:分別將2、4、6個強磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,不改變線圈匝數(shù)和位置,實驗數(shù)據(jù)如表2所示,計算機擬合圖像如圖5所示.

表2 感應(yīng)電動勢E實驗數(shù)據(jù)

圖5 感應(yīng)電動勢E與磁感應(yīng)強度的倍增量nB的擬合圖像

學(xué)生任務(wù)3:探究感應(yīng)電動勢E與磁鐵通過線圈的時間Δt的定量關(guān)系.

實驗原理:控制線圈匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ不變,將線圈移至不同高度即可使磁鐵到達線圈時獲得不同速度,從而改變磁鐵通過線圈的時間.

實驗過程:將2個強磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,先后穿過距管口上端分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m處放置的相同匝數(shù)的線圈,實驗數(shù)據(jù)如表3所示,計算機擬合圖像如圖6所示.

表3 感應(yīng)電動勢E實驗數(shù)據(jù)

圖6 感應(yīng)電動勢E與線圈到管口距離平方根的定量關(guān)系

設(shè)計意圖:探究是通過實驗和邏輯推理,驗證猜想、得出結(jié)論的過程.定量探究實驗使物理規(guī)律的得出有數(shù)據(jù)支撐,符合學(xué)生的認知規(guī)律,增強了實驗的說服力[13].

2.3 邏輯推理 促進深度理解

教師活動:結(jié)合物理學(xué)史總結(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達式.

設(shè)計意圖:物理實驗規(guī)律是在觀察和實驗的基礎(chǔ)上,通過分析歸納總結(jié)出來的.教師通過可視化的方式結(jié)合講授,引導(dǎo)學(xué)生采用信息化的分析手段處理實驗數(shù)據(jù)最終得出結(jié)論的過程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維,提高了學(xué)生探究與創(chuàng)新能力.

2.4 解決問題 彰顯深度應(yīng)用

學(xué)生活動：求解在各種情境中導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小.

設(shè)計意圖:深度學(xué)習(xí)意味著遷移與應(yīng)用.通過設(shè)計難度漸增的情境,讓學(xué)生靈活應(yīng)用物理規(guī)律解決實際問題,有效實現(xiàn)了學(xué)生對知識的深度理解,進一步發(fā)展了學(xué)生的高階思維[12].

2.5 總結(jié)評價 落實深度學(xué)習(xí)

學(xué)生活動：(1)對本節(jié)課的實驗設(shè)計和結(jié)論進行分析和反思,包括誤差分析和改進方案等;(2)用思維導(dǎo)圖的形式回顧并梳理本節(jié)課所學(xué)的知識;(3)課后完成練習(xí),查閱相關(guān)資料了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)生活中的應(yīng)用;(4)完成反思評價單.

教師活動:通過學(xué)生練習(xí)情況分析該教學(xué)模式促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效性,并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)成果及時進行評價.

設(shè)計意圖:該過程既可以鍛煉學(xué)生的分析歸納能力,又能展現(xiàn)出學(xué)生對于該部分知識理解的深度,有助于教師了解學(xué)生的思維水平,從而落實學(xué)生的深度學(xué)習(xí).

3 結(jié)束語

物理規(guī)律是中學(xué)物理教學(xué)的重點.經(jīng)過課堂實踐,“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”可以很好地運用于實驗規(guī)律的教學(xué),能夠有效降低物理規(guī)律的學(xué)習(xí)難度,從而達到促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的.