POE和PBL教學(xué)策略下的物理實(shí)驗(yàn)探究
——以楞次定律為例

柳 佳

(蘇州中學(xué)園區(qū)校高中部 江蘇 蘇州 215000)

1 問(wèn)題的提出

物理教學(xué)不能僅限于學(xué)生獲得知識(shí),也應(yīng)重視物理課程對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).應(yīng)將“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”等落實(shí)于教學(xué)活動(dòng)中[1].但在實(shí)際的物理教學(xué)中,特別是對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,部分教師不探究,直接給出結(jié)論;部分教師“假”探究,只是按照教材的既定步驟講述一遍,沒(méi)有把注意力集中在以學(xué)生為主體,讓學(xué)生萌發(fā)問(wèn)題、觀察現(xiàn)象、收集信息、處理數(shù)據(jù)等,從而運(yùn)用邏輯推導(dǎo)和現(xiàn)有知識(shí)進(jìn)行科學(xué)論證和解釋,違背了核心素養(yǎng)的要求.

2 POE和PBL的概念

POE是Predict-Observe-Explain的縮寫(xiě).它是從學(xué)生理解科學(xué)的探究方法中演化而來(lái),建立在“觀察滲透”理論哲學(xué)觀念和建構(gòu)主義、前概念、概念轉(zhuǎn)變等教育理論基礎(chǔ)上的一種教學(xué)策略.該策略的基本程序是創(chuàng)設(shè)情境、學(xué)生預(yù)測(cè)、演示觀察、(教師引導(dǎo))學(xué)生解釋.

PBL是Problem-Based-Learning的縮寫(xiě).它是指以問(wèn)題為導(dǎo)向,強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境中以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、問(wèn)題為導(dǎo)向來(lái)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng),其基本程序是創(chuàng)設(shè)情境、提出問(wèn)題、尋找證據(jù)、解釋評(píng)估.

POE和PBL教學(xué)策略的共性都是在創(chuàng)設(shè)的情境中,以學(xué)生探究為主,教師引導(dǎo)為輔.PBL強(qiáng)調(diào)以問(wèn)題為導(dǎo)向,開(kāi)展學(xué)習(xí),評(píng)估交流.POE側(cè)重從實(shí)驗(yàn)入手,學(xué)生觀察,最終解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2].筆者認(rèn)為若將POE和PBL兩者結(jié)合,可以培養(yǎng)學(xué)生具有準(zhǔn)確表述問(wèn)題,解決過(guò)程與結(jié)果的意愿和能力,將科學(xué)探究能力的培養(yǎng)滲透在物理教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中,避免虛假形式的物理探究.

3 緊扣課程標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)

3.1 提出問(wèn)題 確定探究主題

在高中物理“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)探究課中,可先通過(guò)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置(圖1),讓學(xué)生自己動(dòng)手體驗(yàn)如何使靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的磁極插入和抽出線圈產(chǎn)生的電流方向不同.此舉目的是創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,激發(fā)學(xué)生的好奇,進(jìn)而提出問(wèn)題,即感應(yīng)電流的方向和哪些因素有關(guān),確定課堂探究學(xué)習(xí)的主題.

圖1 體會(huì)感應(yīng)電流產(chǎn)生過(guò)程

3.2 演示觀察 收集信息

為了更加直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,筆者對(duì)教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn).如圖2和圖3所示,在自制的輕質(zhì)小車上纏繞上500匝左右的銅質(zhì)線圈,將兩個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管正負(fù)極相反并聯(lián)在線圈上,如圖4所示.

圖2 改裝后的輕質(zhì)小車

圖3 強(qiáng)磁鐵

圖4 線圈中電流方向判斷

利用強(qiáng)磁鐵抽出、插入線圈,引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)而讓探究活動(dòng)真實(shí)地發(fā)生.

在具體實(shí)施時(shí),筆者認(rèn)為可以以任務(wù)為驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈如表1所示.以資源為載體、思維為主線、行為為中心展開(kāi)探究.

表1 實(shí)驗(yàn)記錄表

3.3 結(jié)果分析 交流評(píng)估

在表1中記錄探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生分析感應(yīng)電流的方向和哪些因素有關(guān).

學(xué)生討論:與車運(yùn)動(dòng)的方向無(wú)關(guān),與二極管的發(fā)光情況無(wú)關(guān),與原磁場(chǎng)的方向無(wú)關(guān),與磁通量的變化無(wú)關(guān).

至此,探究似乎陷入絕境.筆者繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生,從力的角度考慮小車運(yùn)動(dòng)的原因,引導(dǎo)學(xué)生分析線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生,而感應(yīng)電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),相當(dāng)于磁體,和原來(lái)的強(qiáng)磁鐵之間由于同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引的作用而致使小車運(yùn)動(dòng)起來(lái).這樣就順理成章地請(qǐng)學(xué)生們討論感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與表中其他信息的關(guān)聯(lián),最終得到楞次定律的結(jié)論,如圖5所示.

圖5 感應(yīng)電流產(chǎn)生過(guò)程

筆者認(rèn)為,通過(guò)改進(jìn)的探究實(shí)驗(yàn),以層層遞進(jìn)的問(wèn)題為導(dǎo)向,可以有效避免教科書(shū)中原實(shí)驗(yàn)關(guān)于“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)概念提出的突兀性,拒絕形式主義假探究.

3.4 提出引領(lǐng)性問(wèn)題 深度學(xué)習(xí)

在得出楞次定律的結(jié)論之后,筆者認(rèn)為,可以通過(guò)進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)情境,提出問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生深層次討論楞次定律的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)POE教學(xué)策略和PBL問(wèn)題導(dǎo)向下的深度學(xué)習(xí).

問(wèn)題提出：

(1)“阻礙”是指感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總與原磁場(chǎng)方向相反?

(2)可否將“阻礙”更換成“阻止”?

(3)如圖6所示,光滑導(dǎo)軌上有兩根導(dǎo)體棒ab、cd,當(dāng)豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B在增大時(shí),試判斷導(dǎo)體棒ab、cd所受的安培力的方向.

圖6 判斷導(dǎo)體棒安培力方向

學(xué)生在分析第(3)問(wèn)討論安培力方向時(shí),很容易產(chǎn)生困惑:究竟是原磁場(chǎng)B還是感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)B′會(huì)對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生安培力的作用呢,如圖7所示.

圖7 受力分析

教師可以以此為契機(jī),明確物理概念,即力是物體與物體間的相互作用,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)B′是不可能對(duì)電流本身產(chǎn)生力的作用的.教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)體棒ab、cd所受的安培力的方向與磁通量變化的關(guān)系,得到關(guān)于阻礙的深層理解.

總結(jié)1：回路面積有擴(kuò)大或縮小的趨勢(shì),“增縮減擴(kuò)”.

重新回到前述小車的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中分析,當(dāng)強(qiáng)磁鐵S極向右插入小車線圈時(shí),小車向右運(yùn)動(dòng),黃色二極管亮,線圈中產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蚋袘?yīng)電流,如表1中第4列.嘗試引導(dǎo)學(xué)生利用產(chǎn)生的安培力方向解釋小車運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,如圖8所示.

圖8 分析線圈安培力

利用微元法的思想,研究線圈頂端一小段導(dǎo)線的受力情況,如圖9所示.頂端處導(dǎo)線有垂直于紙面向外的感應(yīng)電流,故而受到垂直于磁場(chǎng)方向的斜向右下方的安培力F,按照作用效果可以將此安培力分解為水平向右的分力F1和豎直向下的安培力分力F2.其中F2使小車的線圈有面積收縮的趨勢(shì),深化了上述阻礙的第一個(gè)深層理解.另外,F1使小車向右運(yùn)動(dòng)起來(lái).這樣我們就引導(dǎo)學(xué)生得到了阻礙的第二個(gè)深層理解.

圖9 頂部線圈安培力方向

總結(jié)2：就運(yùn)動(dòng)而言,“阻礙”相對(duì)運(yùn)動(dòng),有“來(lái)拒去留”的特點(diǎn).

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中,新增了從能量守恒的角度看楞次定律,而這種能量的轉(zhuǎn)化與守恒關(guān)系是通過(guò)“阻礙”作用具體體現(xiàn)出來(lái)的,這也是對(duì)楞次定律更深層的認(rèn)識(shí).筆者認(rèn)為,這時(shí)仍舊可以利用POE和PBL教學(xué)策略,在問(wèn)題導(dǎo)向下,通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境,層層啟發(fā),從而收獲結(jié)論.

設(shè)計(jì)“落磁”實(shí)驗(yàn),如圖10所示.把兩根長(zhǎng)為1m,口徑相同的空心鋁管和塑料管豎直放置,分別將圓柱形小磁鐵(直徑略小于管口內(nèi)徑)從管口上端由靜止釋放,比較兩管中小磁鐵下落的快慢情況.

圖10 比較強(qiáng)磁鐵在管中的下落時(shí)間

學(xué)生很容易從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn),小磁鐵在塑料管中幾乎做自由落體運(yùn)動(dòng),但在鋁管中下落時(shí),時(shí)間明顯變長(zhǎng).學(xué)生此時(shí)已經(jīng)可以從前述分析中知道,小磁鐵在鋁管中下落,鋁管中產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與下落磁鐵的磁場(chǎng)方向相反,磁鐵受到對(duì)其向上的斥力阻礙其下落造成運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng),順便再一次強(qiáng)化了“來(lái)拒去留”的特點(diǎn).筆者認(rèn)為,教師可以繼續(xù)深挖,提問(wèn).眾所周知,在自由落體運(yùn)動(dòng)中,磁鐵機(jī)械能守恒,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,那么鋁管中的小磁鐵的能量是如何轉(zhuǎn)化的呢?減少的重力勢(shì)能是否全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能?如果沒(méi)有,那么其余的能量去哪里了呢?此情景下,學(xué)生自然很容易想到鋁管中有感應(yīng)電流,電流產(chǎn)生熱量,轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能.這種能量的轉(zhuǎn)化與守恒關(guān)系正是通過(guò)“阻礙”具體體現(xiàn)出來(lái)的,這時(shí)學(xué)生很容易理解楞次定律的深刻意義了,即感應(yīng)電流沿著楞次定律所述的方向,是能量守恒定律的必然結(jié)果.

4 教學(xué)思考和總結(jié)提升

筆者認(rèn)為,物理學(xué)科是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程,融合了觀察、實(shí)驗(yàn)、理論思維以及數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用.如果不做實(shí)驗(yàn),傾全力于“理論思維”的物理深度教學(xué)都是畸形的,制約著課程理念的落實(shí).物理認(rèn)知體系是以實(shí)驗(yàn)探究為載體,以“探究行為”為核心,格物致理,知(物理認(rèn)知)行(探究行為)合一.

筆者利用POE教學(xué)策略和PBL問(wèn)題導(dǎo)向,對(duì)楞次定律開(kāi)展了一次科學(xué)探究的嘗試.以教材為基礎(chǔ),以學(xué)生為主體,創(chuàng)設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,觀察、記錄、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果,尋找有價(jià)值的問(wèn)題作為導(dǎo)向,在教師的層層指引下,從而完成關(guān)于楞次定律的深度學(xué)習(xí).深度學(xué)習(xí)不是知識(shí)難度的加深,容量的堆砌,它是主體思維的真實(shí)參與過(guò)程,是知識(shí)結(jié)構(gòu)重組與理解深化的過(guò)程.作為教師,要引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究的過(guò)程中提出具有引領(lǐng)價(jià)值的問(wèn)題,讓學(xué)生感受物理學(xué)之美,體會(huì)學(xué)習(xí)樂(lè)趣,獲得學(xué)習(xí)成就感.