活化問(wèn)題 培養(yǎng)能力 基于生活情景的物理教具改進(jìn)
——例談“風(fēng)扇發(fā)電機(jī)”的課堂應(yīng)用

暴 雷

(哈爾濱市中實(shí)學(xué)校 黑龍江 哈爾濱 150000)

湯金波

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校 江蘇 南京 210000)

1 引言

對(duì)于物理學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，真正有效的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)一定是學(xué)生自主構(gòu)建起來(lái)的，真正的物理學(xué)科能力一定是學(xué)生通過(guò)自身的努力建立起來(lái)的[1].學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效方式，而學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐途徑之一，就是教師演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新化和生活化處理.因此,教師演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和可拓展性，對(duì)于學(xué)生的跟隨模仿與后期超越，就有了極其重要的示范作用.所以筆者采用了風(fēng)扇這一生活電器來(lái)對(duì)電磁感應(yīng)知識(shí)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)教學(xué).風(fēng)扇按照工作方式分為：直流風(fēng)扇(DC FAN)、交流風(fēng)扇(AC FAN)兩種.本文選擇四葉交流風(fēng)扇，根據(jù)其原理可逆向看成“交流發(fā)電機(jī)”——轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流.再通過(guò)抽象與理想化后，在“電磁感應(yīng)”“交變電流”兩章中可進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.

在演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置問(wèn)題，目的是為了讓學(xué)生達(dá)成最近發(fā)展區(qū)，根據(jù)學(xué)生已有的認(rèn)知水平，把需要學(xué)習(xí)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為一連串有主題的問(wèn)題群[2].所以,在演示實(shí)驗(yàn)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，筆者配以問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考及分析的方向.

下面針對(duì)楞次定律、電磁阻尼與交變電流等教學(xué)內(nèi)容來(lái)分別談?wù)劰P者的一些具體做法.

2 楞次定律

在本節(jié)新課引入中，采用如圖1所示的轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇點(diǎn)亮發(fā)光二極管，同時(shí)配以如圖2所示抽象的物理模型，觀看完演示實(shí)驗(yàn)后，設(shè)計(jì)如下的問(wèn)題.

圖1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)二極管發(fā)光

圖2 簡(jiǎn)化的物理模型

問(wèn)題1：圖2所示為理想化的電風(fēng)扇內(nèi)部基本原理圖，那你能用學(xué)習(xí)過(guò)的理論來(lái)解釋一下電風(fēng)扇可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管嗎？

預(yù)設(shè)回答：根據(jù)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化.所以發(fā)光二極管可以被點(diǎn)亮.

設(shè)計(jì)意圖：(1)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力.通過(guò)實(shí)際生活情景的引入，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)情景進(jìn)行抽象和理想化，幫助學(xué)生建立理想模型與實(shí)際生活的聯(lián)系.學(xué)生建立模型能力的培養(yǎng)需要在平時(shí)教學(xué)的過(guò)程中潛移默化地形成[3].因此，引入實(shí)際生活情景，教師加以引導(dǎo)和分析幫助學(xué)生建立理想化模型，以此達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生建模能力.

(2)回顧上節(jié)課感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.由此對(duì)本節(jié)課楞次定律所需要的知識(shí)基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)習(xí).幫助學(xué)生快速進(jìn)入情景，利用已有認(rèn)知內(nèi)容對(duì)未知知識(shí)探索的基礎(chǔ)準(zhǔn)備.同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)到電磁感應(yīng)知識(shí)在生活中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生利用物理觀念解決實(shí)際問(wèn)題的思想.

3 電磁阻尼

在本節(jié)的教學(xué)中，筆者未采用教材中電流表正負(fù)接線柱直接相接來(lái)演示電磁阻尼現(xiàn)象.原因在于：

(1)高中生對(duì)電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知可能有不夠清晰的地方，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不能形成透徹理解--只知其然而不知其所以然.

(2)電流表指針比較細(xì)，課堂演示可見(jiàn)度可能較差.

(3)課本實(shí)驗(yàn)電流表的指針到底是用來(lái)觀察感應(yīng)電流還是用來(lái)感受感應(yīng)電流引發(fā)的效果，容易引起學(xué)生誤解.

因此，筆者把電流表改為風(fēng)扇，且演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn).把學(xué)生分為6組，每組分配一風(fēng)扇和電流表，讓學(xué)生利用手邊的儀器自主探究如何讓轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇快速停止.在此基礎(chǔ)上配以抽象出的理想化模型幫助學(xué)生分析電磁阻尼現(xiàn)象.在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上配以以下問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生建立完整清晰的理論認(rèn)知.

問(wèn)題2：在我們轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇的情況下，如何快速地讓風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們自主設(shè)計(jì)并做出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

預(yù)設(shè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：利用導(dǎo)線與風(fēng)扇連接.在不接通風(fēng)扇插頭的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間，而利用導(dǎo)線將風(fēng)扇插頭連接后，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇很快停止.

預(yù)設(shè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：利用電流表與風(fēng)扇連接.在不接通風(fēng)扇插頭的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇可以持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間,如圖3所示，而利用電流表將風(fēng)扇插頭連接后，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇很快停止，同時(shí)靈敏電流計(jì)發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，如圖4所示.

圖3 未接通風(fēng)扇插頭，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)

圖4 風(fēng)扇插頭與電流表連接，風(fēng)扇很快停止

設(shè)計(jì)意圖：改演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn).通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)可以掌握學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)知識(shí)的理解.風(fēng)扇發(fā)電的原理在楞次定律教學(xué)時(shí)已經(jīng)有所了解，學(xué)生可以通過(guò)討論、交流等科學(xué)探究過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的分析，同時(shí)對(duì)楞次定律知識(shí)的理解，從理論到實(shí)際操作的升華.

問(wèn)題3:如圖5所示為實(shí)驗(yàn)的抽象化物理模型圖.你能通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模型圖來(lái)解釋你所看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？

圖5 抽象化的物理模型

預(yù)設(shè)回答1：在電流表與電風(fēng)扇插頭串聯(lián)后，電流表有示數(shù)，說(shuō)明產(chǎn)生了感應(yīng)電流.感應(yīng)電流產(chǎn)生安培力，安培力阻礙風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以風(fēng)扇很快停下來(lái).未接通的情況下，未產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此，不能快速停止轉(zhuǎn)動(dòng).

預(yù)設(shè)回答2：在接通電風(fēng)扇插頭后，產(chǎn)生了感應(yīng)電流.機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此風(fēng)扇很快停下來(lái).未接通的情況下，未產(chǎn)生電能，不能快速停止轉(zhuǎn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖：(1)此問(wèn)題具有一定靈活性，答案沒(méi)有限定明確的回答角度.目的是希望學(xué)生在看到此問(wèn)題后，通過(guò)討論與分析，能夠從“力與運(yùn)動(dòng)”和“能量轉(zhuǎn)化”等多角度來(lái)審視和加深對(duì)電磁阻尼的理解.

(2)通過(guò)給出模型圖，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)際生活情境轉(zhuǎn)化為物理模型的能力.

(3)培養(yǎng)學(xué)生以物理學(xué)視角解釋自然和生活中的現(xiàn)象.

問(wèn)題4：此現(xiàn)象被稱為電磁阻尼，你能通過(guò)剛剛我們的解析給出電磁阻尼的定義，并分析此現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化嗎？

預(yù)設(shè)回答：當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼.機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)學(xué)生總結(jié)定義及能量轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的提煉與升華，以培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念.

4 交變電流

交變電流即交流電路中的電流，它是由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，電流的大小方向隨時(shí)間而發(fā)生變化.在本節(jié)的教學(xué)中，首先利用發(fā)光二極管并聯(lián)在風(fēng)扇插頭兩端(二極管正負(fù)極反接)交替點(diǎn)亮(圖6)的演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)圖7的電路圖讓學(xué)生分析交變電流的特點(diǎn)及總結(jié)定義，再讓學(xué)生利用手搖交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)給出的問(wèn)題進(jìn)行交變電流的理論分析.通過(guò)筆者的實(shí)際課堂操作，認(rèn)為取得了比較好的課堂效果.

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)二極管交替發(fā)光

圖7 電路圖

下面筆者對(duì)本節(jié)課中問(wèn)題的設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述.

問(wèn)題5：請(qǐng)問(wèn)二極管交替發(fā)光的原因是什么？你能自主設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并現(xiàn)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行演示嗎？

預(yù)設(shè)回答：二極管交替發(fā)光的原因是電流的方向發(fā)生變化.在電源插頭上連接靈敏電流計(jì)，以此來(lái)證實(shí)電流方向發(fā)生變化(圖4).

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)上一章的學(xué)習(xí)及鋪墊，學(xué)生很容易想到二極管交替發(fā)光的原因?yàn)殡娏鞯姆较虬l(fā)生變化.此問(wèn)題的亮點(diǎn)在于學(xué)生自主設(shè)計(jì)、操作實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行猜想驗(yàn)證.通過(guò)本問(wèn)題期望學(xué)生經(jīng)歷猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋的完整科學(xué)探究過(guò)程，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力.

問(wèn)題6：風(fēng)扇發(fā)電機(jī)的物理模型就是交流電發(fā)電機(jī)如圖8所示，請(qǐng)同學(xué)們利用手中交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電并畫(huà)出以下4幅圖(圖9)的截面圖，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和圖像對(duì)交流電進(jìn)行分析.

圖8 交流電發(fā)電機(jī)

(a) (b)

(c) (d)

設(shè)計(jì)意圖：(1)筆者以往的教學(xué)中，僅僅是通過(guò)圖像讓學(xué)生畫(huà)出截面圖并分析產(chǎn)生電流特點(diǎn)及原因，發(fā)現(xiàn)效果不盡如人意.原因在于學(xué)生未經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，未建立交變電流的物理模型.因此,筆者在進(jìn)行本節(jié)課的過(guò)程中，讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)際情景自主建立圖9的截面圖并分析.呈現(xiàn)出的效果比直接畫(huà)圖效果好很多.

(2)此題目的設(shè)置仍具有一定開(kāi)放性，不限制學(xué)生分析交變電流的角度.筆者引導(dǎo)學(xué)生從以下3個(gè)方面來(lái)入手.

1)從交流電產(chǎn)生原因入手，AB,CD為導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，為下一步交流電峰值及瞬時(shí)值的求解建立邏輯起點(diǎn).

2)從右手定則入手分析交流電的方向問(wèn)題，對(duì)交流電方向變化建立理論基礎(chǔ).

3)從電流大小變化入手，為下一步電流的變化呈現(xiàn)正弦式變化進(jìn)行猜想鋪墊.

5 總結(jié)

“物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路[3].”如何激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神與理性的思維方式，筆者認(rèn)為教師在教學(xué)的過(guò)程中應(yīng)大量發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律并通過(guò)創(chuàng)新和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)為教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)服務(wù).同時(shí)教師的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也能為學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)起到引領(lǐng)和示范的作用.