在實(shí)驗(yàn)中促進(jìn)認(rèn)知 在合作中生長(zhǎng)思維
——以“電流的磁場(chǎng)”教學(xué)為例

趙妍妮 許 志

(1. 南京外國(guó)語學(xué)校仙林分校，江蘇 南京 210023；2. 江蘇省南京市教學(xué)研究室，江蘇 南京 210001)

1 教學(xué)設(shè)計(jì)總體定位

磁場(chǎng)作為一種較為抽象的物質(zhì)形態(tài)，初中生一般很難理解其內(nèi)涵，只能通過豐富多彩的磁現(xiàn)象來感知它的存在。而電流的磁場(chǎng)要求則更高，需要學(xué)生在磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上探尋磁場(chǎng)的產(chǎn)生，分析電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的特點(diǎn)，并與之前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而領(lǐng)悟電與磁之間的聯(lián)系。因此就該課題本身而言，所涉及的內(nèi)容非常多，需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)，選取合適的素材和方法，進(jìn)行環(huán)環(huán)相扣的課堂教學(xué)。

探究通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)和通電螺線管周圍的磁場(chǎng)是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)課需要借助實(shí)驗(yàn)手段輔助教學(xué)，學(xué)生通過小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。如圖1所示，在每一次實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生不僅需要通過觀察現(xiàn)象得出結(jié)論，還要能夠根據(jù)問題發(fā)散思維、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，再從實(shí)驗(yàn)中尋找新的思維生長(zhǎng)點(diǎn)，層層遞進(jìn)，不斷促進(jìn)思維的生長(zhǎng)。通過這樣的方式達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，完成教學(xué)內(nèi)容，使整個(gè)教學(xué)流程一氣呵成，顯得自然流暢。

圖1

2 教學(xué)目標(biāo)的逐步達(dá)成

2.1 確定思維生長(zhǎng)原點(diǎn)

學(xué)生在已有的電學(xué)知識(shí)和簡(jiǎn)單磁現(xiàn)象知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過課前物理學(xué)史的微課學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)引入，初步感受到電流與磁鐵都能吸引鐵質(zhì)物體，因此猜測(cè)電流具有磁性，進(jìn)而猜想電流周圍存在磁場(chǎng)，同時(shí)會(huì)提出兩種磁場(chǎng)有什么區(qū)別等有意義的物理問題。

2.2 物理概念的形成——思維的第一次生長(zhǎng)

師：要探究電流周圍是否存在磁場(chǎng)，需要哪些實(shí)驗(yàn)器材？

生：電池、導(dǎo)線、開關(guān)、小磁針。

師：如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作？可能會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的結(jié)論是什么？

生：在導(dǎo)線中通入電流，如果小磁針偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)線周圍有磁場(chǎng)，反之沒有磁場(chǎng)。

師：請(qǐng)大家以小組為單位動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察通電直導(dǎo)線周圍是否存在磁場(chǎng)。

各小組進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究(圖2)，在實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)了許多意想不到的問題(表1)。學(xué)生雖然認(rèn)為通電直導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，但有的小組在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了認(rèn)知沖突。

圖2

表1

師：(先選擇實(shí)驗(yàn)成功的小組A，并現(xiàn)場(chǎng)投影實(shí)驗(yàn)過程)請(qǐng)描述你們小組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

生：我們觀察到直導(dǎo)線下方的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明通電直導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)。

師：大家同意他的觀點(diǎn)嗎？

生：同意。

師：每個(gè)小組都觀察到了相同的現(xiàn)象嗎？

生：我們小組的小磁針并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)投影實(shí)驗(yàn)失敗的小組B、C導(dǎo)線和小磁針的擺放情況。

師：請(qǐng)大家對(duì)比以上兩組實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自己小組的實(shí)驗(yàn)過程，思考如何讓小磁針在通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)得更加明顯？

生1：應(yīng)該先將小磁針放在直導(dǎo)線下方，等小磁針靜止后，再閉合開關(guān)。

生2：我們發(fā)現(xiàn)剛開始不應(yīng)該讓小磁針和導(dǎo)線垂直放置，要先轉(zhuǎn)動(dòng)直導(dǎo)線讓兩者平行，現(xiàn)象更明顯。

師：大家按照以上同學(xué)的建議，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證小磁針是否偏轉(zhuǎn)得更加明顯。

活動(dòng)分析：物理概念的形成要關(guān)注學(xué)生的前概念和探究過程中的認(rèn)知沖突。學(xué)生通過小組評(píng)價(jià)和討論，自主總結(jié)奧斯特實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)：將直導(dǎo)線架在靜止小磁針的上方，并使直導(dǎo)線與小磁針平行。大家再次實(shí)驗(yàn)，之前失敗的小組觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)后，學(xué)生會(huì)感到格外驚喜。學(xué)生自主突破認(rèn)知障礙，從而建立新概念，遠(yuǎn)比教師直接講解或觀察演示實(shí)驗(yàn)來得更加有效，印象也更深刻。

2.3 科學(xué)思維的養(yǎng)成——思維的第二次生長(zhǎng)

師：在剛才的實(shí)驗(yàn)中，你注意到小磁針偏轉(zhuǎn)的方向嗎？有什么辦法能改變小磁針偏轉(zhuǎn)的方向？

生：改變電流的方向。

師：請(qǐng)討論、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔有效的實(shí)驗(yàn)方案并動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象能得到什么結(jié)論？

生：我們組直接把電源兩端的導(dǎo)線對(duì)調(diào)位置，發(fā)現(xiàn)小磁針N極反方向偏轉(zhuǎn)。說明通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)。

活動(dòng)分析：科學(xué)思維的養(yǎng)成要讓學(xué)生不斷面臨新問題和研究的困惑，繼而思考解決的方案并動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，加以驗(yàn)證。如果教師直接進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，表面上看教學(xué)很順利，但學(xué)生的認(rèn)知和思維都會(huì)錯(cuò)失一次“天賜良機(jī)”。每當(dāng)推進(jìn)下一項(xiàng)探究活動(dòng)時(shí)，教師應(yīng)與學(xué)生一起明確“我們要研究的問題”，這是突破困境時(shí)的有效思維方法。學(xué)生在潛移默化中，才能養(yǎng)成這樣思考問題的習(xí)慣。

2.4 知識(shí)應(yīng)用的教學(xué)——思維的第三次生長(zhǎng)

師：大家除了觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)，是否還觀察到其他的現(xiàn)象？

生：剛開始我們將小磁針放在靠近導(dǎo)線兩端的位置，小磁針雖然偏轉(zhuǎn)不明顯，但卻有一端向上翹起來。

師：這個(gè)現(xiàn)象非常珍貴，大家想想這可能是什么原因？

生：小磁針可能受到向上的磁力。

師：大家能否根據(jù)該現(xiàn)象，猜想通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)有怎樣的特點(diǎn)？

生：通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)應(yīng)該是立體的，在導(dǎo)線的周圍都有磁場(chǎng)。

師：小磁針不好懸空放置，如何用簡(jiǎn)單的方法觀察到通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的空間分布？

生：把通電直導(dǎo)線豎直插在一個(gè)平面上，多放幾個(gè)小磁針。

教師在討論后演示實(shí)驗(yàn)(圖3)。

圖3

師：除了放小磁針，還有其他能顯示磁場(chǎng)分布特點(diǎn)的辦法嗎？

生：在平面上撒鐵屑。

活動(dòng)分析：知識(shí)應(yīng)用的教學(xué)要給學(xué)生留有思索的空間，不斷激勵(lì)學(xué)生思考能否用所學(xué)的知識(shí)解決新問題。教師在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的匯報(bào)中，應(yīng)善于抓住與后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象或沖突，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因或解決新問題的辦法。從而不斷打破學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從點(diǎn)到面再到空間逐步引導(dǎo)學(xué)生思維的進(jìn)階。

2.5 核心素養(yǎng)的滲透——思維的第四次生長(zhǎng)

師：請(qǐng)大家繼續(xù)思考，如何增強(qiáng)通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度？

生：導(dǎo)線長(zhǎng)一點(diǎn)、粗一點(diǎn)，電路中電流大一點(diǎn)……

師：在有限空間內(nèi)，如何改變直導(dǎo)線的形狀，使電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)更強(qiáng)？

生：就像滑動(dòng)變阻器一樣，將直導(dǎo)線繞在圓筒上，接入電路。

師：利用所提供的器材，將導(dǎo)線繞在圓筒上制成螺線管，分組實(shí)驗(yàn)，探究通電螺線管外部的磁場(chǎng)方向(圖4)。

圖4

A和B兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組采用不同的繞線方式，利用8個(gè)小磁針設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后自主觀察通電螺線管外部的磁場(chǎng)方向。

師：請(qǐng)簡(jiǎn)單描述通電螺線管外部磁感線的形狀。

生：和條形磁鐵的磁感線很像。

師：請(qǐng)大家思考，能否使用其他的方式，多角度驗(yàn)證通電螺線管外部的磁場(chǎng)分布和條形磁鐵相似？

生：在通電螺線管周圍撒鐵屑。

除此之外，還可以使用DIS傳感器現(xiàn)場(chǎng)展示通電螺線管的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，從中軸線上距螺線管較遠(yuǎn)的點(diǎn)向螺線管靠近的過程中磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，說明與條形磁鐵在磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化上相似，再利用中空的立體磁感線演示儀展示通電螺線管和條形磁鐵的磁場(chǎng)在空間分布相似。

師：請(qǐng)各小組在黑板上標(biāo)出本組實(shí)驗(yàn)中通電螺線管的N、S極和電流方向。然后仔細(xì)觀察黑板上的4幅圖，你能總結(jié)出判斷通電螺線管極性的方法嗎？

生：如圖5所示，從正面看過去，水平放置的通電螺線管如果電流向上，N極就在左邊；電流向下，N極就在右邊。所以口訣“上左下右”方便記憶。

圖5

師：你與物理學(xué)家安培一樣，都發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)中的對(duì)稱美和簡(jiǎn)潔美!

活動(dòng)分析：要通過課堂教學(xué)逐步引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，用辯證的眼光看待科學(xué)的世界，用發(fā)展的眼光看待科學(xué)的進(jìn)程，用審美的眼光看待科學(xué)的成果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生多角度探究問題，得到結(jié)論慎用“一步到位”，要從不同的維度對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比和分析，最終得到解決該類問題的多種方法或總結(jié)得出一般規(guī)律。

3 總結(jié)反思

由上述分析可知，在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師需要明確學(xué)生的思維生長(zhǎng)原點(diǎn)，教師的任務(wù)是要通過課堂教學(xué)讓不同層次的學(xué)生在原有能力基礎(chǔ)上有所“進(jìn)階”，因此需要提出精心設(shè)置的問題串，引導(dǎo)學(xué)生在原點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行認(rèn)知的生成和思維的生長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)過程中自主轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤認(rèn)知，不斷更新認(rèn)知框架，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。