巧用自制教具 培養(yǎng)科學(xué)思維能力

溫州大學(xué)數(shù)理學(xué)院(325035) 魏 萌 吳 釩 潘星志 羅海軍

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中提出要以培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)為第一要義，其中科學(xué)思維更是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容[1]。那么，如何在實(shí)際的物理教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力呢？物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，它對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維水平都有著極高的要求。將自制教具引入到高中物理課堂之中，以自制教具為“媒介”，將教材知識(shí)與實(shí)際生活相聯(lián)系，將物理教學(xué)與思維培育相融合，不失為一個(gè)直接有效的方法。本文將以揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)及無線充電器3種自制教具為例，通過教師設(shè)問、引導(dǎo)，學(xué)生分析、制作，幫助學(xué)生克服物理知識(shí)難點(diǎn)，在整個(gè)問答、制作、建構(gòu)過程中培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)推理和論證能力。

1 自制揚(yáng)聲器，激發(fā)推理論證能力

1.1 實(shí)驗(yàn)制作

主要器材：學(xué)生自備揚(yáng)聲器發(fā)聲體(如塑料杯、紙盒等)、直徑0.1～0.3 mm的漆包線、雙面膠、透明膠、功放、強(qiáng)磁鐵、導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)制作：在紙盒或紙杯表面先用雙面膠粘一層，確定好所要纏繞的形狀，將漆包線一端留5～10 cm端口后進(jìn)行纏繞，纏繞完成后，尾端同樣留出5～10 cm，將首端和尾端漆包線的絕緣層刮掉，用透明膠在制作好的揚(yáng)聲器表面粘一層，用以固定，如圖1所示。

圖1 自制揚(yáng)聲器

實(shí)驗(yàn)操作：接通功放，通過導(dǎo)線將自制的揚(yáng)聲器接在功放兩端，將強(qiáng)磁鐵放于自制揚(yáng)聲器下方，此時(shí)揚(yáng)聲器即可發(fā)聲。

1.2 實(shí)驗(yàn)探討

在實(shí)驗(yàn)之初，教師帶領(lǐng)學(xué)生觀摩自制揚(yáng)聲器的樣本，討論揚(yáng)聲器發(fā)聲的工作原理，學(xué)生初次接觸，具有極大興趣，萌生問題：紙杯、紙盒為什么可以發(fā)聲？對(duì)此學(xué)生便可展開初步推理：聲音產(chǎn)生必會(huì)有振動(dòng)，振動(dòng)從何而來？進(jìn)而展開論證：可能是線圈通有電流—受到安培力—振動(dòng)發(fā)聲；驗(yàn)證猜想：接通功放，將揚(yáng)聲器和萬用表串聯(lián)，觀察萬用表指針的動(dòng)態(tài)變化過程，如若萬用表有示數(shù)，即初步論證成功。在此基礎(chǔ)上學(xué)生進(jìn)一步推理：永久磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)非均勻的磁場(chǎng)，通入的電流是交變電信號(hào)，線圈上每一點(diǎn)的安培力都不同，為什么揚(yáng)聲器可以精準(zhǔn)發(fā)聲？就此問題學(xué)生展開論證后得，線圈中輸入的是交流電信號(hào)：I=A0cos(ωt+?)；單位長(zhǎng)度的線圈在磁場(chǎng)中所受的安培力：F=BLA0cos(ωt+?)；聲音振蕩信號(hào)：V=Ccos(ωt+?)；頻率決定音調(diào)，振幅決定響度，可見在電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)的過程中，頻率始終沒有發(fā)生變化，變化的只有振幅，因此，聲音被精準(zhǔn)還原。

揚(yáng)聲器發(fā)聲原理涉及振動(dòng)發(fā)聲、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力、交變電流頻率等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生不斷提出問題，反思交流，科學(xué)推理，合理論證，將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，并將物理與生活相融合。學(xué)生的推理論證能力在此實(shí)驗(yàn)過程中得到發(fā)展，而這正落實(shí)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，即讓學(xué)生正確理解和應(yīng)用科學(xué)思維方法，積極面對(duì)問題，運(yùn)用質(zhì)疑和批判等高級(jí)思維能力提出論點(diǎn)，科學(xué)推理，找出規(guī)律，解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題。

2 自制電動(dòng)機(jī)，提升質(zhì)疑創(chuàng)新能力

2.1 實(shí)驗(yàn)制作

主要器材：0.1～0.3 mm直徑的漆包線、1號(hào)干電池、1號(hào)電池槽、鐵絲若干、直徑為22 mm的強(qiáng)磁鐵若干。

實(shí)驗(yàn)制作：如圖2所示，取2根12 cm長(zhǎng)的鐵絲，將其上端彎曲做成支架固定在電池槽的兩端，將漆包線纏繞制作成圓形、矩形或心形多匝線圈，將漆包線兩端引出，將引出端的部分絕緣漆刮掉。

圖2 自制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子

實(shí)驗(yàn)操作：如圖3所示，將制作好的圓形、矩形或心形多匝線圈放在鐵絲支架上，電池安裝在電槽中，將圓形磁鐵吸附在電池上，線圈將持續(xù)快速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 自制電動(dòng)機(jī)

2.2 實(shí)驗(yàn)剖析

教材上給出的直流電動(dòng)機(jī)配有換向器，其作用是在每轉(zhuǎn)半個(gè)周期后，通過改變電流方向，使得直流電動(dòng)機(jī)線圈所受安培力的方向改變，達(dá)到持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。但實(shí)際情況是，換向器成本高且難操作，在對(duì)電動(dòng)機(jī)工作原理有一定掌握后，教師可引導(dǎo)學(xué)生在電動(dòng)機(jī)制作材料上進(jìn)行創(chuàng)新，使用漆包線制作轉(zhuǎn)子。此時(shí)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生初步質(zhì)疑：換向器可以改變電流方向，若使用漆包線該如何刮取才能保證線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？經(jīng)實(shí)踐操作和思辨交流后得出，要讓轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以只給線圈通半個(gè)周期的電流，另外半個(gè)周期依靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，可以選擇都刮引出端的上側(cè)或下側(cè)。在實(shí)驗(yàn)操作中，部分學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，全刮絕緣層也可持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，學(xué)生有了新的質(zhì)疑：該現(xiàn)象與原理分析有所出入，是否分析有誤？在教師引導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)此現(xiàn)象展開討論，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論：自制線圈為非對(duì)稱線圈，全刮的轉(zhuǎn)子較半刮來說不夠穩(wěn)定，有“跳竿”的現(xiàn)象(線圈在支架上抖動(dòng))，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)周期后易產(chǎn)生“跳竿”現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在后半個(gè)周期沒有電流通過，依然靠慣性進(jìn)行。

改進(jìn)后的直流電動(dòng)機(jī)沒有換向器，這與學(xué)生的已有認(rèn)知沖突，極易激起學(xué)生的探索欲望和質(zhì)疑熱情。在實(shí)際教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生自制電動(dòng)機(jī)，讓學(xué)生在科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)、科學(xué)問題解決和科學(xué)教具創(chuàng)造的一系列探究活動(dòng)中，培養(yǎng)自身的科學(xué)創(chuàng)造力，提升自身質(zhì)疑創(chuàng)新能力，促使自己的思維、想象更加流暢，更具靈活性和獨(dú)創(chuàng)性。

3 自制無線充電器，培養(yǎng)模型建構(gòu)能力

3.1 實(shí)驗(yàn)制作

主要器材：1節(jié)5號(hào)干電池、1只8050三極管、1只發(fā)光二極管，0.1～0.3 mm直徑的漆包線，導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)制作：如圖4所示，使用漆包線制作原線圈和副線圈，將線圈的兩端引出，刮掉絕緣層，連接導(dǎo)線。根據(jù)如圖5所示電路圖，將原線圈一端與開關(guān)相連，開關(guān)再與電源正極相連，另一端與三極管的集電極相連，三極管的基極接地，發(fā)射極與電源負(fù)極相連，發(fā)光二極管與副線圈相連。

圖4 自制線圈

圖5 電路圖

實(shí)驗(yàn)操作：如圖6所示，安裝電池，可以看到二極管正常發(fā)光，將原、副線圈逐漸遠(yuǎn)離，二極管的光由亮到弱直至熄滅。

圖6 自制無線充電器

3.2 實(shí)驗(yàn)頓悟

互感是高中物理選擇性必修二第2章第4節(jié)的內(nèi)容，教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生要了解互感現(xiàn)象，并能聯(lián)系生活實(shí)際解釋互感現(xiàn)象。在學(xué)習(xí)互感之前，學(xué)生已掌握楞次定律及法拉第電磁感應(yīng)定律等相關(guān)知識(shí)，已有解釋互感現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。在課程開始前，教師帶領(lǐng)學(xué)生觀摩自制無線充電教具，分析各個(gè)元件的作用，其中干電池用于提供直流電；三極管用于將干電池中的直流電轉(zhuǎn)換為振蕩電流并將微弱電流信號(hào)放大；漆包線所制成的原線圈用于產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，進(jìn)而在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流；發(fā)光二極管則用于檢驗(yàn)裝置制作成功與否。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在問題情景下，對(duì)實(shí)驗(yàn)教具充電原理進(jìn)行抽象概括，運(yùn)用頭腦中已有的知識(shí)抽象概括出理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ジ心Ｐ?，即在原線圈中通以變化的電流，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，將副線圈放入變化的磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而為設(shè)備充電。

利用原始物理問題提升學(xué)生模型建構(gòu)能力是物理模型教學(xué)的重要方法之一，能否有效建構(gòu)物理模型解決生活中的真實(shí)問題是衡量學(xué)生物理核心素養(yǎng)高低的重要標(biāo)準(zhǔn)[2]。探究無線充電器的工作原理就是一個(gè)真實(shí)的物理問題，就是互感現(xiàn)象在生活中的實(shí)例應(yīng)用，而且學(xué)生頭腦中已有相關(guān)理論知識(shí)，具備模型建構(gòu)的理論可行性。在教學(xué)中，教師建立實(shí)際情景，帶領(lǐng)學(xué)生研究自制無線充電教具，對(duì)客觀事物進(jìn)行分析，抽象概括出易于研究的、能夠反映事物本質(zhì)特征的理想模型。在此過程中，學(xué)生對(duì)事物的認(rèn)識(shí)手段得到發(fā)展，研究問題的思維方式得到提高，從而培養(yǎng)了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

4 總結(jié)

簡(jiǎn)而言之，自制教具能夠使抽象的物理概念、物理規(guī)律通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具象化，因此，教師在教學(xué)中需要將自制教具的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，使得學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與到實(shí)踐探索中來，在實(shí)驗(yàn)操作中深入理解、掌握物理概念和物理規(guī)律。在物理教學(xué)中巧用自制教具，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，優(yōu)化物理課堂，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、質(zhì)疑創(chuàng)新能力以及科學(xué)推理和論證能力，提升科學(xué)思維能力，達(dá)到落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的[3]。