探索電動(dòng)機(jī)的奧秘 體驗(yàn)偉大發(fā)明歷程

陳秀麗

[摘要]電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)廣泛應(yīng)用的普通電器，但其發(fā)明之路凝聚著人類(lèi)創(chuàng)造的智慧，尤其是換向器的設(shè)計(jì)更是簡(jiǎn)單有效，極富創(chuàng)意，堪稱(chēng)典范。電動(dòng)機(jī)的教學(xué)過(guò)程應(yīng)該讓學(xué)生領(lǐng)略偉大發(fā)明的精妙，體會(huì)科學(xué)創(chuàng)造的艱辛。教師要引導(dǎo)學(xué)生從事實(shí)入手，發(fā)現(xiàn)并提出核心問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，動(dòng)手制作等形式，在思辨型教學(xué)中，讓學(xué)生掌握知識(shí)與技能，發(fā)展思維，激發(fā)情感，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]初中物理 電動(dòng)機(jī)教學(xué) 思辨課堂 課例分析

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2016）02-0054

《磁場(chǎng)對(duì)電流的作用 電動(dòng)機(jī)》是蘇科版初中物理九年級(jí)下冊(cè)16章第3節(jié)的課題，本課上承《電流的磁場(chǎng)》（奧斯特實(shí)驗(yàn)，通電螺線(xiàn)管的磁場(chǎng)，電磁鐵等知識(shí)），下接《安裝直流電動(dòng)機(jī)模型》，教學(xué)重點(diǎn)是直流電動(dòng)機(jī)的T作原理，即：磁場(chǎng)對(duì)電流的作用。本著“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的學(xué)科理念，這一課可以設(shè)計(jì)成“探索奧秘——原來(lái)如此”式的教學(xué)，即：從“玩具電動(dòng)機(jī)，通電能轉(zhuǎn)動(dòng)”這一事實(shí)人手，啟發(fā)學(xué)生積極探索其中的奧秘，在“提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、動(dòng)手制作”等學(xué)生主動(dòng)參與的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，讓學(xué)生逐步解開(kāi)心中的謎團(tuán)，真正理解直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，并最終領(lǐng)略科學(xué)發(fā)明的精妙創(chuàng)意，體會(huì)科學(xué)創(chuàng)造的曲折艱辛。這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，才能更好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法以及情感態(tài)度和價(jià)值觀全面發(fā)展的三維課程日標(biāo)。

在物理學(xué)習(xí)中，我們常常需要學(xué)生從司空見(jiàn)慣的日常生活中發(fā)現(xiàn)物理問(wèn)題，并在學(xué)習(xí)中應(yīng)用物理知識(shí)去解釋生活中的各種現(xiàn)象，分析各種問(wèn)題出現(xiàn)的原因，找出解決問(wèn)題的方法與措施。本課的教學(xué)就從學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的玩具小汽車(chē)引入課題。

一、探究小電機(jī)中的學(xué)問(wèn)——磁體對(duì)電流也有力的作用

1.引入課題：電動(dòng)機(jī)中的奧秘

【課堂實(shí)錄一】教師出示玩具小汽車(chē)，閉合開(kāi)關(guān)，小汽車(chē)就在講臺(tái)上開(kāi)動(dòng)起來(lái)了。教師問(wèn)學(xué)生：玩具小汽車(chē)閉合開(kāi)關(guān)就能運(yùn)動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了怎樣的能量轉(zhuǎn)換呢？學(xué)生回答：電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。教師再問(wèn)：玩具小汽車(chē)中哪個(gè)元件能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能呢？學(xué)生回答：電動(dòng)機(jī)（馬達(dá)）。教師拆掉玩具小汽車(chē)的外殼，出現(xiàn)了一個(gè)小電動(dòng)機(jī)。教師問(wèn)學(xué)生：你看到了什么？又有什么問(wèn)題想問(wèn)？

學(xué)生看到小電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)，想到小電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題，顯然這是個(gè)核心問(wèn)題。教師把小電動(dòng)機(jī)的外殼再去除，再問(wèn)學(xué)生，此時(shí)你又想問(wèn)什么？經(jīng)過(guò)觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)小電動(dòng)機(jī)中有線(xiàn)圈和磁鐵，由此引出了第二個(gè)核心問(wèn)題：磁體與線(xiàn)圈之間存在怎樣的相互作用？為什么通電后線(xiàn)圈會(huì)轉(zhuǎn)？

2.追根溯源，提出探究課題：磁體和線(xiàn)圈之間有何種作用

此時(shí)，教師可以讓他們回憶上一節(jié)課所學(xué)的奧斯特實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生逆向思考：電流對(duì)磁體有力的作用，那么反過(guò)來(lái)，磁體會(huì)不會(huì)對(duì)電流也有力的作用呢？面對(duì)生活現(xiàn)象，探究其背后的本質(zhì)，也許會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題，但不是所有的問(wèn)題都值得師生在課堂上探究解決，而是需要教師引導(dǎo)學(xué)生抓住核心問(wèn)題，然后進(jìn)行分析深挖，這樣才有學(xué)習(xí)價(jià)值。思辨的物理課堂要運(yùn)用學(xué)生已有的知識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，通過(guò)獨(dú)立思考，尋找現(xiàn)象后面的核心問(wèn)題，為思辨的深入進(jìn)行，提供必要的話(huà)題，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展討論，使學(xué)生的思維處于激蕩狀態(tài)。

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想

為解決“磁體與線(xiàn)圈之間存在怎樣的相互作用？為什么通電后線(xiàn)圈會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)”的問(wèn)題，教師請(qǐng)學(xué)生提出猜想，學(xué)生根據(jù)線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)會(huì)猜想：通電的線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受到了力的作用。接著進(jìn)一步分析，線(xiàn)圈是由導(dǎo)線(xiàn)組成的，那如果是通電的直導(dǎo)線(xiàn)，它在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用嗎？接著就以直導(dǎo)線(xiàn)為對(duì)象，考慮設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)猜想結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。此處安排學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，而非教師演示，這樣能讓學(xué)生有更豐富的體驗(yàn)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力。

l.通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用嗎

【課堂實(shí)錄二】學(xué)生二人一組，按教材圖示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生看到通電直導(dǎo)線(xiàn)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，證明了他們的猜想是正確的：通電的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，即：磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用。教師進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：實(shí)驗(yàn)中能否改變通電導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向？如何改變？要想實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，可以從哪些方面想辦法？導(dǎo)體中的電流大小和磁體的磁性強(qiáng)弱對(duì)實(shí)驗(yàn)效果有影響嗎？

2.通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中會(huì)受力轉(zhuǎn)動(dòng)嗎

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明學(xué)生的猜想是正確的。這對(duì)他們的思考是個(gè)極大的肯定，可以看到他們臉上難掩興奮自得的笑容。教師此時(shí)順勢(shì)發(fā)問(wèn)：如果把通電的直導(dǎo)線(xiàn)換成螺旋狀的導(dǎo)線(xiàn)，結(jié)果可能會(huì)如何？換成通電線(xiàn)圈，情況又會(huì)如何呢？至此，學(xué)生肯定毫不猶豫地回答：通電線(xiàn)圈將在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這樣就制成了直流電動(dòng)機(jī)。由此很順暢地將學(xué)習(xí)引入下一環(huán)節(jié)。

三、手腦并用做電機(jī)

經(jīng)過(guò)以上環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)明白了課堂開(kāi)始時(shí)提出的核心問(wèn)題，知道直流電動(dòng)機(jī)是利用“通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)”的原理制成的，知道這是磁場(chǎng)對(duì)電流的作用，可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。但為了進(jìn)一步探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用，需要教師趁熱打鐵，組織學(xué)生自己動(dòng)手，親手繞制一個(gè)電動(dòng)機(jī)線(xiàn)圈，并讓它真正轉(zhuǎn)起來(lái)。

1.趁熱打鐵：做一個(gè)通電能轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)

【課堂實(shí)錄三】教師讓學(xué)生自己繞制線(xiàn)圈，并分析線(xiàn)圈的受力情況，討論線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中通電后能否轉(zhuǎn)動(dòng)。教師問(wèn)學(xué)生：此實(shí)驗(yàn)需要注意什么？學(xué)生根據(jù)教材圖片認(rèn)為需要注意：與線(xiàn)圈相連的端點(diǎn)要基本保持在同一平面.磁體要放在線(xiàn)圈的正下方，磁體應(yīng)盡量靠近線(xiàn)圈但不能碰到。接著學(xué)生嘗試?yán)@制一個(gè)多匝線(xiàn)圈，并且滿(mǎn)懷信心地希望看到它在磁場(chǎng)中通電后旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

2.思維沖突：為什么線(xiàn)圈無(wú)法持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中只能在某一位置附近擺動(dòng)，并不能像白己希望看到的那樣，繞軸沿著同一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這就引發(fā)了學(xué)生的思維沖突：通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中受了力，為什么不能轉(zhuǎn)動(dòng)呢？那玩具小汽車(chē)中的直流小電機(jī)為什么能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？針對(duì)這一現(xiàn)象，教師應(yīng)抓住時(shí)機(jī)，組織學(xué)生根據(jù)教材中圖16 28所示，發(fā)動(dòng)學(xué)生討論，分析線(xiàn)圈只能來(lái)回?cái)[動(dòng)而不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。學(xué)生通過(guò)受力分析后頓悟：原來(lái)線(xiàn)圈不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是線(xiàn)圈中電流方向不能隨線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而及時(shí)改變，導(dǎo)致線(xiàn)圈的受力方向不能及時(shí)改變，轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)法持續(xù)。那么新的問(wèn)題自然擺到了學(xué)生的面前：怎樣讓線(xiàn)圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？玩具直流電動(dòng)機(jī)最終是如何做到這一點(diǎn)的呢？

3.神來(lái)之筆：誰(shuí)發(fā)明了神奇的換向器

在課堂的思辨性討論中，大家達(dá)成共識(shí)：要及時(shí)改變線(xiàn)圈的受力方向，就必須在線(xiàn)圈剛轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置時(shí)就及時(shí)改變線(xiàn)圈中的電流方向或磁場(chǎng)方向，而且這種改變必須隨著線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)始終同步進(jìn)行。那么，教師問(wèn)：是改變電流方向方便，還是改變磁場(chǎng)方向方便？又如何實(shí)現(xiàn)呢？引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，但不能提出解決方案。這時(shí)，教師提議大家一起來(lái)看看前人的偉大發(fā)明：玩具直流電動(dòng)機(jī)上的換向器與電刷，請(qǐng)學(xué)生分析這兩者的結(jié)合是怎樣解決“在線(xiàn)圈剛轉(zhuǎn)過(guò)平衡位置時(shí)就及時(shí)改變線(xiàn)圈中的電流方向，從而改變線(xiàn)圈受力方問(wèn)，使之持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)”這一難題的。學(xué)生在認(rèn)真分析其工作原理后，領(lǐng)悟到由兩個(gè)半銅環(huán)組成的換向器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但構(gòu)思巧妙，T作可靠，這一套簡(jiǎn)單裝置和電刷與線(xiàn)圈非固定式連接的方式蘊(yùn)藏著極為可貴的創(chuàng)新思想，令人拍案叫絕，為之傾倒。學(xué)生在自主悟出換向器工作原理的同時(shí)，不由自主地向科學(xué)致敬，向人類(lèi)社會(huì)的偉大發(fā)明致敬。

四、應(yīng)用廣泛、功勛卓著的電動(dòng)機(jī)

教材在“生活·物理·社會(huì)”欄目中介紹了磁懸浮列車(chē)，教師可以讓學(xué)生猜想磁懸浮列車(chē)的工作原理；也可以讓學(xué)生課后查閱相關(guān)資料，拓寬知識(shí)視野，提高學(xué)習(xí)興趣；還可以布置學(xué)生收集生活中哪些地方用到了電動(dòng)機(jī)，是交流還是直流電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)有何優(yōu)劣；甚至可以讓學(xué)生以電動(dòng)機(jī)為專(zhuān)題，設(shè)計(jì)一張小報(bào)，或者以“如果世界少了電動(dòng)機(jī)”為題做一個(gè)演講……物理現(xiàn)象來(lái)自生活，也必然要求學(xué)生的學(xué)習(xí)也要回歸生活。這樣的課后作業(yè)正是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)走向生活的必要拓展。

可以說(shuō)，本課從生活實(shí)例——電動(dòng)機(jī)出發(fā)，以核心問(wèn)題為學(xué)習(xí)起始，展開(kāi)探索電動(dòng)機(jī)奧秘的實(shí)驗(yàn)探究。既用問(wèn)題作為學(xué)生的學(xué)習(xí)手段，又用核心問(wèn)題培養(yǎng)了學(xué)生的思維，問(wèn)題的提出和探究無(wú)不使學(xué)生的思辨充盈課堂，體現(xiàn)了學(xué)生作為學(xué)習(xí)主人的快樂(lè)，呈現(xiàn)了良好的學(xué)習(xí)效果。法國(guó)哲學(xué)家帕斯卡說(shuō)過(guò)：“人只不過(guò)是一根蘆葦，是自然界最脆弱的東西，但他是一根會(huì)思考的蘆葦。因此，我們?nèi)康淖饑?yán)就在于思想。”由此看來(lái)，初中物理課堂不只是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、提升技能的場(chǎng)所，更是他們形成思想的場(chǎng)所，是思想碰撞的場(chǎng)所，是有學(xué)習(xí)尊嚴(yán)的場(chǎng)所！