“科學(xué)探究教學(xué)模式”在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

馬劍

摘 要：以“自感現(xiàn)象”為例，就“科學(xué)探究教學(xué)模式”在高中物理教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，嘗試設(shè)計(jì)探究活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)、思考、推理和觀察，從而“發(fā)現(xiàn)”和掌握自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的阻礙作用。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究教學(xué)模式；自感現(xiàn)象；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）8-0016-3

科學(xué)探究教學(xué)就是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)和啟發(fā)下，獨(dú)立自主開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，通過(guò)經(jīng)歷與科學(xué)工作者進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)的相似過(guò)程，學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，掌握科學(xué)探究的方法，領(lǐng)悟科學(xué)的思想和精神。它是實(shí)施新課程教學(xué)的一個(gè)重要教學(xué)課型。在此以“自感現(xiàn)象”為例，就“科學(xué)探究教學(xué)模式”在高中物理教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

“自感現(xiàn)象”是人教版選修3-2第四章第六節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生能夠通過(guò)電磁感應(yīng)的有關(guān)規(guī)律分析通電、斷電時(shí)自感現(xiàn)象的成因，以及認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的特例，感悟特殊現(xiàn)象中它的普遍規(guī)律，而普遍規(guī)律中包含了特殊現(xiàn)象的辯證唯物主義觀點(diǎn)。

1 實(shí)踐案例——“自感現(xiàn)象”教學(xué)片段

1.1 切身體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自感

如圖1所示，讓幾位同學(xué)手拉手“串聯(lián)”在電路中，電源只需1節(jié)干電池。

問(wèn)：斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的瞬間，1節(jié)干電池何以使得這么多同學(xué)同時(shí)受到電擊？

答：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，同學(xué)們與線圈構(gòu)成閉合回路，“電擊”可能與線圈有關(guān)。

由“電擊”體驗(yàn)引發(fā)思維疑問(wèn)，從而引入本節(jié)課研究的課題——“自感現(xiàn)象”。且在生活中，學(xué)生接觸到自感的機(jī)會(huì)并不是很多，缺乏對(duì)自感的直接體驗(yàn)。借助“電擊”游戲，能感受到物理學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)引發(fā)學(xué)生的求知欲望。

問(wèn)：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)線圈的電流大小如何變化，電流變化的同時(shí)又引起哪些物理量的改變？

答：電流減小，線圈中磁場(chǎng)減弱，通過(guò)線圈的磁通量減小。會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的瞬間，線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)使得同學(xué)們受到了電擊。

根據(jù)奧蘇貝爾的同化理論，任何一個(gè)新知識(shí)均可以通過(guò)上位概念、下位概念和先行組織者，尋找它與舊知識(shí)的聯(lián)系作為新概念的增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)新知識(shí)的學(xué)習(xí)。在本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)“楞次定律”“法拉第電磁感應(yīng)定律”等知識(shí)進(jìn)行了學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行回顧，讓學(xué)生在回顧舊知識(shí)的過(guò)程中解決新問(wèn)題。

1.2 問(wèn)題引導(dǎo)，深入研究

自感電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)抽象的概念，它產(chǎn)生的原因?qū)W生較容易接受，但它對(duì)電流變化引起的“阻礙”作用，以及自感電動(dòng)勢(shì)方向的確定卻是教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，借助演示實(shí)驗(yàn)來(lái)創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生以研究者的角色進(jìn)入學(xué)習(xí)，并借助問(wèn)題鏈的方式為學(xué)生的理解與思考提供“支架”來(lái)化解難點(diǎn)。

問(wèn)：如果把“電擊游戲”電路中參與體驗(yàn)的同學(xué)換成燈泡，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)可以觀察到什么現(xiàn)象？

答：產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)的線圈可以看作一個(gè)電源，它能繼續(xù)給燈泡供電，燈泡不會(huì)立即熄滅。

實(shí)驗(yàn)演示：

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：燈泡閃亮了一下，沒(méi)有立即熄滅。（暫不對(duì)燈泡發(fā)光變亮這一現(xiàn)象進(jìn)行探討）

在此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示不僅可以對(duì)前面的理論推理進(jìn)行驗(yàn)證，還可以通過(guò)小燈泡的發(fā)光讓同學(xué)們“觀察”到線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)。

問(wèn)：電源斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)線圈L的電流減小，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。自感電動(dòng)勢(shì)的作用是使得線圈L中的電流減小得更快些還是更慢些？

學(xué)生活動(dòng)（理論分析）：

答：當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)線圈的電流（如圖2）減小，由楞次定律可判斷感應(yīng)電流的方向與電流的方向相同，使得線圈L中的電流減小得更慢些。

問(wèn)：通過(guò)線圈的電流減小，自感電動(dòng)勢(shì)使得線圈L中的電流減小得更慢。那么，當(dāng)通過(guò)線圈的電流增加，自感電動(dòng)勢(shì)又會(huì)如何影響電流的變化呢？

答：在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，通過(guò)線圈的電流（如圖3）增加，由楞次定律可以判斷感應(yīng)電流與線圈中電流的方向相反。

自感電動(dòng)勢(shì)的作用是阻礙線圈中電流的變化，為了讓學(xué)生對(duì)“阻礙”一詞有較為深刻的理解，可在通電自感實(shí)驗(yàn)演示之前讓學(xué)生先對(duì)燈泡的發(fā)光情況進(jìn)行“猜想”。猜想源自學(xué)生對(duì)“自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流作用”的理解，猜想也是對(duì)“自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流作用”的另一種表述。觀察通電自感燈泡的發(fā)光情況也能幫助學(xué)生更好地理解“阻礙”的含義。

在圖3電路中接入燈泡，根據(jù)你對(duì)自感電動(dòng)勢(shì)的認(rèn)識(shí)，說(shuō)一說(shuō)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)燈泡的發(fā)光情況。

發(fā)光情況可能有：

①燈泡A1沒(méi)有辦法被點(diǎn)亮；

②燈泡A1會(huì)先變亮后熄滅；

③燈泡A1逐漸變亮。

有條件的學(xué)校，建議依次進(jìn)行甲、乙兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)（如圖4），通過(guò)演示讓學(xué)生看到對(duì)比帶來(lái)的差異性，通過(guò)對(duì)比能更直觀地觀察到燈泡A1的發(fā)光情況。在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力的同時(shí)也向?qū)W生傳授了“對(duì)比觀察”的實(shí)驗(yàn)方法。

分析與論證

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：燈泡A2立即變亮，而與線圈串聯(lián)的燈泡A1逐漸變亮。最后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，兩燈亮度相同。表明線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)延長(zhǎng)了燈泡達(dá)到正常發(fā)光的時(shí)間，推遲了電流到達(dá)正常值的時(shí)間。

歸納總結(jié)

斷電自感時(shí)通過(guò)線圈的電流減小，自感電動(dòng)勢(shì)使得電流減小得慢些，但最終電流大小減小為零；通電自感時(shí)通過(guò)線圈的電流增加，自感電動(dòng)勢(shì)使得電流增加得慢些，但最終電流到達(dá)正常值。自感電動(dòng)勢(shì)的特性：自感電動(dòng)勢(shì)總是要阻礙通過(guò)線圈的電流變化。

1.3 拓展應(yīng)用——對(duì)斷電自感電路的進(jìn)一步討論

問(wèn)：在圖2電路中，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈可以看作一個(gè)電源，它能向外供電。由于開(kāi)關(guān)已經(jīng)斷開(kāi)，線圈提供的感應(yīng)電流將沿什么途徑流動(dòng)？開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前后通過(guò)燈泡的感應(yīng)電流與原來(lái)通過(guò)它的電流方向是否一致？

答：通過(guò)燈泡的電流方向發(fā)生了變化，不一致（如圖2）。

問(wèn)：如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)通過(guò)燈泡的電流方向發(fā)生了改變？

答：在電路中加入發(fā)光二極管或者電流計(jì)（如圖5、圖6）。

問(wèn)：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，通過(guò)燈泡的感應(yīng)電流是否有可能比原來(lái)的電流更大？

在授課時(shí)教師可以聯(lián)系斷電自感演示時(shí)“燈泡閃亮一下”這個(gè)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生回答。并使用電流傳感器采集數(shù)據(jù)，給學(xué)生展示電流反向變大這一過(guò)程。

圖7為電流傳感器采集的I-t圖像?？梢杂^察到開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，通過(guò)燈泡的電流方向發(fā)生了改變，且電流大小大于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)前的數(shù)值。

2 幾點(diǎn)想法

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)要明確探究重點(diǎn)

在教學(xué)設(shè)計(jì)中，確定探究課題后，應(yīng)認(rèn)真分析每個(gè)探究活動(dòng)的過(guò)程所要達(dá)到的目標(biāo)，由于一堂課時(shí)間很有限，不可能讓學(xué)生對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行探究，所以必須確定讓學(xué)生探究的重點(diǎn)。做“電擊體驗(yàn)”游戲時(shí)，探究的重點(diǎn)是自感電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原因；探究“自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的影響作用”時(shí)，探究活動(dòng)的重點(diǎn)是電流變化時(shí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其電流方向、通電自感電路中燈泡發(fā)光情況的猜測(cè)與觀察、自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流影響作用的歸納與總結(jié)，等等。側(cè)重在某一個(gè)或幾個(gè)方面讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)探究的實(shí)質(zhì)，這對(duì)提高科學(xué)探究的質(zhì)量是非常重要的。盲目的探索不僅達(dá)不到科學(xué)探究的目的，而且還可能完不成教學(xué)任務(wù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材的選擇

探究所需的器材不是越先進(jìn)就越好，反而是越簡(jiǎn)單越能體現(xiàn)物理的探究性。在物理學(xué)中常常有利用簡(jiǎn)單的儀器或設(shè)備，完成驚人的發(fā)現(xiàn)。如自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)。因此，在探究自感電動(dòng)勢(shì)的特性時(shí)，并不是一定要使用電流傳感器來(lái)演示自感對(duì)電路電流的影響。

2.3 勿讓演示實(shí)驗(yàn)“喧賓奪主”

在觀摩“自感現(xiàn)象”示范課時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些教師為了營(yíng)造課堂氛圍，過(guò)多地設(shè)置演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)——既觀察燈泡的發(fā)光情況又使用傳感器演示自感對(duì)電流的影響，以致教學(xué)任務(wù)不能完成。依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)課的重點(diǎn)應(yīng)該是運(yùn)用所學(xué)知識(shí)思考和解決實(shí)際問(wèn)題，而不是簡(jiǎn)單對(duì)自感現(xiàn)象進(jìn)行觀察。

3 結(jié) 語(yǔ)

在此“自感現(xiàn)象”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)探究活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)、思考、推理和觀察，從而“發(fā)現(xiàn)”和掌握自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的阻礙作用。通過(guò)對(duì)一系列問(wèn)題的討論求解，促使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)思考和解決實(shí)際問(wèn)題。在課堂教學(xué)中，教師只是在拋出問(wèn)題、演示實(shí)驗(yàn)，而學(xué)生帶著問(wèn)題認(rèn)真推理分析、觀察現(xiàn)象，積極主動(dòng)地討論、梳理、總結(jié)，成為了課堂真正的主人。

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