重視知識(shí)建構(gòu) 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)①
——以“磁場對(duì)電流的作用 電動(dòng)機(jī)”教學(xué)為例

(江蘇省太倉市良輔中學(xué)，江蘇 蘇州 215400)

“磁場對(duì)電流的作用 電動(dòng)機(jī)”是蘇科版物理九年級(jí)下冊(cè)第十六章第三節(jié)的內(nèi)容，由“觀察磁場對(duì)通電直導(dǎo)線的作用”“觀察磁場對(duì)通電線圈的作用”和“能夠使線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器”三部分內(nèi)容組成。從知識(shí)角度看，三部分內(nèi)容緊密聯(lián)系，從學(xué)生認(rèn)知方面考慮，內(nèi)容由淺入深、循序漸進(jìn)、逐步到位。

在“能夠使線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器”的教學(xué)中，由于涉及的問題具有綜合性、真實(shí)性、復(fù)雜性，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力提出了很高的要求，學(xué)生要具備構(gòu)建模型的意識(shí)和能力，需要能夠根據(jù)解決問題過程中碰到的新情況及時(shí)調(diào)整策略，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，要具有質(zhì)疑意識(shí)，以發(fā)現(xiàn)問題背后本質(zhì)性的東西。在實(shí)際的教學(xué)中，有老師的教學(xué)設(shè)計(jì)比較草率，表面化、教條化地處理這部分內(nèi)容，既沒有照顧到學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，去發(fā)現(xiàn)學(xué)生已有的知識(shí)與新知識(shí)間的聯(lián)系，也沒有關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)中的知識(shí)構(gòu)建，教師往往從自己的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)，加上課堂上沒有設(shè)計(jì)學(xué)生親身體驗(yàn)的活動(dòng)，缺少理論與實(shí)踐的結(jié)合,結(jié)果使學(xué)生感到問題的出現(xiàn)非常突兀，課堂枯燥乏味。

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為：學(xué)習(xí)并非是學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的被動(dòng)接納，而是在自己已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的主動(dòng)建構(gòu)。[1]就是說，學(xué)生的學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷建構(gòu)的過程，只有學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)，不斷調(diào)整自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，學(xué)生的學(xué)習(xí)才能獲得成功。所以，在教學(xué)過程中特別要重視學(xué)生“已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)”，使學(xué)生學(xué)習(xí)的過程真正變?yōu)閷W(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)的過程。

1 重視學(xué)生體驗(yàn)，在體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題

學(xué)生的體驗(yàn)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，夸美紐斯在《大教學(xué)論》中寫道:“一切知識(shí)都是從感官開始的?！盵2]這種論述反映了教學(xué)過程中學(xué)生認(rèn)識(shí)規(guī)律的一個(gè)重要方面：直觀體驗(yàn)可以使抽象的知識(shí)具體化、形象化，有助于學(xué)生感性知識(shí)的形成。由于體驗(yàn)過程使學(xué)生身臨其境，展示了鮮明具體的形象，一方面使學(xué)生從形象的感知達(dá)到抽象的理性的頓悟，另一方面也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒和興趣，使學(xué)習(xí)活動(dòng)成為學(xué)生主動(dòng)的、自覺的活動(dòng)。同時(shí)，體驗(yàn)式教學(xué)創(chuàng)建了一種互動(dòng)的交往形式，教學(xué)過程既是師生信息的交流過程，也是師生情感的交流過程。

本節(jié)課在體驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了兩個(gè)體驗(yàn)活動(dòng)。

體驗(yàn)活動(dòng)1：觀察磁場對(duì)通電直導(dǎo)體的作用。

如圖1所示，閉合開關(guān)，原來靜止在磁場中的導(dǎo)體發(fā)生運(yùn)動(dòng)。保持磁場方向不變，改變電流方向，磁場中導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生了改變。保持電流方向不變，改變磁場方向，磁場中導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生了改變。

圖1

圖2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，歸納得出：(1) 通電導(dǎo)體在磁場中受到力的作用而運(yùn)動(dòng)；(2) 通電導(dǎo)體受到的磁場力方向與磁感線方向和電流方向有關(guān)。

通過上述的體驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生不僅知道了通電導(dǎo)體與磁場存在著相互作用，也為整節(jié)課的探究作了必要的理論準(zhǔn)備。

體驗(yàn)活動(dòng)2：觀察磁場對(duì)通電線圈的作用。

如圖2所示，在通電瞬間，線框?qū)⑷绾芜\(yùn)動(dòng)？

線圈在磁場中的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，學(xué)生的描述遇到了困難，經(jīng)過仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)：線圈從如圖2位置開始，先逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一定角度，接著轉(zhuǎn)速減小，再反向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣來回扭動(dòng)，最后停止在平衡位置。

那么，為什么通電線圈在磁場中不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？要使線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，有什么方法？

由于學(xué)生親歷了實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)新知識(shí)接受有了必要的心理準(zhǔn)備，同時(shí)在體驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)了問題，為問題的探究作了充分的準(zhǔn)備。

2 細(xì)化探究過程，在探究中實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)

問題探究1：為什么線圈只是來回扭動(dòng)而不是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)？

該問題的討論是探究過程中的關(guān)鍵，它既是所學(xué)新知識(shí)在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用，也是進(jìn)一步探究的基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用。由于問題較復(fù)雜，課堂上采取小組合作學(xué)習(xí)的形式。對(duì)討論過程中模糊的認(rèn)識(shí)和普遍存在的問題，通過課堂交流環(huán)節(jié)解決。

通過學(xué)生討論，結(jié)合模型分析可以發(fā)現(xiàn)，線圈運(yùn)動(dòng)是由其受力情況所決定的。

如圖3所示，線圈剛通電時(shí)，線框左右兩邊受到的磁場力分別向上、向下，所以在磁場力作用下，線圈加速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3

圖4

如圖4所示：線圈轉(zhuǎn)過90°時(shí)，線框上下兩邊受到的磁場力仍分別向上、向下，但此時(shí)磁場力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)作用產(chǎn)生的力矩為零，由于慣性線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖5所示，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過90°時(shí)，線框左右兩邊受到的磁場力分別向下、向上，所以在磁場力作用下，線圈先減速轉(zhuǎn)動(dòng)，再反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5

圖6

如圖6所示，線圈經(jīng)過幾次來回扭動(dòng)后，停在了平衡位置。

顯然，線圈不能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵，在于線框左右兩邊受到的磁場力不能提供持續(xù)的動(dòng)力。問題的關(guān)鍵找到了，如何來解決這個(gè)問題呢？這就引出了問題2的探究。

問題探究2：若要使線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，有什么方法？

對(duì)于問題2的探究是整堂課的核心，是學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、創(chuàng)造性解決問題的過程。由于問題具有開放性，在解決問題的過程中，要求學(xué)生能從多角度、多層次、多結(jié)構(gòu)去思考，去尋找答案，充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。

使線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是在線圈轉(zhuǎn)過平衡位置時(shí)，改變力的方向，而改變力的方向最合理的方法是改變電流方向，據(jù)此設(shè)計(jì)出方案。

課堂上通過小組合作探究和教師的積極引導(dǎo)，最終各個(gè)小組提出了自己方案。

方案一：雙電源變向法

雙電源變向法是學(xué)生設(shè)計(jì)中提出最多的方案，如圖7所示，利用兩組電源、一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，交替地供電，實(shí)現(xiàn)改變電流方向的目的。有學(xué)生提出，利用兩組電源設(shè)計(jì)上不夠簡潔。

圖7

圖8

方案二：單電源變向法

單電源變向法是上一種方案的改進(jìn)版，如圖8所示，利用一組電源和兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)，交替地供電，以實(shí)現(xiàn)改變電流方向的目的。

方案三：間隙通電法

如圖9所示，線圈在轉(zhuǎn)過平衡位置時(shí)，切斷電源，由于慣性，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過間隙通電可為線圈轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。

圖9

由于細(xì)化了探究過程，學(xué)生在探究過程中的創(chuàng)造性得到了充分的發(fā)揮，在探究過程中實(shí)現(xiàn)了知識(shí)建構(gòu)。

問題是探究式教學(xué)的核心與載體，學(xué)生的探究活動(dòng)是圍繞問題展開的。教師必須根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容，精心考量，提出難度適中的問題，在富有開放性的問題情境中進(jìn)行探究，這是探究活動(dòng)成功的關(guān)鍵。

3 培養(yǎng)批判精神，在反思中追求創(chuàng)新

通過學(xué)生的自主探究，從理論上解決了使線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，在實(shí)際操作中又會(huì)遇到什么問題呢？

接著，讓學(xué)生按照自己設(shè)計(jì)的方案，連成實(shí)際的電路上臺(tái)展示。

學(xué)生馬上發(fā)現(xiàn)了新的問題：(1) 開關(guān)由人工操作，理論上好像沒有問題，但實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，要使電路中電流的變向與線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)步調(diào)完全吻合，幾乎是不可能的，如果線圈高速轉(zhuǎn)動(dòng)，要予以實(shí)現(xiàn)更是天方夜譚；(2) 由于線圈與電源的連線是固定的，所以沒轉(zhuǎn)幾圈，導(dǎo)線就纏在一起了，線圈不可能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

這是在實(shí)際研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，要解決這些問題，需要?jiǎng)?chuàng)造性的發(fā)散性思維。創(chuàng)造性思維具有新穎性，貴在創(chuàng)新，在思路的選擇上、思考的技巧上、思維的結(jié)果上，具有獨(dú)到之處。

圖10

換向器的發(fā)明就是從理論到實(shí)踐的一次很好的體驗(yàn)。在老師的啟發(fā)下，學(xué)生終于發(fā)現(xiàn)了如圖10的換向器，解決了大家提出的問題。有學(xué)生指出，換向器的實(shí)質(zhì)是兩個(gè)組合在一起的一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，這種理解入木三分。

4 結(jié)語

在教學(xué)中，教師必須從學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)，激活學(xué)生頭腦中已有的知識(shí)，在此基礎(chǔ)上，教師要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入新知識(shí)的學(xué)習(xí)。在傳授新知識(shí)時(shí)，教師不能照本宣科，而要將學(xué)習(xí)的內(nèi)容、任務(wù)整合成易于被學(xué)生所理解的有組織的知識(shí)，把這些知識(shí)與學(xué)生生活實(shí)際緊密結(jié)合，并根據(jù)具體情況選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，以適當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)、講授給學(xué)生。

教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)適時(shí)地“修剪”、重組教材的內(nèi)容、方法，以適合學(xué)生吸收。從這種意義上講，教學(xué)設(shè)計(jì)的過程是對(duì)教材再次開發(fā)的過程。只有重視知識(shí)建構(gòu)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，才可以更好地達(dá)到教學(xué)的目標(biāo)。