基于磁學(xué)學(xué)科特點(diǎn)和知識特點(diǎn)的教學(xué)策略淺析

姜慶榮

摘 要：本文基于磁學(xué)綜合性強(qiáng)、抽象性高、實(shí)驗(yàn)多樣化等學(xué)科特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮磁學(xué)的“對稱性”“變化性”“空間性”的知識特點(diǎn)，制定出符合學(xué)生思維特點(diǎn)的教學(xué)策略。并以相關(guān)知識點(diǎn)的具體操作為例進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：磁學(xué)；特點(diǎn)；教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0019-3

磁學(xué)知識集力學(xué)、電學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、數(shù)學(xué)等各方面知識于一體，綜合性很強(qiáng)。從學(xué)科角度上看，磁學(xué)部分知識具有綜合性、抽象性、前沿性、多樣性等特點(diǎn)。而從磁學(xué)知識本身來講，筆者總結(jié)出了幾個(gè)特點(diǎn)，分別是：對稱性、變化性、空間性。其中，磁學(xué)的空間變化性特征較難突破。教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)從學(xué)科特點(diǎn)和知識特點(diǎn)兩個(gè)維度綜合考慮學(xué)生可能存在的思維障礙，制定相應(yīng)的教學(xué)策略。

1 凸顯實(shí)驗(yàn)系列邏輯的策略，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，課堂勢必離不開實(shí)驗(yàn)。教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，若能夠更加注重實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)之間的邏輯性，甚至將單個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成實(shí)驗(yàn)系列，這顯然更有利于學(xué)生物理邏輯思維能力的培養(yǎng)。

案例 “自感”實(shí)驗(yàn)系

（1）巧改“千人震”

將“千人震”的核心部分用一個(gè)“黑匣子”罩起來（如圖1所示），以達(dá)到“欲擒故縱”的效果。

（2）學(xué)生推理，設(shè)計(jì)自感實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在掌握了互感原理的基礎(chǔ)上，在教師的引導(dǎo)下推理出自感現(xiàn)象的可能性，從而實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自身的猜想。

學(xué)生首先會(huì)想到圖2的方案。根據(jù)“阻礙電流”的原理，學(xué)生期待看到這樣的現(xiàn)象：閉合開關(guān)，小燈泡慢慢變亮。但是，學(xué)生并不會(huì)觀察到期待的現(xiàn)象。

由于推理過程沒有問題，所以學(xué)生會(huì)想到采用現(xiàn)象對比的方法。于是，學(xué)生想到并聯(lián)一個(gè)燈泡，從而設(shè)計(jì)出如圖3的電路圖。學(xué)生如愿觀察到：閉合開關(guān)瞬間，燈泡A1確實(shí)比燈泡A2亮的晚一些。從而證明學(xué)生猜測正確。

（3）教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)思維沖突

教師在兩條支路上分別串聯(lián)電流傳感器（如圖4），以期達(dá)到更好的觀察效果。學(xué)生觀察到的電流變化情況如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)在斷電瞬間無線圈電路電流反向。

（4）合理猜想，驗(yàn)證斷電自感

學(xué)生在上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)出如圖6所示的實(shí)驗(yàn)方案以驗(yàn)證斷電自感現(xiàn)象。

2 教學(xué)情境可視化的策略，突破空間變化性特點(diǎn)

磁學(xué)中由于磁場的不可視性，導(dǎo)致學(xué)生對電磁現(xiàn)象以及磁學(xué)的知識難以掌握。如果我們能夠?qū)⒖床灰姷拇艌鲞M(jìn)行可視化的模擬，設(shè)計(jì)制作出一些可視化較好的模擬磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果會(huì)更加顯著。

2.1 巧用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將磁場可視化

例如，《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生》一節(jié)，一般教師都是以實(shí)驗(yàn)演示的方式和學(xué)生一起探究，或者多準(zhǔn)備些器材，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)自主探究。但實(shí)體實(shí)驗(yàn)的弊端在于：很多學(xué)生不能從空間概念的角度在腦海中呈現(xiàn)出磁通量的空間變化。這時(shí)若采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，顯示磁感應(yīng)線的分布，則會(huì)達(dá)到較好的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)截屏如圖7所示。

2.2 巧用動(dòng)畫演示，將動(dòng)態(tài)過程可視化

案例1 霍爾效應(yīng)模型中，穩(wěn)定時(shí)為何會(huì)形成恒定的電壓，在達(dá)到穩(wěn)定過程中電荷是如何累積的，學(xué)生往往一籌莫展。教師可以借助霍爾效應(yīng)的動(dòng)畫，將微觀動(dòng)態(tài)的電荷累積過程呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生理解。

案例2 帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)往往涉及很多尋找臨界的問題。教師可以通過PPT或幾何畫板將尋找臨界的動(dòng)態(tài)過程展示出來，使動(dòng)態(tài)思維可視化，并結(jié)合“縮放圓”“旋轉(zhuǎn)圓”等技巧，幫助學(xué)生迅速找到臨界狀態(tài)。圖8呈現(xiàn)的是利用縮放圓尋找相切的臨界，圖9是縮放圓的動(dòng)態(tài)演示。

3 類比差異化策略，在比較中搭建新知橋梁

將事物進(jìn)行比較可以從兩個(gè)維度：一是找相同點(diǎn)，即類比；二是找不同點(diǎn)，即差異。在進(jìn)行新知教學(xué)時(shí)，用前概念作類比可以較快地幫助學(xué)生探尋到掌握新知的突破口。而尋找新舊知識的差異，可以更有效地幫助學(xué)生深入理解新知。

（1）電場、磁場的類比策略

“類比”曾被形容成科學(xué)活動(dòng)中“偉大的引路人”。歷史進(jìn)程中，科學(xué)家大量運(yùn)用類比手段，結(jié)合創(chuàng)新思維，取得了無數(shù)卓越的成就。類比法是物理學(xué)習(xí)及研究中非常重要的思辨方法。例如，在講解磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)可以從以下幾方面將其與電場強(qiáng)度進(jìn)行類比：物理意義、定義式、矢量性、大小決定因素、場力線等。類比可以快速、有效地幫助學(xué)生了解陌生的概念，對于基礎(chǔ)不是很扎實(shí)的學(xué)生，類比教學(xué)確實(shí)是一種行之有效的方法。

（2）電場、磁場的差異化比較策略

要弄清新知識的內(nèi)涵，僅靠類比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。教師在教學(xué)過程中還要更加注重強(qiáng)調(diào)新舊知識之間的差異性，充分找尋新知識與舊知識的區(qū)別，拒絕盲目類比，生搬硬套。

①“縱場”與“橫場”的差異。靜電場是有源無旋場，屬于縱場；磁場是無源有旋場，屬于橫場。靜電場是有“源頭”和“尾閭”的，而磁場則沒有“源頭”和“尾閭”，磁場的磁感線是閉合的曲線。

②“靜場”和“動(dòng)場”的差異。從產(chǎn)生方式上講，靜電場是靜止的電荷產(chǎn)生的，屬于靜場；磁場是運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的，屬于動(dòng)場。同樣都是電荷產(chǎn)生的場，電荷存在方式的不同會(huì)產(chǎn)生如此大的差異。學(xué)生若能夠認(rèn)識到這種差異，有助于日后理解磁學(xué)的變化性特點(diǎn)。

③空間場特征差異。在工程力學(xué)中是這樣定義縱向力和橫向力的：縱向力是與桿件平行的力；橫向力是與桿件垂直的力。本文將這兩個(gè)概念引入用以描述電場力和磁場力。電場力與該處電場方向平行，所以電場力屬于縱向力；而磁場力方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)電荷的速度所形成的平面垂直，所以磁場力屬于橫向力（考慮到電流本質(zhì)屬于運(yùn)動(dòng)的電荷，此處僅談洛倫茲力）。學(xué)生以往的認(rèn)知中，大部分力都是縱向力，而磁場部分，磁場力與磁場之間形成了一種較為復(fù)雜的空間關(guān)系，學(xué)生很難從過往的經(jīng)驗(yàn)中走出來，從而產(chǎn)生較大的思維障礙。筆者認(rèn)為，這種空間上的思維障礙正是學(xué)生在磁學(xué)部分所需克服的一大難點(diǎn)。

4 突破空間概念的綜合策略，化整為零建立思維梯度

在學(xué)習(xí)磁場之前，物理學(xué)科對學(xué)生的能力要求相對比較單一。比如，勻變速直線運(yùn)動(dòng)涉及的主體是空間位置的變化，而這種空間位置的變化更多涉及一維或二維，對空間想象能力不必作過高要求；再比如，變加速直線運(yùn)動(dòng)（如恒定功率下機(jī)車啟動(dòng)的問題），涉及一些動(dòng)態(tài)的推理過程，而這種動(dòng)態(tài)過程的分析是基于靜態(tài)分析的基礎(chǔ)之上；又如靜電場，屬于靜場縱向力問題，對空間思維能力的要求亦不是很高，且不涉及動(dòng)態(tài)變化過程。

而磁學(xué)知識相較其他板塊知識最大的特點(diǎn)是：它是集動(dòng)態(tài)問題、數(shù)學(xué)問題、空間概念等問題于一身的結(jié)合體，是一項(xiàng)綜合知識，且具有很強(qiáng)的邏輯性。所以，教師在教學(xué)時(shí)，不能一蹴而就，而是要循序漸進(jìn)，采取各個(gè)擊破的策略，將復(fù)雜問題拆解成單一維度的問題逐一分析，再將單一問題還原成綜合問題。

比如，針對電磁感應(yīng)這一難點(diǎn)，可以從以下幾方面突破：首先，電磁感應(yīng)涉及到較為復(fù)雜的空間概念——磁通量。在過往的學(xué)習(xí)中，學(xué)生沒有任何關(guān)于類似通量描述的原型，所以沒有辦法進(jìn)行類比，只能從空間思維上尋求突破。其次，電磁感應(yīng)對應(yīng)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化，而這種變化是結(jié)合空間概念的，同樣需要空間想象能力，并且這種變化從數(shù)學(xué)上看是一種變化率，需要對磁通量進(jìn)行求導(dǎo)，所以電磁感應(yīng)是一個(gè)空間上的數(shù)學(xué)問題。第三，判斷感應(yīng)電流的方向需要用到右手螺旋定則，并要深刻理解“阻礙”二字的內(nèi)涵，所以在空間思維的基礎(chǔ)上還要更加注重邏輯推理。要掌握電磁感應(yīng)必須逐一弄清以上問題。

通過逐層細(xì)化分析，學(xué)生弄清楚了各個(gè)維度的問題，知道了電磁感應(yīng)涉及的磁通量是一個(gè)空間概念，理解了電磁感應(yīng)現(xiàn)象是在動(dòng)態(tài)變化過程中發(fā)生的，并能夠從數(shù)學(xué)角度去理解什么是變化的快慢，同時(shí)理性分析動(dòng)態(tài)變化過程。當(dāng)學(xué)生將上述問題一一攻克后，回過頭來發(fā)現(xiàn)，電磁感應(yīng)其實(shí)是一個(gè)空間上的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)問題。至此，學(xué)生將會(huì)對電磁感應(yīng)有一個(gè)更全面、更深刻的認(rèn)識。

5 結(jié)束語

磁學(xué)知識體系龐大而系統(tǒng)，其獨(dú)特的知識特點(diǎn)決定了學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)比其他版塊知識存在更大的難度。教師在教學(xué)中務(wù)必要擺脫枯燥的空講，要多地根據(jù)磁學(xué)的知識特點(diǎn)制定相應(yīng)的教學(xué)策略，以達(dá)到學(xué)生深度掌握的目的。

參考文獻(xiàn)：

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