感生電場(chǎng)的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

付靜

摘? 要 探究式教學(xué)是目前國際上最受推崇的一種以教學(xué)為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的互動(dòng)式教學(xué)模式。吉林建筑科技學(xué)院成立了探究式教學(xué)研究小組，以“感生電場(chǎng)”一課為例，開展探究式教學(xué)模式研究與實(shí)踐。經(jīng)小組研究討論，并由主講教師按照“感生電場(chǎng)的提出、感生電場(chǎng)的特點(diǎn)、感生電場(chǎng)的應(yīng)用”這條主線進(jìn)行講授，課堂采用探究式教學(xué)模式，同時(shí)在課堂中穿插了實(shí)驗(yàn)演示、互動(dòng)交流等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，營造了活躍、生動(dòng)的課堂氛圍，為探究式教學(xué)更好地發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 探究式教學(xué);感生電場(chǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)演示

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）12-0124-04

Abstract Inquiry-based teaching is currently the most respected interactive teaching model in the world. The school has set up an inquiry-based teaching research group. Taking the class of “sensing electric field” as an example， it has carried out research and practice of inquiry-based teaching mode. After discussion and discussion by the group， the lecturer conducted the lecture according to the main line of “the introduction of induced electric field， the characteristics of induced electric field， and the application of induced electric field”. The classroom adopts the inquiry teaching mode and inter-spersed experiments in the classroom. Demonstration， interactive communication and other aspects have realized the combination of?theory and experiment， creating an active and vivid classroom atmos-phere. It laid the foundation for better development of inquiry tea-ching.

Key words inquiry teaching; induced electric field; instructional design; experiments demonstration

1 引言

近幾年來，各高校為了提高教學(xué)水平，不斷探索、改革教學(xué)模式、形式和手段。探究式教學(xué)是一種師生互動(dòng)式教學(xué)模式，它將教師的教學(xué)與學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)融為一體，具有研究性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)，是目前國際上最受推崇的一種互動(dòng)式教學(xué)模式[1-2]。因此，深入開展、研究探究式教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)形式和教學(xué)效果，對(duì)提高高校教學(xué)水平，培養(yǎng)高層次創(chuàng)新應(yīng)用型人才具有十分重要的意義。

為此，吉林建筑科技學(xué)院物理教研室于2010年成立探究式教學(xué)研究小組，致力于教學(xué)模式的改革與實(shí)踐研究，先后取得很多研究成果。本文以感生電場(chǎng)一課為例，從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)過程、教學(xué)效果、教學(xué)反思等四個(gè)方面，深入探討探究式教學(xué)模式，希望各位老師互相借鑒、共同探討。

2 探究式教學(xué)模式的內(nèi)涵

所謂探究式教學(xué)模式，就是教師引導(dǎo)性地教，學(xué)生探究性地學(xué)，以學(xué)生為主體，自主學(xué)習(xí)和合作探究相結(jié)合的教學(xué)模式。探究式教學(xué)模式的具體做法就是教師把所要講述的內(nèi)容分成若干個(gè)問題、項(xiàng)目或設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和合作探究的方式，一一解決問題。在解決問題的過程中，學(xué)生在獲取知識(shí)的同時(shí)，激發(fā)求知欲，培養(yǎng)學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)新能力，提高探究技能。探究式教學(xué)真正體現(xiàn)了以人為本的主體性原則，進(jìn)一步詮釋了學(xué)生才是教學(xué)的主體。

3 感生電場(chǎng)的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)[3-5]

教學(xué)任務(wù)? 感生電場(chǎng)屬于電磁感應(yīng)部分的內(nèi)容之一，學(xué)生之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過高等數(shù)學(xué)的微積分和大學(xué)物理中的電學(xué)、磁學(xué)的相關(guān)知識(shí)，并了解了電磁感應(yīng)的概念。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是電磁學(xué)領(lǐng)域最重大的成就之一，為電工學(xué)和電子技術(shù)學(xué)奠定了基礎(chǔ)，為人類獲得巨大而廉價(jià)的電能和進(jìn)入無線電通信的信息時(shí)代開辟了道路，而感生電場(chǎng)是電磁感應(yīng)的重要內(nèi)容之一，是工科學(xué)生必須掌握的物理知識(shí)。為此，選擇吉林建筑科技學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)一年級(jí)學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)班，該專業(yè)的學(xué)生將來從事的是與電氣工程有關(guān)的電力電子技術(shù)、研制開發(fā)等領(lǐng)域，因此，對(duì)于感生電場(chǎng)的理論與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，對(duì)于提高學(xué)生的專業(yè)技能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是必不可少的。

教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)技能。

①了解感生電場(chǎng)的來源：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的。

②掌握感生電場(chǎng)的特點(diǎn)，即電場(chǎng)線是閉合的;掌握感生電場(chǎng)的環(huán)路定理和高斯定理表達(dá)式，以及感生電場(chǎng)和靜電場(chǎng)的區(qū)別。

③了解感生電場(chǎng)的幾種效應(yīng)，即熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、趨膚效應(yīng);了解感生電場(chǎng)在工程技術(shù)和生產(chǎn)生活中的應(yīng)用;了解磁懸浮列車的起動(dòng)、制動(dòng)原理。

2）能力指標(biāo)。

①能利用感生電場(chǎng)的環(huán)路定理和高斯定理解決具體的題目，加深學(xué)生對(duì)感生電場(chǎng)基本概念和定理的理解。

②會(huì)利用感生電場(chǎng)的幾種效應(yīng)分析磁懸浮列車起動(dòng)與制動(dòng)、電子感應(yīng)加速器和電磁加熱過程中的原理，使學(xué)生了解感生電場(chǎng)在電氣自動(dòng)化工程中以及生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和解決實(shí)際問題的能力。

③利用課堂實(shí)驗(yàn)演示現(xiàn)象，并通過分組討論環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，提高探究能力，培養(yǎng)科學(xué)精神。

教學(xué)策略和教學(xué)流程設(shè)計(jì)

1）教學(xué)策略。本節(jié)課采用以教師為主導(dǎo)、學(xué)生探究式學(xué)習(xí)為主體的教學(xué)原則，教師在課堂上只講本節(jié)課的幾個(gè)相關(guān)重要知識(shí)點(diǎn)，講解過程穿插物理學(xué)史和實(shí)驗(yàn)演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后利用事先設(shè)定的具有針對(duì)性的問題，讓學(xué)生通過分組討論的形式進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。為激發(fā)學(xué)生參與思考與討論的積極性，設(shè)小組積分制，最先討論出正確答案的，給予一定的積分獎(jiǎng)勵(lì)。課程結(jié)束前評(píng)選出本節(jié)課最佳小組表現(xiàn)獎(jiǎng)和最佳個(gè)人表現(xiàn)獎(jiǎng)。

2）教學(xué)流程設(shè)計(jì)。

①利用生活中常接觸到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作為引課，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

②教師穿插有趣的物理學(xué)史講解麥克斯韋如何提出了感生電場(chǎng)的概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨后，教師給出幾個(gè)有針對(duì)性的問題，學(xué)生分組進(jìn)行討論，并歸納總結(jié)感生電場(chǎng)的幾個(gè)特點(diǎn)，以及它和靜電場(chǎng)的區(qū)別。此環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)學(xué)生為主體的教學(xué)原則，學(xué)生通過互動(dòng)討論，獲取知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)語言表達(dá)能力、探究能力、歸納總結(jié)能力和創(chuàng)新能力。

③教師利用演示實(shí)驗(yàn)講解感生電場(chǎng)的幾個(gè)重要的應(yīng)用，讓學(xué)生直觀地感受感生電場(chǎng)的存在。最后仍然利用演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給學(xué)生留下課后討論的問題，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。

4 感生電場(chǎng)的探究式教學(xué)過程

課題的引入? 教師利用渦旋電流產(chǎn)生熱量的演示實(shí)驗(yàn)，模擬電磁爐燒水的過程，如圖1所示，通電后，在短短的幾秒鐘內(nèi)水槽中的水就沸騰了。利用這個(gè)神奇的小實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課的主要內(nèi)容。

講解感生電場(chǎng)的來源? 教師引入物理學(xué)史，講解麥克斯韋是如何提出感生電場(chǎng)的概念的。麥克斯韋做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他在一個(gè)磁場(chǎng)中垂直地放入一個(gè)環(huán)形線圈，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)線圈中會(huì)有電流流過。于是，麥克斯韋想：“是什么力量推動(dòng)了電荷作定向運(yùn)動(dòng)，形成了電流呢？是靜電場(chǎng)力嗎？不是。是洛倫茲力嗎？也不是。”于是，在1856年的時(shí)候，麥克斯韋大膽地提出一個(gè)假設(shè)，那就是變化的磁場(chǎng)一定是產(chǎn)生了一個(gè)新的電場(chǎng)，推動(dòng)電荷做運(yùn)動(dòng)。麥克斯韋后來把這種新的電場(chǎng)就叫感生電場(chǎng)。正是由于感生電場(chǎng)的提出，使人們對(duì)于電磁學(xué)的研究在19世紀(jì)達(dá)到一個(gè)巔峰，也使人們從蒸汽機(jī)時(shí)代邁入信息化、電氣化時(shí)代。

伴隨著這個(gè)生動(dòng)的小故事，跟隨科學(xué)家的腳步，重溫科學(xué)發(fā)展的歷史，感受新理論提出的震撼力量，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和勇于創(chuàng)新的精神。

探究感生電場(chǎng)在工程技術(shù)和生活中的應(yīng)用? 為了提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，這部分內(nèi)容沒有把感生電場(chǎng)的特點(diǎn)和應(yīng)用分開講，而是結(jié)合在一起，根據(jù)感生電場(chǎng)的特點(diǎn)探討其應(yīng)用。因此，這部分內(nèi)容的重點(diǎn)是總結(jié)感生電場(chǎng)的特點(diǎn)和理解感生電場(chǎng)的應(yīng)用原理。為了加深學(xué)生對(duì)感生電場(chǎng)的理解，同時(shí)切實(shí)提高學(xué)生的探究能力以及解決問題的能力，采用的是啟發(fā)式、探究式與討論式相結(jié)合的混合式教學(xué)方法。

首先由教師利用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)感生電場(chǎng)的特點(diǎn)：感生電場(chǎng)是由變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的;感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合了（渦旋形狀，因此也稱渦旋電場(chǎng)），環(huán)繞磁感線的;感生電場(chǎng)對(duì)電荷有力的作用;等等。并探討感生電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的區(qū)別與聯(lián)系，如表1所示。然后根據(jù)感生電場(chǎng)的特點(diǎn)，指出其在工程技術(shù)上的應(yīng)用。

1）電子感應(yīng)加速器。如圖2所示，N和S是圓形電磁鐵的兩極，在兩極中間裝有環(huán)形真空室，電磁鐵在頻率為每秒約數(shù)十周的強(qiáng)大交變電流的激勵(lì)下，在環(huán)形真空室區(qū)域產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這交變磁場(chǎng)又在環(huán)形真空室內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的渦旋電場(chǎng)。由電子槍注入環(huán)形真空室中的電子，既在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用而在環(huán)形室內(nèi)沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)，又受渦旋電場(chǎng)的作用沿軌道切線方向而加速。電子感應(yīng)加速器主要應(yīng)用在工業(yè)上用于γ探傷和醫(yī)學(xué)上用于治療癌癥。

2）渦電流的熱作用。這部分內(nèi)容是本節(jié)課學(xué)生參與度最高的一部分，也是學(xué)生最喜歡、表現(xiàn)最活躍的部分。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，首先選擇的例子是生活中常見的家用電磁爐，學(xué)生分組討論家用電磁爐為什么要選擇金屬器皿，而不能用玻璃制品。對(duì)最先回答出正確答案的小組和個(gè)人給予相應(yīng)的積分獎(jiǎng)勵(lì)。

其次，呼應(yīng)課前做過的演示實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，要求學(xué)生仍然進(jìn)行分組討論：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，渦電流是如何發(fā)揮其作用的？對(duì)表現(xiàn)好的小組和個(gè)人仍然給予相應(yīng)的積分獎(jiǎng)勵(lì)。有了前面的基礎(chǔ)，學(xué)生能很快地分析出渦電流的熱效應(yīng)在此處的應(yīng)用原理。

3）渦電流的機(jī)械效應(yīng)。課堂氛圍持續(xù)升溫，教師接著用實(shí)驗(yàn)演示了渦電流的機(jī)械效應(yīng)。如圖3所示磁阻尼演示儀，在兩塊電磁鐵N和S極的中間留有一定的空隙，讓一個(gè)單擺從中穿過做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在單擺的末端，教師選擇兩片不同的銅片，一片是完整的，一片是被切成很多條狀溝的。教師首先讓學(xué)生猜測(cè)哪個(gè)銅片會(huì)停得更快？待學(xué)生思考幾秒鐘后，教師分別把兩個(gè)銅片掛在單擺的末端，做了同樣的擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果很明顯，整片的銅片很快停了下來，而另一片停的時(shí)間會(huì)長很多。學(xué)生這時(shí)很好奇，都在積極地思考：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？接著仍然是分組討論，并由學(xué)生公布自己所在小組的討論結(jié)果，教師只負(fù)責(zé)引導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)。

布置課后討論作業(yè)? 經(jīng)過前面的討論，學(xué)生意猶未盡，所以課后討論，教師仍然采用實(shí)驗(yàn)演示的方法引出題目。如圖4所示，教師先介紹磁驅(qū)動(dòng)演示儀器的結(jié)構(gòu)，然后讓學(xué)生猜想：金屬盤會(huì)不會(huì)跟著這個(gè)磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)？學(xué)生此時(shí)的表現(xiàn)仍然很積極，迫不及急地將自己的想法表達(dá)出來。然后，教師接通電源，讓磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，演示磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生都驚呼不已。教師宣布今天的作業(yè)，課后討論：為什么金屬盤會(huì)跟著磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)？讓學(xué)生帶著問題離開課堂。

5 教學(xué)效果的檢測(cè)

為了給出一個(gè)綜合性的教學(xué)效果評(píng)價(jià)[6]，教師專門為感生電場(chǎng)一課設(shè)計(jì)了測(cè)試題，題目從每年的期末考試題中抽取，也是為了與以往學(xué)生的期末成績進(jìn)行比較。試題內(nèi)容包括基礎(chǔ)概念題和應(yīng)用題，形式上有選擇題、填空題、判斷題和簡答題。同時(shí)，利用問卷調(diào)查檢測(cè)學(xué)生對(duì)于探究式學(xué)習(xí)的認(rèn)可程度。

測(cè)驗(yàn)結(jié)果? 測(cè)驗(yàn)在本實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行，人數(shù)為80人，題目數(shù)量是四道，時(shí)間為40分鐘，測(cè)驗(yàn)成績分布如表2所示。

對(duì)比歷年期末考試時(shí)學(xué)生在感生電場(chǎng)部分的分?jǐn)?shù)，此次測(cè)驗(yàn)學(xué)生的成績明顯偏高。測(cè)試結(jié)果表明，探究式教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相比，對(duì)學(xué)生提升成績有非常積極的效果。

問卷調(diào)查結(jié)果? 對(duì)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，對(duì)“探究式教學(xué)法是否讓你學(xué)到了更多的知識(shí)”持“同意”觀點(diǎn)的學(xué)生占80%，持“不同意”觀點(diǎn)的學(xué)生只占10%。對(duì)“在探究式教學(xué)中，你是否有更好的參與感”持“同意”觀點(diǎn)的學(xué)生占90%，持“不同意”觀點(diǎn)的學(xué)生仍只占10%。這可能有兩個(gè)原因，一個(gè)是學(xué)生理論基礎(chǔ)不同，課上不一定能完全跟住教師的思路;另一個(gè)是學(xué)生長期以來習(xí)慣于傳統(tǒng)填鴨式的學(xué)習(xí)方式，不適應(yīng)探究式的學(xué)習(xí)方法。

6 教學(xué)反思

本節(jié)課采用以教師引導(dǎo)為主線、學(xué)生探究式學(xué)習(xí)為主體的教學(xué)方法，營造了一個(gè)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的學(xué)習(xí)氛圍，充分體現(xiàn)了以人為本的原則，進(jìn)一步詮釋了學(xué)生才是教學(xué)的主體。在探究式學(xué)習(xí)的課堂上，學(xué)生表現(xiàn)出驚人的參與感，多數(shù)學(xué)生能更加主動(dòng)地思考問題，積極地參與討論，勇敢地表達(dá)自己的觀點(diǎn)。探究式學(xué)習(xí)過程在使學(xué)生獲取課本知識(shí)的同時(shí)，不斷產(chǎn)生新的思想，提高了探究能力，培養(yǎng)了解決問題的能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和勇于創(chuàng)新的能力。通過本次教學(xué)，筆者也總結(jié)了幾點(diǎn)感想，與大家分享，希望得到廣大前輩同行的指教。

教學(xué)內(nèi)容的難度要符合學(xué)生的認(rèn)知程度? 物理學(xué)科本身是一門邏輯性非常強(qiáng)的課程，重視知識(shí)的內(nèi)在規(guī)律性、系統(tǒng)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，導(dǎo)致很多學(xué)生根深蒂固地認(rèn)為物理難學(xué)。因此，教師在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)學(xué)生的理論基礎(chǔ)來編排。偏難的內(nèi)容會(huì)影響學(xué)生的自信心，從而影響學(xué)生在課堂上的參與程度，漸漸地失去學(xué)習(xí)的興趣，收到適得其反的效果。

探究式教學(xué)一定要與啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合? 教學(xué)中要不斷地設(shè)置懸念，當(dāng)學(xué)生的好奇心被激發(fā)，思維才更活躍，更愿意參與思考與討論。比如在本次教學(xué)中，設(shè)計(jì)了幾個(gè)懸念：課前做了一個(gè)利用渦電流燒水的實(shí)驗(yàn);兩個(gè)不同的銅片穿過磁場(chǎng)時(shí)擺動(dòng)不同的實(shí)驗(yàn);磁驅(qū)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)一次次地吸引了學(xué)生的眼球，激發(fā)了學(xué)生更大的求知欲。

理論與實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系? 在本次教學(xué)中選擇了三個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)，并且演示了神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生感受到感生電場(chǎng)這樣一個(gè)抽象的物質(zhì)是真實(shí)存在的，增強(qiáng)對(duì)理論的直觀感受。通過探究式教學(xué)，讓學(xué)生感覺到這樣抽象的理論，在實(shí)際的工程技術(shù)中是有很多應(yīng)用的，培養(yǎng)了學(xué)生的科研精神和創(chuàng)新思維。

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