重視知識建構(gòu) 研究自制實(shí)驗(yàn)

程宏亮 馮志雯

摘 要：建構(gòu)主義者有兩個(gè)基本認(rèn)識，一個(gè)是新知的學(xué)習(xí)必須建構(gòu)在已有知識之上，另一個(gè)是自主建構(gòu)是最有效的學(xué)習(xí)途徑。文章以自制揚(yáng)聲器實(shí)驗(yàn)器材為例，著重分析初中物理教材知識的建構(gòu)體系，以及該自制實(shí)驗(yàn)器材對知識建構(gòu)體系的補(bǔ)充途徑。

關(guān)鍵詞：初中物理;知識建構(gòu);自制;實(shí)驗(yàn)器材

人教版九年級物理下冊，第二十章“電與磁”第4節(jié)“電動(dòng)機(jī)”一節(jié)中，通過實(shí)驗(yàn)探究歸納了通電導(dǎo)體在磁場中受力與電流方向和磁場方向有關(guān)，并以此結(jié)論分析了電動(dòng)機(jī)的工作流程和原理。在現(xiàn)實(shí)生活中，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，高鐵、地鐵、新能源汽車，甚至大型的軍艦都采用電動(dòng)機(jī)作為提供動(dòng)力的裝置。所以，將電動(dòng)機(jī)作為“通電導(dǎo)體在磁場中受力的作用”這一物理原理的應(yīng)用實(shí)例是理所當(dāng)然的。這也拉近了物理知識與生活的距離，符合“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課標(biāo)理念。但在生活中，還有很多實(shí)際應(yīng)用都與通電導(dǎo)體在磁場中受力這一原理有關(guān)，學(xué)生如果更早地建構(gòu)了電動(dòng)機(jī)線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)的知識，就會很難理解通電導(dǎo)體在磁場中的其他運(yùn)動(dòng)方式，而對該物理原理的認(rèn)知片面。這樣的片面認(rèn)知就會對接下來電磁感應(yīng)物理概念的學(xué)習(xí)造成了很大的困擾，因?yàn)閺膶W(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，電動(dòng)機(jī)模型和發(fā)電機(jī)模型的基本構(gòu)造極為相似。而電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作原理本身就是互為可逆的電磁互生，這會進(jìn)一步影響學(xué)生對這兩個(gè)物理知識的認(rèn)知。鑒于此，在教學(xué)過程中必須首先建立完整的通電導(dǎo)體在磁場中受力作用的知識體系，才能利于學(xué)生對電和磁知識的整體構(gòu)建。

建立完整的通電導(dǎo)體在磁場中受力作用的知識體系在教材編寫中體現(xiàn)得非常充分，人教版教材在本章章末的“科學(xué)世界”欄目介紹了揚(yáng)聲器是怎樣發(fā)聲的，至此，通電導(dǎo)體在磁場中受力至少有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即可能滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)。如圖1、圖2、圖3所示。

圖1是研究通電導(dǎo)體在磁場中受力原理的基本模型，學(xué)生既可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程，也易于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論比較容易。圖2是電動(dòng)機(jī)工作原理的示意圖。學(xué)生認(rèn)知比較困難，特別對于平衡位置線圈受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及換向器的工作原理，學(xué)生更是由于思維的抽象而極難掌握。但人教版教材能夠從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了“想想做做”小小電動(dòng)機(jī)，如圖4，通過問題“讓線圈轉(zhuǎn)起來”引導(dǎo)，學(xué)生“用小刀刮兩端引線的漆皮”的實(shí)踐，自主建構(gòu)平衡位置受力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和換向器原理的知識，突破難點(diǎn)。最后，教材還具體完整地展現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的工作流程，符合學(xué)生具體運(yùn)算階段的認(rèn)知習(xí)慣。如圖5。

圖3是揚(yáng)聲器發(fā)聲的工作原理示意圖，在教材的“科學(xué)世界”欄目中出現(xiàn)。學(xué)生前期建構(gòu)的通電導(dǎo)體在磁場中受力滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的知識與圖3中的振動(dòng)存在差異，這是造成學(xué)生認(rèn)知困難的原因之一。更困難的是，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)圖2電動(dòng)機(jī)原理時(shí)的問題引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、具體歸納分析的認(rèn)知過程。所以，要讓學(xué)生建構(gòu)完整的通電導(dǎo)體在磁場中受力知識體系，就必須創(chuàng)建完整的認(rèn)知情境，而最有效的認(rèn)知情境就是學(xué)生自制揚(yáng)聲器裝置。

揚(yáng)聲器是把電信號轉(zhuǎn)換成聲信號的一種裝置，圖3是揚(yáng)聲器的構(gòu)造示意圖，它主要由固定的永久磁體、線圈和錐形紙盆構(gòu)成。當(dāng)線圈中通有電流時(shí)，線圈受到磁鐵力的作用而運(yùn)動(dòng);當(dāng)線圈中電流的方向相反時(shí)，線圈向相反方向運(yùn)動(dòng)。由于通過線圈的電流是交變電流，它的方向不斷變化，線圈就不斷地來回振動(dòng)，帶動(dòng)紙盆也來回振動(dòng)，揚(yáng)聲器就發(fā)出了聲音。將原理轉(zhuǎn)化為應(yīng)用還要通過實(shí)驗(yàn)器材的自制，自制揚(yáng)聲器裝置的操作如下：

一、 自制揚(yáng)聲器所需的器材

一個(gè)一次性的紙杯;一枚大鐵釘，長度要超過紙杯的高度約5厘米;一段細(xì)漆包線，兩端刮去絕緣層，長度大約50厘米;一個(gè)可裝兩節(jié)5號干電池的電池盒，帶連接正負(fù)極的導(dǎo)線;一塊音樂芯片，在音樂門鈴、廢棄的玩具、音樂賀卡上都可獲得;一塊小磁鐵。

二、 制作方法

1. 把漆包線按同一個(gè)方向纏繞在鐵釘上，由于被磁化的大鐵釘兩端磁性最強(qiáng)，漆包線要盡量纏繞在鐵釘?shù)捻敹恕?/p>

2. 音樂芯片的第1、2接線柱為電流輸入，第3、4接線柱為電流輸出。將電池盒的正負(fù)極導(dǎo)線連在音樂芯片的第1、2接線柱，纏繞在大鐵釘上的線圈連接音樂芯片的第3、4接線柱。經(jīng)過音樂芯片讀取，IO口的高低電平以及延遲產(chǎn)生不同的頻率電流，變頻電流輸出到漆包線線圈。

3. 把小磁鐵放在紙杯口處，大鐵釘穿過杯底被小磁鐵吸引固定在杯底。

三、 使用效果

閉合電池盒開關(guān)，纏繞的鐵釘漆包線線圈成為通電螺旋管，它與小磁鐵相互作用，上下振動(dòng)，紙杯的作用是共鳴箱，放大線圈上下振動(dòng)頻率，得到響度可聞的音樂。

四、 自制揚(yáng)聲器裝置的評價(jià)和反饋

自制揚(yáng)聲器不僅設(shè)計(jì)簡單，學(xué)生易于制作，而且在使用時(shí)效果非常明顯。使用時(shí)，有響度、音色和很好的樂音產(chǎn)生，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力能夠迅速被激發(fā)，主動(dòng)進(jìn)行知識建構(gòu)。在教師的引導(dǎo)下，自制揚(yáng)聲器裝置可以讓學(xué)生體驗(yàn)到很多舊知，比如小紙杯振動(dòng)明顯，說明聲音依靠振動(dòng)產(chǎn)生。在裝置中，振動(dòng)的能源來自電池的電能轉(zhuǎn)化得到的機(jī)械能，說明聲音的能量其實(shí)是一種機(jī)械能。再比如，學(xué)生在纏繞漆包線線圈時(shí)，纏繞在大鐵釘頂部是為了使用磁體上磁性最強(qiáng)的部分，條形磁鐵的磁極在磁體兩端。

但對這些舊知的驗(yàn)證，并不是該自制實(shí)驗(yàn)器材的意義。該自制實(shí)驗(yàn)器材的最大意義在于首先完善了學(xué)生知識構(gòu)建的過程，讓學(xué)生能夠從通電導(dǎo)體在磁場中受力滾動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)建到上下振動(dòng)，再到其他復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第二，該自制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡單，效果明顯，能夠打開學(xué)生自主知識建構(gòu)的大門，達(dá)到最理想的學(xué)習(xí)效果。第三，在通電導(dǎo)體在磁場中受力上下振動(dòng)這個(gè)知識層面，該自制實(shí)驗(yàn)器材能夠補(bǔ)充教材不夠充分的教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)器材的自制過程，就是設(shè)計(jì)情境，自主探究，歸納分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的過程，同樣也是知識內(nèi)化的過程。

總之，物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很大的概念，自制實(shí)驗(yàn)器材是物理實(shí)驗(yàn)概念中最重要的組成部分。自制實(shí)驗(yàn)器材教學(xué)追求提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，追求學(xué)生的知識整體構(gòu)建，追求學(xué)生學(xué)會研究問題的方法。最終的追求，就是為造就國家未來的“創(chuàng)造型”“實(shí)用型”人才作出實(shí)質(zhì)性基礎(chǔ)性的貢獻(xiàn)。

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作者簡介：程宏亮，馮志雯，廣東省深圳市，廣東省深圳市坪山實(shí)驗(yàn)學(xué)校。