基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)
——以優(yōu)化設(shè)計(jì)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”為例

謝建偉

(江蘇省武進(jìn)高級(jí)中學(xué),江蘇 常州 213161)

人教版選修3-2第4章第2節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”一課,是物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的經(jīng)典案例.參加了江蘇省高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽.筆者從前期備課階段的磨課到形成自身特色的課堂教學(xué),本節(jié)課設(shè)計(jì)思路的發(fā)展呈現(xiàn)為3個(gè)階段,重點(diǎn)闡述課堂實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與創(chuàng)新對(duì)培養(yǎng)學(xué)生批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階思維能力,實(shí)現(xiàn)知識(shí)型課堂向素養(yǎng)型課堂轉(zhuǎn)變的作用．

1 緊扣教材,重視實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材提供的3個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)依次探究,從不同角度觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,結(jié)合理論分析,總結(jié)歸納出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．教師重視實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)設(shè)情境、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、解決問題等方面的作用,緊扣教材、逐步推進(jìn),通過實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理歸納、理解物理規(guī)律,不失為一種好的教學(xué)方法．基本環(huán)節(jié)如表1．

表1

引課實(shí)驗(yàn)置疑,創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)了學(xué)生的探究欲望;課堂結(jié)尾釋疑,應(yīng)用規(guī)律解決問題,這是常用的教學(xué)手段．教材實(shí)驗(yàn)1的設(shè)計(jì)意圖是和初中銜接,喚醒前認(rèn)知．在教材內(nèi)容后段,也從高中視角,保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,通過改變回路面積S,來改變磁通量Φ．教材實(shí)驗(yàn)2,通過磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng),說明B變S不變,來改變磁通量Φ．

教材實(shí)驗(yàn)3(如圖1),電路較為復(fù)雜、探究情景單一,用開關(guān)或變阻器控制線圈中的電流,實(shí)質(zhì)還是歸結(jié)到B發(fā)生變化上來;其次,不能用來探究B不變S變、B變S變但Φ不變的情形;再次,兩個(gè)線圈各成回路,即使作為演示實(shí)驗(yàn),在連接電路、操作講解、記錄現(xiàn)象、原理分析等方面也會(huì)對(duì)教師和學(xué)生形成障礙．作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),學(xué)生在認(rèn)識(shí)電路、連接電路上花費(fèi)過多時(shí)間,不利于將思維集中在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、規(guī)律本質(zhì)的歸納上．

圖1

教材通過3個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究,歸納出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件與B、S的變化都有關(guān)系,從而用磁通量描述感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件,顯得較為牽強(qiáng)．如果能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),B變S變但Φ不變,也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流作為佐證,在邏輯上更為嚴(yán)謹(jǐn)．

2 突出學(xué)生主體,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案

傳統(tǒng)教學(xué)突出了實(shí)驗(yàn)的重要地位和探究功能,主要通過教師演示實(shí)驗(yàn)、分析論證、歸納結(jié)論,充分體現(xiàn)了教師的主體性．但是,教材中的3個(gè)實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生而言是新的認(rèn)識(shí)和新的體驗(yàn)．教師嘗試提供多種實(shí)驗(yàn)器材,引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,體驗(yàn)探究、發(fā)現(xiàn)的過程,突出學(xué)生的主體性．

2.1 自制實(shí)驗(yàn),引出問題

圖2

教師演示“無源小燈珠發(fā)光”．魔術(shù)盒(帶鐵芯的變壓器線圈)點(diǎn)亮與小線圈連接的LED燈珠,如圖2．

引導(dǎo)學(xué)生回顧物理學(xué)史,奧斯特20年夢圓“電生磁”,法拉第10年心系“磁生電”．下面,我們循著科學(xué)家的足跡一起來探究,要抓住兩個(gè)關(guān)鍵:磁場、回路．磁場從哪來?怎樣檢驗(yàn)微電流?為后續(xù)探究做好準(zhǔn)備．

2.2 自主設(shè)計(jì)方案,開展科學(xué)探究

教師演示教材實(shí)驗(yàn)1,由于初中階段對(duì)此已有認(rèn)識(shí),因此,著重引導(dǎo)學(xué)生如何觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)論,為學(xué)生開展自主探究提供方向．接著,教師展示多個(gè)實(shí)驗(yàn)器材,如圖3．學(xué)生分組討論,自主選擇實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

圖3

圖4

教師展示不同小組的實(shí)驗(yàn)方案,師生共同交流評(píng)價(jià),補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)方案．最終形成相對(duì)典型的3組,如圖4．由學(xué)生設(shè)計(jì)表格,分組開展實(shí)驗(yàn)探究,找到感應(yīng)電流,嘗試歸納產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．

本教學(xué)環(huán)節(jié)注重學(xué)生間互動(dòng)合作、自主探究、質(zhì)疑評(píng)價(jià),從“接受型教學(xué)”向“質(zhì)疑式學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變．從教材實(shí)驗(yàn)1的導(dǎo)體切割磁感線到第1組方案中線圈和磁場相對(duì)運(yùn)動(dòng),也體現(xiàn)多匝線圈切割磁感線放大電流的放大思想．第2組方案中,通過改變通電螺線管中的電流來改變磁場,體現(xiàn)替代思想,實(shí)現(xiàn)多種方式產(chǎn)生變化磁場．第3組方案,教師自主設(shè)計(jì)器材,形成近似的勻強(qiáng)磁場．通過進(jìn)出勻強(qiáng)磁場區(qū)域、在勻強(qiáng)磁場中旋轉(zhuǎn)線圈、擠扁線圈等方式改變線圈的有效面積,彌補(bǔ)了教材中不能探究B不變S變的缺陷．

2.3 合理外推,提升思維的邏輯性

感應(yīng)電流的產(chǎn)生與B、S的變化都有關(guān)系,而且應(yīng)該是兩者共同作用的結(jié)果,能找到一個(gè)物理量將這兩個(gè)因素統(tǒng)一起來嗎?物理規(guī)律具有簡潔美,師生通過合理外推,歸納出產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)原因．接著,教師帶領(lǐng)學(xué)生揭開引課實(shí)驗(yàn)“魔術(shù)盒”的奧秘;現(xiàn)場展示手機(jī)無線充電過程,進(jìn)而解釋汽車無線充電原理;課后親身實(shí)踐教材中的“做一做:搖繩能發(fā)電嗎?”結(jié)合真實(shí)情境,應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題,能夠幫助學(xué)生強(qiáng)化知識(shí)與情境相聯(lián)系的意識(shí)和能力,提升思維的創(chuàng)造性．

本教學(xué)設(shè)計(jì),學(xué)生在師生交互式的實(shí)驗(yàn)探究中建構(gòu)物理觀念、理解物理規(guī)律,體會(huì)科學(xué)探究的方法,學(xué)會(huì)抽象思維,發(fā)展發(fā)散思維、批判性思維和創(chuàng)造性思維能力．當(dāng)然,三組實(shí)驗(yàn)方案,電路連接的復(fù)雜程度不同,好在師生共同交流完善時(shí)得到一些補(bǔ)償．和第一種教學(xué)設(shè)計(jì)一樣,沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“B變S變但Φ不變”說明磁通量的變化才是產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)條件,是一個(gè)缺憾．

3 整合實(shí)驗(yàn)方案,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)思維品質(zhì)

教師嘗試創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材,優(yōu)化實(shí)施演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究和邏輯思辨的過程中,參與活動(dòng)的研究過程、知識(shí)的建構(gòu)過程和問題解決過程．課堂教學(xué)的6個(gè)環(huán)節(jié)(如表2),或以實(shí)驗(yàn)情境“設(shè)疑”、或以實(shí)驗(yàn)探究“質(zhì)疑”、或以生活應(yīng)用“釋疑”,注重給學(xué)生鮮活的知識(shí)、鮮活的活動(dòng),讓學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生,核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真正落地．

表2

3.1 創(chuàng)設(shè)情境重在設(shè)疑,提高思維品質(zhì)的批判性

用魔術(shù)創(chuàng)設(shè)情境,不僅僅是激趣,更重要的設(shè)疑．在教學(xué)環(huán)節(jié)1中,初做魔術(shù):LED燈珠緩慢劃過送電線圈上方,多個(gè)無源LED燈珠卻能被點(diǎn)亮．生成問題:產(chǎn)生磁場的磁體在哪里?進(jìn)而回顧物理學(xué)史(奧斯特“電生磁”)和對(duì)稱性思想(法拉第“磁生電”),引發(fā)學(xué)生在已有認(rèn)知上的新思考,進(jìn)入新課．

在進(jìn)入環(huán)節(jié)3前,再做魔術(shù):幾枚LED燈珠靜止于送電線圈的磁場中,并沒有切割磁感線,卻也亮了．引發(fā)認(rèn)知沖突(生:送電線圈產(chǎn)生變化的磁場),學(xué)生帶著問題“不切割磁感線能產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎?切割磁感線一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎?”自然過渡到環(huán)節(jié)3:創(chuàng)新器材,分組探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的其它情形．

3.2 整合演示實(shí)驗(yàn),提高思維品質(zhì)的深刻性

蘇科版9年級(jí)教材就已經(jīng)呈現(xiàn)過“教材實(shí)驗(yàn)1”,學(xué)生可能操作過并有了“磁生電”的前概念．但是學(xué)習(xí)并不深入,甚至存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí):只有切割磁感線才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流;切割磁感線就一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流．為了避免實(shí)驗(yàn)的簡單重復(fù),完善知識(shí)體系,提高思維品質(zhì)的深刻性,教師創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)1和2的操作過程,并改分組實(shí)驗(yàn)為演示實(shí)驗(yàn)．

在教學(xué)環(huán)節(jié)2中,長約5 m的導(dǎo)線與靈敏電流表G形成閉合回路,學(xué)生按照教材實(shí)驗(yàn)1,用單匝導(dǎo)線切割磁感線,G表有偏轉(zhuǎn)但極其微弱．教師引導(dǎo)學(xué)生將導(dǎo)線多繞幾圈,用多匝導(dǎo)線再去切割磁感線,G表發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)．學(xué)生演示教材實(shí)驗(yàn)2,磁鐵插入或抽出百匝線圈時(shí),G表發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)甚至超過了量程;但當(dāng)磁鐵停在線圈中,G表不偏轉(zhuǎn)．

學(xué)生用一匝線圈、幾匝線圈到百匝線圈切割磁感線逐漸獲得較大的感應(yīng)電流,既回顧了初中的前認(rèn)知,體會(huì)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)、放大思想等物理方法,在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的科學(xué)探究過程中,得到規(guī)律,發(fā)展科學(xué)思維．

3.3 創(chuàng)新分組實(shí)驗(yàn),提高思維品質(zhì)的創(chuàng)造性

考慮到教材實(shí)驗(yàn)3的復(fù)雜性,以及不能用來探究B不變S變等方面的缺陷,教師自制了大型螺線管(600-800匝漆包線均勻繞在直徑約15 cm、長約30 cm的有機(jī)玻璃管上)．學(xué)生電源(直流10-12 V)、開關(guān)、變阻器、大型螺線管串聯(lián)成閉合電路,螺線管中近似為勻強(qiáng)磁場,并可以通過改變電流來改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。灾聘袘?yīng)線圈和G表連接成另一個(gè)閉合電路．

在教學(xué)環(huán)節(jié)3中,按4-6人/組分2次開展分組實(shí)驗(yàn)．第1次分組實(shí)驗(yàn),在前面探究的基礎(chǔ)上去求證“不切割磁感線也能產(chǎn)生感應(yīng)電流;切割磁感線也可能不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．”學(xué)生將線圈從通電螺線管中間上方開口處放入并保持靜止,迅速改變變阻器的阻值,使管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化,發(fā)現(xiàn)G表發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn);保持螺線管內(nèi)的勻強(qiáng)磁場不變,將線圈在勻強(qiáng)磁場區(qū)域內(nèi)上下平動(dòng),線圈切割磁感線,但G表的指針幾乎不動(dòng)．各個(gè)小組先后找到是否產(chǎn)生感應(yīng)電流的證據(jù)．第2次開放性分組實(shí)驗(yàn),自主探究不同情形下是否產(chǎn)生感應(yīng)電流．學(xué)生通過斷開、閉合開關(guān),線圈在螺線管外運(yùn)動(dòng)、在螺線管內(nèi)旋轉(zhuǎn)、擠扁線圈改變面積,線圈在螺線管兩側(cè)進(jìn)出的過程、在螺線管內(nèi)平推…學(xué)生基本能夠預(yù)判實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,初步歸納感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件．

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材,避免學(xué)生在認(rèn)識(shí)電路、連接電路上花費(fèi)過多時(shí)間,更多地去探究思考物理規(guī)律的本質(zhì)．本組實(shí)驗(yàn)達(dá)成多種情形下的探究目標(biāo),培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)、質(zhì)疑思辨、邏輯推理、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維能力．

3.4 科學(xué)思辨,提高思維品質(zhì)的邏輯性

至此,學(xué)生不斷強(qiáng)化感應(yīng)電流的產(chǎn)生與B、S的變化有關(guān)．在教學(xué)環(huán)節(jié)四中,強(qiáng)磁鐵置于喇叭狀模具上方,保持軟質(zhì)線圈(約10匝)面積不變,上下運(yùn)動(dòng)穿過強(qiáng)磁鐵,G表發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn);用手收緊軟質(zhì)線圈,使之緊貼模具外壁下滑的過程中,B、S都發(fā)生變化(B變小、S變大,Φ幾乎不變),但G表幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．再次引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,從而引導(dǎo)學(xué)生從磁通量是否變化的角度,以列表的方式,共同回顧上述課堂實(shí)驗(yàn),得出感應(yīng)電流的產(chǎn)生與磁通量發(fā)生變化的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,最終歸納出科學(xué)本質(zhì)．

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),邏輯推理與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不符對(duì)學(xué)生形成認(rèn)知沖突,生成新問題．學(xué)生在不斷解決問題的過程中,體會(huì)到科學(xué)探究的不完善性和發(fā)展性．本實(shí)驗(yàn)也是從邏輯上對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)條件的進(jìn)一步佐證,彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)的不足．

3.5 解決實(shí)際問題,提高思維品質(zhì)的靈活性

教學(xué)環(huán)節(jié)6基本保持第2種教學(xué)設(shè)計(jì)的思路,現(xiàn)場改裝舊款手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線充電功能,進(jìn)而解釋手機(jī)、汽車無線充電原理;展示改裝的廢棄音箱,實(shí)現(xiàn)無線傳聲;PPT展示其它無線能量傳輸?shù)纳顟?yīng)用．讓學(xué)生將從一個(gè)情境中習(xí)得的知識(shí)遷移應(yīng)用到其它情境中,培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)的靈活性．

4 結(jié)束語

課堂教學(xué)要讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生,培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng),需要在真實(shí)情境中圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,追求對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解和對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的批判性吸收,實(shí)現(xiàn)有效的學(xué)習(xí)遷移和實(shí)際問題的解決．筆者始終堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用,注重實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì),并通過實(shí)驗(yàn)操作的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)課堂重構(gòu)．體現(xiàn)學(xué)生的思維發(fā)展,優(yōu)化課堂實(shí)驗(yàn)的組織實(shí)施,整合必要的演示實(shí)驗(yàn)、深入探究分組實(shí)驗(yàn),在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境中,體會(huì)實(shí)驗(yàn)魅力和邏輯力量,困惑中求發(fā)現(xiàn),復(fù)雜中求簡明,領(lǐng)悟中有升華．