問題分解，層層推進，讓探究性學習成為硬核

劉建新 楊亞麗

摘要：文章以初中物理滬科版“科學探究：電動機為什么會轉(zhuǎn)動”為例，嘗試從五個角度創(chuàng)設情境，引導學生對“電動機為什么會轉(zhuǎn)動”這一核心問題進行分解，闡述了用問題推動有效探究學習的具體思路。

關(guān)鍵詞：科學探究? 問題? 線圈轉(zhuǎn)動? 電動機? 核心素養(yǎng)

科學探究活動“電動機為什么會轉(zhuǎn)動”先探究電動機轉(zhuǎn)動的物理原理（磁場對電流的作用）;后又從物理走向生活，滲透STS（科學—技術(shù)—社會）理念，探究電動機為何能持續(xù)轉(zhuǎn)動。涉及知識較抽象，對線圈運動情況的分析需要有較強的空間感和動態(tài)思維，是電磁學部分的教學難點。教師對于這類難度較大的探究課題要嘗試進行課堂“供給側(cè)”改革，善于創(chuàng)設問題情境，將探究課題進行合理的分解，引導學生有效探究學習。

一、由表及里，提出“是什么在轉(zhuǎn)動”，解剖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

千百年來，“蘋果落地”沒有多少人覺得奇怪，但牛頓卻陷入了沉思，發(fā)現(xiàn)了“萬有引力”定律。電動機通電轉(zhuǎn)動，似乎不會引起學生的興趣，若教師給予恰當?shù)囊龑В跓o疑處設疑，那么電動機轉(zhuǎn)動這個問題就可以激發(fā)學生好奇心，觸發(fā)學生深度思考。片段設計如下：

播放一段電動機轉(zhuǎn)動的視頻。

提出問題：關(guān)于電動機通電轉(zhuǎn)動，你有什么想了解的問題，或者你最想知道的是什么？

師講述：你不覺得電動機轉(zhuǎn)動很神奇嗎？電燈通電會發(fā)光，電熱器通電會發(fā)熱，而電動機通電卻會轉(zhuǎn)動。（對比提問的目的是啟發(fā)學生思考現(xiàn)象的不同可能與用電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)）

總結(jié)學生疑問，出示第一個探究活動：探究電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果學生普遍缺乏對電動機結(jié)構(gòu)方面的思考，那么教師可繼續(xù)做如下引導：

我們只看到電動機的軸在轉(zhuǎn)動，那么連在這個軸上的又是什么裝置呢？輸入電動機的電流在其內(nèi)部流過哪些元件？

一連串的發(fā)問就是要激發(fā)學生對電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的好奇，引導學生去探究電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

二、化繁為簡，提出“線圈為什么會動”，探究物理原理

由前面的探究可知，直流電動機內(nèi)部主要由磁鐵和繞軸轉(zhuǎn)動的線圈組成。線圈由靜變動，說明其受到了力的作用，學生會想到這個力可能就是磁體對通電線圈的作用，然后引出本節(jié)課的核心探究內(nèi)容：磁場對通電導體的作用。片段設計如下：

（1）師講述：研究表明，通電時電流會流過線圈，轉(zhuǎn)動的也是通電線圈。通電前線圈靜止，通電后線圈運動，說明線圈受到了力的作用，那么這個力是誰施加給線圈的？（學生多數(shù)會猜想是磁體或磁場）

（2）學生活動：教師指導學生拆除電動機內(nèi)部磁體后再給線圈通電，觀察線圈是否會轉(zhuǎn)動。（現(xiàn)象表明沒有磁體時通電線圈不能轉(zhuǎn)動，即通電線圈不會受到使之轉(zhuǎn)動的力。至此學生意識到他們的猜想可能是正確的，探究的熱情被瞬間點燃）

（3）師講述：對比實驗表明，沒有磁體時，通電線圈不會轉(zhuǎn)動，說明通電線圈轉(zhuǎn)動可能是受到磁場的力的作用。線圈又由若干條直導體組成，若磁場對通電線圈有力的作用，那么磁場對通電直導體也可能有力的作用。一個有意義的探究課題便呼之欲出，師此時出示PPT（如圖1所示），引導學生對線圈組進行簡化。

（4）出示課題：探究磁場對通電直導體的作用。

通過上述思考及實驗，學生會對自己的猜想充滿期待，他們迫切希望發(fā)現(xiàn)真相。通過對線圈組的簡化，將探究“磁場對通電線圈的作用”轉(zhuǎn)化為探究“磁場對通電直導體的作用”，一個源于實驗觀察、邏輯推理應運而生的問題定會激起學生探究的欲望。

三、知識整合，提出“線圈的運動為什么是轉(zhuǎn)動”，構(gòu)建運動模型

關(guān)于力和運動，學生已經(jīng)學習過“機械運動”“平衡力”“牛頓第一定律”等知識。但學生運動觀念中的機械運動更多的是平動，線圈所做的運動是在安培力力矩作用下的轉(zhuǎn)動，中學物理教材中沒有針對轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)描述，不容易構(gòu)建一個受力轉(zhuǎn)動的運動模型。所以引導學生構(gòu)建線圈的運動模型，從理論上分析通電線圈做何種形式的運動是有意義的操作，課堂也更具有物理味。片段設計如下：

（1）師講述：如圖2a所示，線圈邊ab和邊cd的電流方向相反，根據(jù)磁場對通電導體作用力方向與電流方向的關(guān)系可知，如果線圈ab邊受力方向向上，那么cd邊受力方向向下，這兩個力對于線圈的運動會產(chǎn)生什么樣的影響？引導學生可將線圈看成學生較熟悉的繞軸轉(zhuǎn)動的杠桿（輪軸），嘗試畫出模型圖。

（2）演示：師出示圖2a對應的線圈受力示意圖并標出轉(zhuǎn)動方向，如圖3a所示。

（3）學生活動：要求學生先分別作出圖2中b、c兩圖線圈所在位置受磁場力示意圖，標出轉(zhuǎn)動方向;之后再要求學生作出下一平衡位置的受力圖（即圖3d），標出轉(zhuǎn)動方向。

（4）提出問題：根據(jù)作圖，分析可知線圈在磁場作用力下將如何運動？

基于學生掌握的杠桿知識提出上述問題，并通過分析得出線圈如何運動（在平衡位置往復運動），合理滲透構(gòu)建模型這一研究物理問題的方法，拓展了探究性學習的維度。通過上述活動，學生意識到科學探究不僅僅局限在物理實驗層面，構(gòu)建模型、理論分析也是科學探究的重要手段。此外，引導畫圖構(gòu)建模型，合理回避了對物理現(xiàn)象過多的生活化語言的描述，也為后面換向器的引入做了鋪墊。

四、理論推理，提出“如何讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動”，突破思維瓶頸

結(jié)合上述運動模型，引導學生思考越過平衡位置的線圈要保持原來的轉(zhuǎn)動方向，受力情況應怎樣變化（對應邊受力的方向應與越過平衡位之前方向的相反），如何及時改變受力方向。片段設計如下：

（1）師講述：通電線圈越過平衡位置，想保持原來的轉(zhuǎn)動方向，可以及時改變線圈對應兩邊的受力方向，那么怎樣及時改變受力方向？

（2）學生討論：改變磁場方向或改變電流方向。

分析：師出示圖4，通過調(diào)換電源兩極位置，可及時改變線圈中的電流方向。

圖4 改變線圈中的電流方向

（3）提出問題：什么樣的裝置才能自動、及時地改變線圈兩端與電源兩極連接位置或者說能及時改變線圈中的電流方向，從而使線圈可持續(xù)地轉(zhuǎn)動下去？

至此，學生已經(jīng)知道了線圈轉(zhuǎn)動以及線圈在平衡位置擺動的原因，所以他們自然就想知道電動機憑借什么樣的裝置能使其向某一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動，探究性學習的熱情進一步高漲。為滿足學生學習需要，接下來可通過動畫或教材圖片引導學生分析換向器的作用，明白了換向器的結(jié)構(gòu)及作用，學生就會感受到“技術(shù)”在科學理論應用到實踐中的重要性，學生的這一感受也成了探究性學習的一個附加成果。

五、反思現(xiàn)象，提出“線圈怎么會不轉(zhuǎn)”，讓核心素養(yǎng)落地

探究完直流電動機轉(zhuǎn)動的原理后，讓學生接通電動機，設法改變電動機轉(zhuǎn)動的方向、快慢，觀察電動機轉(zhuǎn)動情況，并嘗試分析可能出現(xiàn)的故障。片段設計如下：

（1）師講述并布置任務：

通過學習，我們了解了直流電動機轉(zhuǎn)動的原理。請大家將桌面上的模型電動機（只有一組線圈）接入電路，設法改變電動機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動快慢。

（2）學生交流：

通過改變電流方向或磁場方向，可改變電動機的轉(zhuǎn)動方向;通過改變電流大小或磁感應強度，可改變電動機轉(zhuǎn)動快慢。

（3）師演示、引導：

邊演示邊講述：電動機上有一對磁鐵，取下一個，電動機還能轉(zhuǎn)嗎（學生會看到轉(zhuǎn)速變慢）？利用滑動變阻器逐漸減小電流，電動機轉(zhuǎn)動也會變慢，那么當電流很小時，會出現(xiàn)電機不轉(zhuǎn)的可能嗎？

（4）提出問題：

電動機接入電路卻有可能不轉(zhuǎn)，你們認為是什么原因？

（5）交流總結(jié)：

從受力角度分析，學生模型電動機可能不轉(zhuǎn)是因為轉(zhuǎn)軸處摩擦力較大，或者是因為磁場對線圈的安培力較小或不受安培力。而安培力較小可能是電流較小、磁鐵磁性較弱等因素造成的，不受安培力可能是電流為0或磁體無磁性。還有一種特殊情況就是線圈處于平衡位置附近（雖然受安培力，但兩個力的合力矩較小，通過前面的受力分析，學生能夠理解），或者恰好處于平衡位置，線圈也不能轉(zhuǎn)動。那怎么辦呢？（有同學會想到可以用手輕輕推動線圈，讓其離開平衡位置）

（6）提出問題：

為了避免電動機通電前線圈恰好處于平衡位置而導致電動機不轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象，請給直流電動機的設計提一個建議，最后的問題也是從技術(shù)角度思考電動機的啟動問題，學生再一次感受到科學理論與技術(shù)協(xié)同發(fā)展的重要性。通過思考、推理、分析而獲得的這些問題讓科學探究有清晰的內(nèi)容和目的，也為探究性學習輸入不竭的動力，問題形成的過程也是培養(yǎng)學生科學思維的過程。

結(jié)語

就物理學科而言，探究性學習的目的既包括獲得知識技能、建立相應的物理觀念，又包括關(guān)注情感與態(tài)度等非智力因素的培養(yǎng)。探究性學習的載體是一個個物理問題，只有恰當?shù)膯栴}才能激發(fā)學生的探究欲望，使學生樂意探究、真實探究，探究性學習才會成為硬核，最終促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

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