“合作探究式智慧课堂”的建构策略

吴必龙

摘 要：合作探究式智慧课堂是预设和生成的统一，是内容和方法的统一，是主导和主体的统一。巧设冲突，启迪智慧，形成磁力；合作探究，生长智慧，具有活力；交流展示，碰撞智慧，具有魅力；论证结果，生成智慧，形成张力；学以致用，呵护智慧，展示实力。本文以“交变电流”为题，阐述了“合作探究式智慧课堂”的建构策略。

关键词：交变电流；实验探究；智慧课堂

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0015-4

“合作探究式智慧课堂”是以小组为形式、探究为途径、智慧为目标的教学过程，用教师的智慧激发学生的智慧，师生、生生的思想碰撞生成智慧，通过学生的积极参与、用心体验、深入探究、实践提升，构成智慧流动的课堂。下面以“交变电流”一课为例，说明“合作探究式智慧课堂”的构建策略。

1 创设情境，启迪智慧

在合作探究式的教学过程中，要创设情境激发学生探究的内部动机。根据考试说明，结合学生已有的知识，针对本节课的内容设定目标，创设与本课有密切联系、针对性强的情境、实验或探究问题。

1.1 学生表演，引出课题

两名同学上台表演交、直流大战。故事发生在19世纪的美国，甲同学扮演直流电的代表人物爱迪生，乙同学扮演交流电的代表人物尼古拉·特斯拉，模拟争辩的现场。

1.2 观察实验，揭示目标

演示实验：如图1所示，用电池和手摇发电机分别给灯泡与两个发光二极管供电，引导学生观察现象，并分析原因。

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图1 实验装置

实验时，开始摇动发电机的速度要慢，可以观察到两个发光二极管轮流发光。转速加快后电压增高，可能烧坏发光二极管；所以，有必要在两个支路中再串联一个二极管，既可以增加亮度，又可以防止发光二极管被烧坏。为增强实验效果，分别用红色和绿色发光二极管加以区分。通过演示实验，使学生从感性角度认识到交流电和直流电的区别。

在实际教学中，教师若能努力挖掘其潜在功能，运用不同的方法建构问题平台，激发学生的学习兴趣和探究欲望，使其明确学习目标并形成学习动机，往往能收到“出奇制胜”“先声夺人”的效果，这是实现“高效课堂”的第一步。

2 合作探究，生长智慧

合作包括师生合作和生生合作。探究的初始阶段，教师要“扶”着学生走；在探究过程中，要“牵”着学生走，可以大胆开放课堂，让知识的建构过程完全通过学生的实验探究完成。教师的角色由“导学”变为“助学”，学生探究时，教师巡视，适时点拨；既要发现好的做法，也要及时发现学生存在的疑难问题，及时对小组探究学习情况进行恰当的评价。

2.1 教师引导，方法点拨

介绍手摇发电机的组成结构。通过介绍手摇发电机的模型，告诉学生实际的发电机要复杂的多，我们学习的是抽象出来的理想化模型。

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图2 手摇发电机及其结构

问：手摇发电机发电的原理是什么？

生：电磁感应。

问：线圈转动过程中，哪几条边产生了感生电动势？

生：AB和CD边产生了感生电动势。

问：线圈中感应电流的方向用什么方法判断？

生1：从切割的角度判断，用右手定则。

生2：还可以从磁通量变化的角度判断，用楞次定律。

问：比较两种方法，哪种更加方便？

生：沿垂直于磁场和平行于磁场两个方向对速度进行分解，用右手定则判定，更加方便。

学生通过上一章的学习，是可以用楞次定律、法拉第电磁感应定律这些基本原理解决新情境下的这些问题的。

2.2 师生合作，问题驱动

用问题链的方式引导学生分析线圈转动一周的过程中电动势和电流的变化情况；问题的安排要有一定的梯度，逐步深入，以降低学习难度，突破难点。具体问题设置如下：

①怎样由立体图画出平面图？注意在平面图的基础上分析后续问题。

②在线圈由甲转到乙的过程中，AB边中的电流向哪个方向流动？在线圈由丙转到丁的过程中，AB边中的电流向哪个方向流动？

③当线圈转到什么位置时线圈中没有电流？转到什么位置时线圈中的电流最大？线圈在这些位置的磁通量及磁通量的变化率等还有什么特点？

2.3 小组活动，合作探究

让学生将交变电流的产生过程用表格的形式表达出来。为了更形象直观地表达电流随时间的变化情况，可以作出电流随时间变化的曲线，在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁、戊几个位置时对应的时刻。同时，运用数学图像对物理量随时间的变化情况进行定性的描述，猜想交变电流的变化规律可能是按什么函数变化。

实施本环节时，对教师有两个要求：一是能准确把握学生的认知现状，适时进行引导，做到“授学生所需”、有的放矢；二是以探究的理念组织教学，实现以学生为主体的探究教学。

3 交流展示，碰撞智慧

各小组的探究任务结束后，派两名同学共同汇报本组的探究结果，其中一名同学解说，另一名同学用发电机模型配合讲解，展示结束后，要回答台下同学的提问。此时，教师不一定帮助其回答问题，而是要适时引导学生进行讨论，让学生充分暴露自己的探究思路和探究细节，完成思维的碰撞，实现提出问题、解决问题的能力提升。

学生展示探究的结果，如表2所示。

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图4 电流随时间的变化规律

学生通过小组探究，猜想“电流可能按正弦函数规律变化”。

本环节所用时间不长，短短几分钟，却会给学生的学习留下非常深刻的印象。所以，教师要让“台上”“台下”的学生进行讨论。这要求教师给学生时间，无论是从学生成长，还是课堂的深度的角度而言，这个环节都是必不可少的。

4 论证总结，生成智慧

针对本节课的基本知识、基本能力和基本方法，结合教师在教学中已有经验和学生提出的问题，进行论证并归纳总结。要注重知识的内涵与外延的挖掘及其与学过知识的联系，引导学生自主归纳总结，理清知识结构，突出教材中基本概念、基本规律和基本特征与方法的掌握，突出学习态度的培养和总结反思习惯的养成。

4.1 设置情景，理论推导

问题情景：如图5所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，矩形线圈逆时针绕中轴匀速转动，角速度为ω。图中标a的小圆圈表示线圈ab边的横截面，标d的小圆圈表示线圈cd边的横截面，ab、cd边的长度为L1，ad、bc边的长度为L2，设线圈平面从中性面开始转动，则经过时间t：

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图5 平面图

①线圈与中性面的夹角是多少？

②ab边的速度为多大？

③ab边的速度方向与磁场方向间的夹角为多大？

④ab边产生的感应电动势为多大？

⑤线圈中的感应电动势为多大？

设置的问题串梯度较小，教师和学生一起推导出线圈中感应电动势的表达式。

4.2 规律表述，图文并举

扩展到线圈有N匝时的表达式，感应电动势的峰值表达式，瞬时值的概念，电流的瞬时值表达式，电压的瞬时值表达式。若线圈有N匝，相当于N个完全相同的电源串联，e=NBωSsinωt，令Em=NBωS，Em叫做感应电动势的峰值，e叫做感应电动势的瞬时值。

根据部分电路欧姆定律，电压的最大值Um=ImR，电压的瞬时值U=Umsinωt。

用图像表示交变电流的变化规律是一种重要的方法，它形象、直观，易于被学生接受。因此，除了利用数学表达式表示电动势、电流、电压与时间的函数关系外，还可以用正弦曲线来表示，如图6所示。

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图6 交变电流的正弦函数图像

利用图像可以对中性面的概念再进行理解，即中性面是对感应电流（或感应电动势）而言的。所谓中性面，是指在这个位置的前后电流可能为正或者为负，恰好在这个位置电流为零，即“不正不负”，取名为“中性面”。

4.3 分析实验，去伪存真

实验演示：将传感器接到手摇发电机输出端，观察电压随时间变化的波形，结果如图7所示。

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图7 电压随时间变化的波形图

问：手摇交流发电机的电压随时间变化的波形为什么不是正弦式交流电？

生1：由于手摇时不是匀速转动。

生2：磁场并不是匀强磁场，和我们推导时的理想情况不一样。

问：在理论推导中，为什么电流是正弦式的？

生：磁场和线圈的转动均是理想化的，即线圈在匀强磁场中作匀速转动。

本环节是先通过理论推导得出感应电动势的表达式，再进一步用实验加以说明，体现了科学的严谨。在教师的启发点拨下，学生积极思考，在思维能力的提升上得到较好的发展。

5 学以致用，呵护智慧

学生通过教师的帮助和相互之间的交流，依据实验事实，运用所得理论和已有的知识指导实践，在实践中得到检验或修正的过程，这是一个体现创造力的过程，探究的过程应伴随着问题的不断解决和新问题的不断出现。

5.1 了解生产，拓展知识

指导学生阅读“科学漫步”，问题串有助于学生深入理解材料内容（解答略）。

①交流发电机的基本构件有哪些？

②交流发电机的基本类型有几种？

③获得感应电动势有哪些方法？

④如何使交流发电机产生比较大的电压？设计一个可以产生大电压的发电机。

5.2 讨论问题，深化知识

问：用手摇动发电机，同时，使转动的角速度增加，引导学生观察灯泡的亮度如何变化？为什么？

生：变亮。因为E=NBSωsin（ωt），角速度增大，电动势增大，电流增大，所以，灯泡变亮。

问：如果转轴不在对称轴上，而是偏向一边，能够产生正弦式交流电吗？

生：能。由E=NBSωsin（ωt）知，偏向一边时，其中两边产生的电动势大小不同，但是，电路中总的电动势不变。

问：若改变线圈的形状，保待线圈的匝数和面积不变，仍从与磁场垂直的位置开始转动，感应电动势的变化规律是否仍然为E=NBSωsin（ωt）呢？

生：仍然为E=NBSωsin（ωt）。推导过程：Φ=BScos（ωt），E=N■，E=NΦ'（t）=NBSωsin（ωt）。

5.3 分析现象，活化知识

演示实验：观察灯丝颤动现象。

实验器材：光具座、白炽灯、透镜和光屏。

实验操作：

①将白炽灯、透镜和光屏放置在光具座上，调节好距离，使灯在光屏上成放大、倒立的实像。

②当灯点亮时，光屏上呈现清晰的灯丝的像。

③用一个蹄形磁铁靠近白炽灯，观察灯丝，可以看到灯丝颤动的现象。

注意：要使用透明的、可以直接看到灯丝的白炽灯，一般用功率为15 W的即可。如果功率大，可以用变压器调节灯的亮度，使灯丝的像更清晰。

问：灯丝在磁铁靠近时颤动的原因是什么？

生：这是由于变化的电流在磁场中受到了变化的力，所以，灯丝在变力的作用下发生了颤动。

实施本环节时，教师不能仅用单调的习题进行反馈，而应充分利用教材资源，拓展学生的视野。通过对公式中的相关物理量的讨论，加深对公式的理解，激活学生的思维，培养思维的发散性。

本节课用诙谐幽默的表演引入新课，迅速吸引了学生的注意，巧妙地揭示了目标。教学过程采取由感性到理性，由定性到定量，由特殊到一般，由猜想到验证，逐步深入的方法。用图像表示交变电流的变化规律，是一种重要方法，它形象、直观，学生易于接受，学生在已有的图像知识的基础上，能较好地掌握这种表述方法。在探究过程中，始终将学生置于探索者的位置，学习过程成为“发现”或“再发现”的过程，充分发挥了学生学习的积极性、主动性，让学生自己从合作探究中得出结论，体验探索的快乐，强化学习的乐趣。同时，老师的主导作用也得到了有效的体现。教师引导学生设计方案、控制课堂教学的进程、引导学生分析、讨论和解决教学中遇到的问题等，多次激起学生的思维火花，引起学生的共鸣，可以说是成功地完成了“合作探究式智慧课堂”的构建，行之有效地落实了既定的教学目标，使学生既学到了知识又提高了能力。

参考文献：

[1]李有根.例谈高中物理实验课中的合作探究[J].物理教学探讨，2010，（7）：68.

[2]孙彦勋. 浅谈中学物理教学中的高效课堂实施策略[J]. 物理教学探讨，2011，（8）：16.

[3]陈海涛.中学物理“合作-探究”教学模式[J].物理教学探讨，2007，（11）：35.

[4]袁海江.物理探究型教学模式的构建[J].物理教学探讨，2007，（23）：35.

（栏目编辑 赵保钢）