“科学探究教学模式”在高中物理教学中的应用

马剑

摘 要：以“自感现象”为例，就“科学探究教学模式”在高中物理教学中进行实践应用，尝试设计探究活动引导学生进行体验、思考、推理和观察，从而“发现”和掌握自感电动势对电流的阻碍作用。

关键词：科学探究教学模式；自感现象；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）8-0016-3

科学探究教学就是让学生在教师的指导和启发下，独立自主开展学习活动，通过经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习如何发现问题、分析问题和解决问题，体验科学探究的乐趣，掌握科学探究的方法，领悟科学的思想和精神。它是实施新课程教学的一个重要教学课型。在此以“自感现象”为例，就“科学探究教学模式”在高中物理教学中进行实践应用。

“自感现象”是人教版选修3-2第四章第六节的教学内容。课程标准要求学生能够通过电磁感应的有关规律分析通电、断电时自感现象的成因，以及认识自感现象是电磁感应现象的特例，感悟特殊现象中它的普遍规律，而普遍规律中包含了特殊现象的辩证唯物主义观点。

1 实践案例——“自感现象”教学片段

1.1 切身体验，认识自感

如图1所示，让几位同学手拉手“串联”在电路中，电源只需1节干电池。

问：断开开关的瞬间，1节干电池何以使得这么多同学同时受到电击？

答：开关断开后，同学们与线圈构成闭合回路，“电击”可能与线圈有关。

由“电击”体验引发思维疑问，从而引入本节课研究的课题——“自感现象”。且在生活中，学生接触到自感的机会并不是很多，缺乏对自感的直接体验。借助“电击”游戏，能感受到物理学习的现实意义，同时引发学生的求知欲望。

问：开关断开时，通过线圈的电流大小如何变化，电流变化的同时又引起哪些物理量的改变？

答：电流减小，线圈中磁场减弱，通过线圈的磁通量减小。会产生电磁感应现象，产生感应电动势。

断开开关的瞬间，线圈产生的自感电动势使得同学们受到了电击。

根据奥苏贝尔的同化理论，任何一个新知识均可以通过上位概念、下位概念和先行组织者，寻找它与旧知识的联系作为新概念的增长点，促进新知识的学习。在本节课之前，学生已经对“楞次定律”“法拉第电磁感应定律”等知识进行了学习，通过设计问题对这些知识进行回顾，让学生在回顾旧知识的过程中解决新问题。

1.2 问题引导，深入研究

自感电动势是一个抽象的概念，它产生的原因学生较容易接受，但它对电流变化引起的“阻碍”作用，以及自感电动势方向的确定却是教学的一个难点。在教学设计时，借助演示实验来创设情境，让学生以研究者的角色进入学习，并借助问题链的方式为学生的理解与思考提供“支架”来化解难点。

问：如果把“电击游戏”电路中参与体验的同学换成灯泡，在开关断开时可以观察到什么现象？

答：产生自感电动势的线圈可以看作一个电源，它能继续给灯泡供电，灯泡不会立即熄灭。

实验演示：

实验现象：灯泡闪亮了一下，没有立即熄灭。（暂不对灯泡发光变亮这一现象进行探讨）

在此进行实验演示不仅可以对前面的理论推理进行验证，还可以通过小灯泡的发光让同学们“观察”到线圈产生的自感电动势。

问：电源断开时，通过线圈L的电流减小，这时会产生自感电动势。自感电动势的作用是使得线圈L中的电流减小得更快些还是更慢些？

学生活动（理论分析）：

答：当电源断开时，通过线圈的电流（如图2）减小，由楞次定律可判断感应电流的方向与电流的方向相同，使得线圈L中的电流减小得更慢些。

问：通过线圈的电流减小，自感电动势使得线圈L中的电流减小得更慢。那么，当通过线圈的电流增加，自感电动势又会如何影响电流的变化呢？

答：在开关闭合时，通过线圈的电流（如图3）增加，由楞次定律可以判断感应电流与线圈中电流的方向相反。

自感电动势的作用是阻碍线圈中电流的变化，为了让学生对“阻碍”一词有较为深刻的理解，可在通电自感实验演示之前让学生先对灯泡的发光情况进行“猜想”。猜想源自学生对“自感电动势对电流作用”的理解，猜想也是对“自感电动势对电流作用”的另一种表述。观察通电自感灯泡的发光情况也能帮助学生更好地理解“阻碍”的含义。

在图3电路中接入灯泡，根据你对自感电动势的认识，说一说开关闭合时灯泡的发光情况。

发光情况可能有：

①灯泡A1没有办法被点亮；

②灯泡A1会先变亮后熄灭；

③灯泡A1逐渐变亮。

有条件的学校，建议依次进行甲、乙两个演示实验（如图4），通过演示让学生看到对比带来的差异性，通过对比能更直观地观察到灯泡A1的发光情况。在培养学生观察能力的同时也向学生传授了“对比观察”的实验方法。

分析与论证

实验现象：灯泡A2立即变亮，而与线圈串联的灯泡A1逐渐变亮。最后达到稳定时，两灯亮度相同。表明线圈产生的自感电动势延长了灯泡达到正常发光的时间，推迟了电流到达正常值的时间。

归纳总结

断电自感时通过线圈的电流减小，自感电动势使得电流减小得慢些，但最终电流大小减小为零；通电自感时通过线圈的电流增加，自感电动势使得电流增加得慢些，但最终电流到达正常值。自感电动势的特性：自感电动势总是要阻碍通过线圈的电流变化。

1.3 拓展应用——对断电自感电路的进一步讨论

问：在图2电路中，产生感应电动势的线圈可以看作一个电源，它能向外供电。由于开关已经断开，线圈提供的感应电流将沿什么途径流动？开关断开前后通过灯泡的感应电流与原来通过它的电流方向是否一致？

答：通过灯泡的电流方向发生了变化，不一致（如图2）。

问：如何通过实验来证实通过灯泡的电流方向发生了改变？

答：在电路中加入发光二极管或者电流计（如图5、图6）。

问：开关断开后，通过灯泡的感应电流是否有可能比原来的电流更大？

在授课时教师可以联系断电自感演示时“灯泡闪亮一下”这个现象引导学生回答。并使用电流传感器采集数据，给学生展示电流反向变大这一过程。

图7为电流传感器采集的I-t图像。可以观察到开关断开后，通过灯泡的电流方向发生了改变，且电流大小大于开关断开前的数值。

2 几点想法

2.1 教学设计要明确探究重点

在教学设计中，确定探究课题后，应认真分析每个探究活动的过程所要达到的目标，由于一堂课时间很有限，不可能让学生对每个环节都进行探究，所以必须确定让学生探究的重点。做“电击体验”游戏时，探究的重点是自感电动势的产生原因；探究“自感电动势对电流的影响作用”时，探究活动的重点是电流变化时线圈中产生的感应电动势及其电流方向、通电自感电路中灯泡发光情况的猜测与观察、自感电动势对电流影响作用的归纳与总结，等等。侧重在某一个或几个方面让学生深刻体会科学探究的实质，这对提高科学探究的质量是非常重要的。盲目的探索不仅达不到科学探究的目的，而且还可能完不成教学任务。

2.2 实验器材的选择

探究所需的器材不是越先进就越好，反而是越简单越能体现物理的探究性。在物理学中常常有利用简单的仪器或设备，完成惊人的发现。如自由落体的运动规律、电磁感应定律的发现。因此，在探究自感电动势的特性时，并不是一定要使用电流传感器来演示自感对电路电流的影响。

2.3 勿让演示实验“喧宾夺主”

在观摩“自感现象”示范课时，发现有些教师为了营造课堂氛围，过多地设置演示实验环节——既观察灯泡的发光情况又使用传感器演示自感对电流的影响，以致教学任务不能完成。依据课程标准，本节课的重点应该是运用所学知识思考和解决实际问题，而不是简单对自感现象进行观察。

3 结 语

在此“自感现象”的教学设计中，通过设计探究活动引导学生体验、思考、推理和观察，从而“发现”和掌握自感电动势对电流的阻碍作用。通过对一系列问题的讨论求解，促使学生主动学习，并运用所学知识思考和解决实际问题。在课堂教学中，教师只是在抛出问题、演示实验，而学生带着问题认真推理分析、观察现象，积极主动地讨论、梳理、总结，成为了课堂真正的主人。

参考文献：

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