实验链与问题链互为驱动 彰显科学探究的本质——“探究电磁炉的工作原理”初探及感悟

李 兴

(江苏省苏州第一中学校，江苏 苏州 215006)

科学探究是物理学科重要的核心素养之一．普通高中物理课程标准(2017版)中指出:科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．如何创设问题情境?提出何种问题?如何指导学生设计实验和处理信息,并作出合理的解释?从而达到提升学生科学探究的核心素养的目的．文中将以“探究电磁炉的工作原理”为例,通过实验链与问题链互为驱动的形式,逐步探究,掌握电磁炉的工作原理,彰显科学探究的本质．

1 问题背景

电磁炉是常见的厨房电器之一．在新课标(2017版)选择性必修2模块中建议学生“了解电磁炉的结构和原理”．传统的授课模式中,往往是先讲解有关涡流的知识,然后介绍涡流的相关应用,最后解释电磁炉的工作原理．虽然这种授课方式能够让学生理解相关的知识,但是缺少了让学生合理质疑、科学猜想、提出策略、实验论证、评估交流的科学探究过程,背离了科学探究的本质要求．

实际教学中,应该允许学生针对电磁炉的加热方式提出质疑．如:电磁炉与电饭煲的加热方式是否相同?电磁炉的加热方式与微波炉是否相同或类似?等等.在逐步解决这些问题的过程中,巧妙设计一系列实验与问题,互为驱动．这样不仅可以增强学生的质疑和探究意识,让学生掌握科学探究的方法,还可以让学生体验到科学探究的乐趣．

2 基于实验与问题的探究过程和探究模式

2.1 构建5个探究环节,形成完整的实验链与问题链

(1) 探究环节1.

演示实验: 容量为200 mL的不锈钢杯子里盛适量的水,放在电磁炉上加热．

实验现象: 虽然没有明火,但是水很快被烧开了．

质疑问题:电磁炉的加热方式与电饭煲是否相同?是否也通过面板发热,并将热量传导给锅具,然后再传给锅内食物?

新探究方案:将杯子与电磁炉面板不直接接触,观察杯子里的水能否得到加热．

(2) 探究环节2.

图1 隔离加热实验

探究实验:在电磁炉的面板上放一叠厚度适中的纸张(图1),然后再将盛水的不锈钢杯子放在纸张上面进行加热．

实验现象: 杯子里的水很快得到加热．移开杯子和纸张,却发现电磁炉的面板几乎不发热．

阶段结论:电磁炉与电饭煲不同,并不是通过热传导的方式,将热量传给锅具,再传给食物的．

质疑问题:电磁炉加热与微波炉是否类似,是对锅具内的食物直接加热而与锅具无关呢?

新探究方案:用两个不同材料的容器,盛等量的水,用电磁炉同时加热,观察是否能让水同时升温．

(3) 探究环节3.

图2 玻璃杯与金属杯对比实验

对比实验:玻璃烧杯和金属杯子各一个,盛等量且温度相同的冷水,分别放入酒精温度计(图2)．将两个容器对称放置在电磁炉的加热区域进行加热,观察两个容器中温度计的示数变化情况．

实验现象:金属杯中的水温持续上升,而玻璃烧杯中的水温几乎不变．

阶段结论:根据实验现象可以猜测:电磁炉不是直接对容器里的水加热,而是与容器材料密切相关．若容器是金属的,就可以对容器加热,若容器是非金属的则不能加热．

质疑问题:既然与容器有关,为什么电磁炉对锅具加热时,可以不直接接触,且电磁炉面板几乎不发热呢?

新探究方案:打开电磁炉面板,观察内部结构,并查阅资料,了解基本原理．

(4) 探究环节4.

拆解实验:打开电磁炉的面板,观察内部结构,查阅相关资料．

实验现象:电磁炉内部的主要部件是一个圆盘形的线圈,即加热线圈．

阶段结论:电磁炉加热的基本原理是,电磁炉通过变频电路将高频变化的交变电流通入圆盘线圈,在垂直线圈平面的方向上产生高频变化的磁场,于是在金属容器上产生涡电流,由于涡电流的电阻很小,电流很大,锅具的温度升高很快,锅内的食物得到了加热．

质疑问题:电磁炉对所有的金属锅具都能够有效加热吗?为什么有些锅具会标注电磁炉专用呢?

新探究方案:换用其它材料的金属容器(如铝锅),再次进行加热实验．

(5) 探究环节5.

图3 用铝锅进行加热实验

探究实验:将盛有适量水的铝锅,放在电磁炉上进行加热实验(图3)．

实验现象:铝锅内的水没有得到加热,且电磁炉处于报警状态．

阶段结论:再次查阅相关资料得知,铁磁性材料的磁导率较高,在铁磁性锅具上产生的涡流较强,加热效率较高．其它金属材料(如铝)的磁导率相对较低,产生的涡流较弱,加热效率较低,出于安全保护的需要,电磁炉会报警并停止供电．

2.2 凸显科学探究本质的双链驱动模式

在探究电磁炉的工作原理过程中,依托实验提出问题,为了解决问题,设计新的实验．一系列实验和问题构成科学探究过程中的两条主线．两条主线之间形成了紧密的逻辑关系,体现了科学探究的实质．文中探究电磁炉工作原理的过程,可以用图4的形式表示出来．

图4 实验链与问题链

3 对培养学生科学探究能力的思考

3.1 有价值的问题来源于质疑

提出问题是科学探究的前提,脱离了问题,科学探究便无从谈起．我们要抓住事物的本质,培养学生提出高价值问题的能力,善于把新发现的事实与原有认知之间的矛盾揭示出来,增强学生根据事实进行质疑的意识．

与普通的炉灶不同,电磁炉的加热过程没有明火产生．可以引导学生提出这样的问题“电磁炉加热的方式与普通的电饭锅是否相同?是不是依靠电磁炉面板发热,通过热传导的方式将热量传递给锅具,然后再传给锅内的食物呢?”在接下来探究过程中,不断产生新的问题,提出新的解决策略和实验方法,形成一个有梯度、有价值的问题链．

3.2 提出科学的猜想,内化探究的意识与方法

科学猜想不是随意的猜测,而是根据自己的观察和实践,调动原有的知识和经验,对事实的成因或结果做出假设或解释．科学的猜想有助于培养学生的深度思维能力．

猜想之后,需要提出下一步的探究策略与方法,可以通过设计实验、进行实验,来获取科学探究的证据．探究的策略和方法,不是由教师直接指定,而是由学生根据具体的问题和现实条件作出恰当的选择．长期坚持这样的探究模式,有助于将科学探究的意识和方法逐渐内化成学生探究认知的一种本能．

课例中,在解决“电磁炉加热原理与电饭煲一样吗”的问题时,可以引导学生主动提出相应的解决策略“用一叠纸张隔开电磁炉面板与锅具”．在解决“电磁炉加热是否像微波炉那样,对锅具内的食物直接加热”的问题时,可以让学生思考相应的解决策略与实验方法．在探究过程中,教师可以起到组织和引导的作用,而不能替代学生的探究主体地位．

3.3 科学探究中的解释与交流

科学探究中,对探究得到的数据或结果进行描述和分析,对因果关系作出解释,并归纳形成探究的结论．在“探究电磁炉的工作原理”课例中,经过一系列的问题链与实验链互为驱动探究之后,形成电磁炉工作原理的解释性结论．实际教学中,问题与实验的驱动在前,工作原理的解释在后．解释性的结论也应该由学生主动生成．

探究电磁炉工作原理的教学中,在确保安全的前提下,可以分组进行探究．指导学生撰写探究报告,让学生学会通过语言、文字、图表等方式,与他人分享探究的方法、成果和探究的心得,培养学生的表达和交流能力．

综上所述,在物理规律的建立过程中,常常要运用观察和实验、分析和综合、数学和推理等科学方法．在物理课堂教学中,应该将这些物理学的思想和方法渗透到问题中、渗透到实验中．让学生在解决具体问题的过程中,学会合理质疑、科学猜测、实验论证、评价交流,从而彰显科学探究的本质．