基于实验创新培养学生的思维品质——以优化设计“探究感应电流的产生条件”为例

谢建伟

(江苏省武进高级中学,江苏 常州 213161)

人教版选修3-2第4章第2节“探究感应电流的产生条件”一课,是物理实验探究教学的经典案例.参加了江苏省高中物理实验教学创新设计大赛.笔者从前期备课阶段的磨课到形成自身特色的课堂教学,本节课设计思路的发展呈现为3个阶段,重点阐述课堂实验的优化与创新对培养学生批判性思维、创造性思维等高阶思维能力,实现知识型课堂向素养型课堂转变的作用．

1 紧扣教材,重视实验的传统教学

教师引导学生对教材提供的3个学生实验依次探究,从不同角度观察、记录实验现象,结合理论分析,总结归纳出产生感应电流的条件．教师重视实验在创设情境、发现规律、解决问题等方面的作用,紧扣教材、逐步推进,通过实验探究和逻辑推理归纳、理解物理规律,不失为一种好的教学方法．基本环节如表1．

表1

引课实验置疑,创设情境,激发了学生的探究欲望;课堂结尾释疑,应用规律解决问题,这是常用的教学手段．教材实验1的设计意图是和初中衔接,唤醒前认知．在教材内容后段,也从高中视角,保持磁感应强度B不变,通过改变回路面积S,来改变磁通量Φ．教材实验2,通过磁铁与线圈的相对运动,说明B变S不变,来改变磁通量Φ．

教材实验3(如图1),电路较为复杂、探究情景单一,用开关或变阻器控制线圈中的电流,实质还是归结到B发生变化上来;其次,不能用来探究B不变S变、B变S变但Φ不变的情形;再次,两个线圈各成回路,即使作为演示实验,在连接电路、操作讲解、记录现象、原理分析等方面也会对教师和学生形成障碍．作为学生分组实验,学生在认识电路、连接电路上花费过多时间,不利于将思维集中在实验现象的分析、规律本质的归纳上．

图1

教材通过3个实验的探究,归纳出产生感应电流的条件与B、S的变化都有关系,从而用磁通量描述感应电流的产生条件,显得较为牵强．如果能设计实验,B变S变但Φ不变,也不能产生感应电流作为佐证,在逻辑上更为严谨．

2 突出学生主体,优化实验实施方案

传统教学突出了实验的重要地位和探究功能,主要通过教师演示实验、分析论证、归纳结论,充分体现了教师的主体性．但是,教材中的3个实验,对学生而言是新的认识和新的体验．教师尝试提供多种实验器材,引导学生自行设计实验方案,体验探究、发现的过程,突出学生的主体性．

2.1 自制实验,引出问题

图2

教师演示“无源小灯珠发光”．魔术盒(带铁芯的变压器线圈)点亮与小线圈连接的LED灯珠,如图2．

引导学生回顾物理学史,奥斯特20年梦圆“电生磁”,法拉第10年心系“磁生电”．下面,我们循着科学家的足迹一起来探究,要抓住两个关键:磁场、回路．磁场从哪来?怎样检验微电流?为后续探究做好准备．

2.2 自主设计方案,开展科学探究

教师演示教材实验1,由于初中阶段对此已有认识,因此,着重引导学生如何观察实验现象,记录实验结论,为学生开展自主探究提供方向．接着,教师展示多个实验器材,如图3．学生分组讨论,自主选择实验器材,设计实验方案．

图3

图4

教师展示不同小组的实验方案,师生共同交流评价,补充完善实验方案．最终形成相对典型的3组,如图4．由学生设计表格,分组开展实验探究,找到感应电流,尝试归纳产生感应电流的条件．

本教学环节注重学生间互动合作、自主探究、质疑评价,从“接受型教学”向“质疑式学习”转变．从教材实验1的导体切割磁感线到第1组方案中线圈和磁场相对运动,也体现多匝线圈切割磁感线放大电流的放大思想．第2组方案中,通过改变通电螺线管中的电流来改变磁场,体现替代思想,实现多种方式产生变化磁场．第3组方案,教师自主设计器材,形成近似的匀强磁场．通过进出匀强磁场区域、在匀强磁场中旋转线圈、挤扁线圈等方式改变线圈的有效面积,弥补了教材中不能探究B不变S变的缺陷．

2.3 合理外推,提升思维的逻辑性

感应电流的产生与B、S的变化都有关系,而且应该是两者共同作用的结果,能找到一个物理量将这两个因素统一起来吗?物理规律具有简洁美,师生通过合理外推,归纳出产生感应电流的本质原因．接着,教师带领学生揭开引课实验“魔术盒”的奥秘;现场展示手机无线充电过程,进而解释汽车无线充电原理;课后亲身实践教材中的“做一做:摇绳能发电吗?”结合真实情境,应用物理规律解决实际问题,能够帮助学生强化知识与情境相联系的意识和能力,提升思维的创造性．

本教学设计,学生在师生交互式的实验探究中建构物理观念、理解物理规律,体会科学探究的方法,学会抽象思维,发展发散思维、批判性思维和创造性思维能力．当然,三组实验方案,电路连接的复杂程度不同,好在师生共同交流完善时得到一些补偿．和第一种教学设计一样,没有设计实验“B变S变但Φ不变”说明磁通量的变化才是产生感应电流的本质条件,是一个缺憾．

3 整合实验方案,创新实验教学,培养思维品质

教师尝试创新设计实验器材,优化实施演示实验和学生分组实验,让学生在实验探究和逻辑思辨的过程中,参与活动的研究过程、知识的建构过程和问题解决过程．课堂教学的6个环节(如表2),或以实验情境“设疑”、或以实验探究“质疑”、或以生活应用“释疑”,注重给学生鲜活的知识、鲜活的活动,让学习真实发生,核心素养的培养真正落地．

表2

3.1 创设情境重在设疑,提高思维品质的批判性

用魔术创设情境,不仅仅是激趣,更重要的设疑．在教学环节1中,初做魔术:LED灯珠缓慢划过送电线圈上方,多个无源LED灯珠却能被点亮．生成问题:产生磁场的磁体在哪里?进而回顾物理学史(奥斯特“电生磁”)和对称性思想(法拉第“磁生电”),引发学生在已有认知上的新思考,进入新课．

在进入环节3前,再做魔术:几枚LED灯珠静止于送电线圈的磁场中,并没有切割磁感线,却也亮了．引发认知冲突(生:送电线圈产生变化的磁场),学生带着问题“不切割磁感线能产生感应电流吗?切割磁感线一定会产生感应电流吗?”自然过渡到环节3:创新器材,分组探究产生感应电流的其它情形．

3.2 整合演示实验,提高思维品质的深刻性

苏科版9年级教材就已经呈现过“教材实验1”,学生可能操作过并有了“磁生电”的前概念．但是学习并不深入,甚至存在错误认识:只有切割磁感线才会产生感应电流;切割磁感线就一定能产生感应电流．为了避免实验的简单重复,完善知识体系,提高思维品质的深刻性,教师创新教材实验1和2的操作过程,并改分组实验为演示实验．

在教学环节2中,长约5 m的导线与灵敏电流表G形成闭合回路,学生按照教材实验1,用单匝导线切割磁感线,G表有偏转但极其微弱．教师引导学生将导线多绕几圈,用多匝导线再去切割磁感线,G表发生了明显的偏转．学生演示教材实验2,磁铁插入或抽出百匝线圈时,G表发生大角度偏转甚至超过了量程;但当磁铁停在线圈中,G表不偏转．

学生用一匝线圈、几匝线圈到百匝线圈切割磁感线逐渐获得较大的感应电流,既回顾了初中的前认知,体会了相对运动、放大思想等物理方法,在发现问题和解决问题的科学探究过程中,得到规律,发展科学思维．

3.3 创新分组实验,提高思维品质的创造性

考虑到教材实验3的复杂性,以及不能用来探究B不变S变等方面的缺陷,教师自制了大型螺线管(600-800匝漆包线均匀绕在直径约15 cm、长约30 cm的有机玻璃管上)．学生电源(直流10-12 V)、开关、变阻器、大型螺线管串联成闭合电路,螺线管中近似为匀强磁场,并可以通过改变电流来改变磁感应强度的大小．自制感应线圈和G表连接成另一个闭合电路．

在教学环节3中,按4-6人/组分2次开展分组实验．第1次分组实验,在前面探究的基础上去求证“不切割磁感线也能产生感应电流;切割磁感线也可能不会产生感应电流．”学生将线圈从通电螺线管中间上方开口处放入并保持静止,迅速改变变阻器的阻值,使管内的磁感应强度发生变化,发现G表发生明显偏转;保持螺线管内的匀强磁场不变,将线圈在匀强磁场区域内上下平动,线圈切割磁感线,但G表的指针几乎不动．各个小组先后找到是否产生感应电流的证据．第2次开放性分组实验,自主探究不同情形下是否产生感应电流．学生通过断开、闭合开关,线圈在螺线管外运动、在螺线管内旋转、挤扁线圈改变面积,线圈在螺线管两侧进出的过程、在螺线管内平推…学生基本能够预判实验现象,初步归纳感应电流的产生条件．

创新实验器材,避免学生在认识电路、连接电路上花费过多时间,更多地去探究思考物理规律的本质．本组实验达成多种情形下的探究目标,培养了学生模型建构、质疑思辨、逻辑推理、创造性思维等科学思维能力．

3.4 科学思辨,提高思维品质的逻辑性

至此,学生不断强化感应电流的产生与B、S的变化有关．在教学环节四中,强磁铁置于喇叭状模具上方,保持软质线圈(约10匝)面积不变,上下运动穿过强磁铁,G表发生明显偏转;用手收紧软质线圈,使之紧贴模具外壁下滑的过程中,B、S都发生变化(B变小、S变大,Φ几乎不变),但G表几乎不发生偏转．再次引发学生的认知冲突,从而引导学生从磁通量是否变化的角度,以列表的方式,共同回顾上述课堂实验,得出感应电流的产生与磁通量发生变化的一一对应关系,最终归纳出科学本质．

通过对比实验,逻辑推理与实验现象不符对学生形成认知冲突,生成新问题．学生在不断解决问题的过程中,体会到科学探究的不完善性和发展性．本实验也是从逻辑上对产生感应电流的本质条件的进一步佐证,弥补了教材实验的不足．

3.5 解决实际问题,提高思维品质的灵活性

教学环节6基本保持第2种教学设计的思路,现场改装旧款手机实现无线充电功能,进而解释手机、汽车无线充电原理;展示改装的废弃音箱,实现无线传声;PPT展示其它无线能量传输的生活应用．让学生将从一个情境中习得的知识迁移应用到其它情境中,培养学生思维品质的灵活性．

4 结束语

课堂教学要让学习真正发生,培养学生物理学科核心素养,需要在真实情境中围绕具有挑战性的学习主题,追求对知识本质的理解和对学习内容的批判性吸收,实现有效的学习迁移和实际问题的解决．笔者始终坚持实验在物理教学中的重要作用,注重实验器材的创新设计,并通过实验操作的创新设计有效实现课堂重构．体现学生的思维发展,优化课堂实验的组织实施,整合必要的演示实验、深入探究分组实验,在真实的实验情境中,体会实验魅力和逻辑力量,困惑中求发现,复杂中求简明,领悟中有升华．