问题分解，层层推进，让探究性学习成为硬核

刘建新 杨亚丽

摘要：文章以初中物理沪科版“科学探究：电动机为什么会转动”为例，尝试从五个角度创设情境，引导学生对“电动机为什么会转动”这一核心问题进行分解，阐述了用问题推动有效探究学习的具体思路。

关键词：科学探究  问题  线圈转动  电动机  核心素养

科学探究活动“电动机为什么会转动”先探究电动机转动的物理原理（磁场对电流的作用）;后又从物理走向生活，渗透STS（科学—技术—社会）理念，探究电动机为何能持续转动。涉及知識较抽象，对线圈运动情况的分析需要有较强的空间感和动态思维，是电磁学部分的教学难点。教师对于这类难度较大的探究课题要尝试进行课堂“供给侧”改革，善于创设问题情境，将探究课题进行合理的分解，引导学生有效探究学习。

一、由表及里，提出“是什么在转动”，解剖内部结构

千百年来，“苹果落地”没有多少人觉得奇怪，但牛顿却陷入了沉思，发现了“万有引力”定律。电动机通电转动，似乎不会引起学生的兴趣，若教师给予恰当的引导，在无疑处设疑，那么电动机转动这个问题就可以激发学生好奇心，触发学生深度思考。片段设计如下：

播放一段电动机转动的视频。

提出问题：关于电动机通电转动，你有什么想了解的问题，或者你最想知道的是什么？

师讲述：你不觉得电动机转动很神奇吗？电灯通电会发光，电热器通电会发热，而电动机通电却会转动。（对比提问的目的是启发学生思考现象的不同可能与用电器的内部结构有关）

总结学生疑问，出示第一个探究活动：探究电动机的内部结构。如果学生普遍缺乏对电动机结构方面的思考，那么教师可继续做如下引导：

我们只看到电动机的轴在转动，那么连在这个轴上的又是什么装置呢？输入电动机的电流在其内部流过哪些元件？

一连串的发问就是要激发学生对电动机内部结构的好奇，引导学生去探究电动机的内部结构。

二、化繁为简，提出“线圈为什么会动”，探究物理原理

由前面的探究可知，直流电动机内部主要由磁铁和绕轴转动的线圈组成。线圈由静变动，说明其受到了力的作用，学生会想到这个力可能就是磁体对通电线圈的作用，然后引出本节课的核心探究内容：磁场对通电导体的作用。片段设计如下：

（1）师讲述：研究表明，通电时电流会流过线圈，转动的也是通电线圈。通电前线圈静止，通电后线圈运动，说明线圈受到了力的作用，那么这个力是谁施加给线圈的？（学生多数会猜想是磁体或磁场）

（2）学生活动：教师指导学生拆除电动机内部磁体后再给线圈通电，观察线圈是否会转动。（现象表明没有磁体时通电线圈不能转动，即通电线圈不会受到使之转动的力。至此学生意识到他们的猜想可能是正确的，探究的热情被瞬间点燃）

（3）师讲述：对比实验表明，没有磁体时，通电线圈不会转动，说明通电线圈转动可能是受到磁场的力的作用。线圈又由若干条直导体组成，若磁场对通电线圈有力的作用，那么磁场对通电直导体也可能有力的作用。一个有意义的探究课题便呼之欲出，师此时出示PPT（如图1所示），引导学生对线圈组进行简化。

（4）出示课题：探究磁场对通电直导体的作用。

通过上述思考及实验，学生会对自己的猜想充满期待，他们迫切希望发现真相。通过对线圈组的简化，将探究“磁场对通电线圈的作用”转化为探究“磁场对通电直导体的作用”，一个源于实验观察、逻辑推理应运而生的问题定会激起学生探究的欲望。

三、知识整合，提出“线圈的运动为什么是转动”，构建运动模型

关于力和运动，学生已经学习过“机械运动”“平衡力”“牛顿第一定律”等知识。但学生运动观念中的机械运动更多的是平动，线圈所做的运动是在安培力力矩作用下的转动，中学物理教材中没有针对转动的系统描述，不容易构建一个受力转动的运动模型。所以引导学生构建线圈的运动模型，从理论上分析通电线圈做何种形式的运动是有意义的操作，课堂也更具有物理味。片段设计如下：

（1）师讲述：如图2a所示，线圈边ab和边cd的电流方向相反，根据磁场对通电导体作用力方向与电流方向的关系可知，如果线圈ab边受力方向向上，那么cd边受力方向向下，这两个力对于线圈的运动会产生什么样的影响？引导学生可将线圈看成学生较熟悉的绕轴转动的杠杆（轮轴），尝试画出模型图。

（2）演示：师出示图2a对应的线圈受力示意图并标出转动方向，如图3a所示。

（3）学生活动：要求学生先分别作出图2中b、c两图线圈所在位置受磁场力示意图，标出转动方向;之后再要求学生作出下一平衡位置的受力图（即图3d），标出转动方向。

（4）提出问题：根据作图，分析可知线圈在磁场作用力下将如何运动？

基于学生掌握的杠杆知识提出上述问题，并通过分析得出线圈如何运动（在平衡位置往复运动），合理渗透构建模型这一研究物理问题的方法，拓展了探究性学习的维度。通过上述活动，学生意识到科学探究不仅仅局限在物理实验层面，构建模型、理论分析也是科学探究的重要手段。此外，引导画图构建模型，合理回避了对物理现象过多的生活化语言的描述，也为后面换向器的引入做了铺垫。

四、理论推理，提出“如何让线圈持续转动”，突破思维瓶颈

结合上述运动模型，引导学生思考越过平衡位置的线圈要保持原来的转动方向，受力情况应怎样变化（对应边受力的方向应与越过平衡位之前方向的相反），如何及时改变受力方向。片段设计如下：

（1）师讲述：通电线圈越过平衡位置，想保持原来的转动方向，可以及时改变线圈对应两边的受力方向，那么怎样及时改变受力方向？

（2）学生讨论：改变磁场方向或改变电流方向。

分析：师出示图4，通过调换电源两极位置，可及时改变线圈中的电流方向。

图4 改变线圈中的电流方向

（3）提出问题：什么样的装置才能自动、及时地改变线圈两端与电源两极连接位置或者说能及时改变线圈中的电流方向，从而使线圈可持续地转动下去？

至此，学生已经知道了线圈转动以及线圈在平衡位置摆动的原因，所以他们自然就想知道電动机凭借什么样的装置能使其向某一方向持续转动，探究性学习的热情进一步高涨。为满足学生学习需要，接下来可通过动画或教材图片引导学生分析换向器的作用，明白了换向器的结构及作用，学生就会感受到“技术”在科学理论应用到实践中的重要性，学生的这一感受也成了探究性学习的一个附加成果。

五、反思现象，提出“线圈怎么会不转”，让核心素养落地

探究完直流电动机转动的原理后，让学生接通电动机，设法改变电动机转动的方向、快慢，观察电动机转动情况，并尝试分析可能出现的故障。片段设计如下：

（1）师讲述并布置任务：

通过学习，我们了解了直流电动机转动的原理。请大家将桌面上的模型电动机（只有一组线圈）接入电路，设法改变电动机的转动方向及转动快慢。

（2）学生交流：

通过改变电流方向或磁场方向，可改变电动机的转动方向;通过改变电流大小或磁感应强度，可改变电动机转动快慢。

（3）师演示、引导：

边演示边讲述：电动机上有一对磁铁，取下一个，电动机还能转吗（学生会看到转速变慢）？利用滑动变阻器逐渐减小电流，电动机转动也会变慢，那么当电流很小时，会出现电机不转的可能吗？

（4）提出问题：

电动机接入电路却有可能不转，你们认为是什么原因？

（5）交流总结：

从受力角度分析，学生模型电动机可能不转是因为转轴处摩擦力较大，或者是因为磁场对线圈的安培力较小或不受安培力。而安培力较小可能是电流较小、磁铁磁性较弱等因素造成的，不受安培力可能是电流为0或磁体无磁性。还有一种特殊情况就是线圈处于平衡位置附近（虽然受安培力，但两个力的合力矩较小，通过前面的受力分析，学生能够理解），或者恰好处于平衡位置，线圈也不能转动。那怎么办呢？（有同学会想到可以用手轻轻推动线圈，让其离开平衡位置）

（6）提出问题：

为了避免电动机通电前线圈恰好处于平衡位置而导致电动机不转这一现象，请给直流电动机的设计提一个建议，最后的问题也是从技术角度思考电动机的启动问题，学生再一次感受到科学理论与技术协同发展的重要性。通过思考、推理、分析而获得的这些问题让科学探究有清晰的内容和目的，也为探究性学习输入不竭的动力，问题形成的过程也是培养学生科学思维的过程。

结语

就物理学科而言，探究性学习的目的既包括获得知识技能、建立相应的物理观念，又包括关注情感与态度等非智力因素的培养。探究性学习的载体是一个个物理问题，只有恰当的问题才能激发学生的探究欲望，使学生乐意探究、真实探究，探究性学习才会成为硬核，最终促进学生核心素养的发展。

参考文献：

[1]束炳如.义务教育教科书·物理·九年级全一册[M].上海：上海科技出版社，2013（11）.

[2]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2000.