基于学生科学思维培养的物理规律教学探索——以“交变电流”一课为例

谷海跃 耿宜宏 吴 钦

(1. 常州市第一中学，江苏 常州 213003； 2. 江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161)

1 问题的提出

物理概念与物理规律教学侧重点并不相同,而在实际的教学中不少教师却将其混为一谈．物理概念是对物理事实高度抽象出的知识点,教学重点是概念建立的过程以及建立的原因．而物理规律则是反映了物理概念之间的关系．其中的教学重点是科学思维的培养与科学探究能力的养成．每个物理规律得出都隐藏与之相关联的多个科学方法．本文以“交变电流”为例,深入分析规律课教学中的实际难点,并初步提出解决的路径．以培养学生的科学思维为目的,挖掘并显化规律得出的科学方法,以期能让规律形成之路更加一目了然．[1]

2 基于学生科学思维培养的物理规律课教学难点

福建师范大学陈祖标教授提出,以认知心理学的观点来看,“物理”其实可以理解为“物+理”(图1)．[2]以本节课为例,手摇发电机、发电厂等可以视为实物化、模像化后的物,而正弦交变电流的规律及图像可以认为是抽象化、符号化后的理．从物到理即是生活走向物理,由理到物则是物理知识在生活中的应用．

图1 “物”+“理”模型图

从学生的视角出发,学习的难点是具于形象思维的物(实际物体)与基于逻辑思维的理(物理规律)之间仿佛隔着一个“鸿沟”,从“具物化”的元认知阶段直接跃迁到“抽象化”的高阶思维,缺乏一定的过渡．所以寻找物与理之间的桥梁就变得至关重要．

3 基于学生科学思维培养的物理规律课教学策略

3.1 培养学生建构模型的意识与能力

在追寻物与理之间的关系的规律课中,实际物体用于进行规律探究过于复杂．由于次要因素过多不足以充当规律探究的载体．为了凸显主要因素,科学家们提出了建构模型的科学思维方法．模型是物与理之间的“有效桥梁”,它可以有效降低学习规律的难度．我们既可以通过对物理模型进行分析得出物理规律,我们又可以将物理规律用于模型而解决生活中的实际问题．所以说,建构模型是进行规律探寻的前提条件．在课程标准中明确的提出,学生通过高中物理的学习,基本具有构建模型的意识和能力．

3.2 教学过程中重视显化科学方法

建立模型只是让我们明确了研究对象,如果没有科学方法的指导,规律的探寻就没有办法继续进行．课程标准中指出科学思维是从科学视角对客观事物的本质属性、内在规律以及相关关系的认识,是分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维方法的内化．[3]科学探究的过程中往往蕴藏着很多的科学方法,如控制变量、从一般到特殊、定性到定量的逻辑推理等．在教学过程中显化科学方法,有利于学生建构整个方法体系,有助于学生用科学视角解决新的问题．

3.3 重视以学生为主体的课堂

课堂角色进行转换,从教师讲授学生被动接受的知识积累型课堂转变为重视学生探究体验素养积累型课堂．通过教学活动培养学生实证的意识和评价证据的能力,能使用证据对研究问题进行定性的逻辑推理、定量的科学运算推演和实验．具有批判性思维意识,能够基于证据与推理进行大胆的质疑．让学生进入深度学习,素养在潜移默化中提高．

4 基于学生科学思维培养的“交变电流”规律课教学片段

4.1 片段1：模型建立过程(图2)

图2 模型建立过程

师:通过实验我们发现手摇发电机能够产生交变电流,那么下面我们就来探寻交变电流是如何发出的．

问题1:对于实际的发电机我们如何去研究它?

生:建立模型．

问题2:模型由哪些部分组成呢?

生:磁铁与线圈．

问题3:我们研究问题都是从简单到复杂,那么我们如何简化模型呢?

生:线圈:单匝;磁场:匀强;转动:匀速.

问题4:三维模型图不利于我们观察,有什么降低难度的方法?

生:降低维度．

问题5:大家画出的二维图有图3两种,选哪一种呢?

图3 降低维度过程

生:右边那种,因为既可以看到切割边又能够看到速度方向．

点评:在本段教学中利用问题链引导学生由表及里,深入研究发电机内部构造,由整体到局部聚焦研究问题的重点．可以让学生自然地从动作思维为主的现实场景转化为形象思维(物理模型)的物理场景．在建模的过程中引导学生研究问题从简单到复杂的意识,利用降维的思想进一步降低问题的难度,为下一步探究规律做好伏笔．

4.2 片段2：定性推理过程

师:线圈不停地在磁场中旋转，我们需要找出一些特殊位置进行研究．

问题1:同学们选择哪些特殊位置进行研究?你选择的依据是什么?

生:既要满足速度与磁场垂直,又要满足速度与磁场平行．那么共4个位置．

师:请同学们利用已经学过的知识完成表1中的表格．

表1 发电机参量关系表

问题2:图中(b)与(d)有什么共同点?

生:电流为0,B与v垂直,B与S平行．

师:我们发现这样的面很特殊,我们称为中性面,一般我们会作为研究线圈转动的参考平面．

师:请大家将刚刚(a)—(b)—(c)—(d)—(e)5个位置的电流定性的画到i-t图像中去(图4)．

图4 部分学生猜测的i-t图像

问题3:大家能够通过这5个点猜测图线的形状吗?

生:有可能是三角形的,也有可能是正弦类的图像．

问题4:那么如何验证呢?

生:我们可以从理论和实验两个角度去分析．

点评:对运动的物体进行研究往往是要确定具体位置．从一般到特殊的研究路径不仅能够化繁为简而且还包含了整体到局部的思想．能够让学生从繁杂的情形中理清楚头绪来．而根据有效的局部信息大胆的猜测整体的趋势,能够让学生挣脱束缚大胆猜想,体会科学推理的强大与乐趣．大胆猜想,小心验证形成一个严密的科学探究过程．

4.3 片段3：定量验证过程

师:下面我们找出一个一般位置进行研究．匀强磁场的磁场强度为B,矩形线圈以角速度ω逆时针转动．线圈AB边长为L1,线圈AD边长为L2．线圈从中性面转动开始计时,如图5,试推导t时刻线圈中的感应电动势为多大?

图5 理论推导正弦变化规律

问题1:哪些边在切割,产生的电动势相加还是相减?

生:AB、CD产生电动势应该相加,总电动势应该为单条边的2倍．

问题2:那么一条边的电动势如何求?用什么公式?

师:真棒,大家的猜想得到了验证．

问题3:理论的结果还需要我们实验的契合,我们如何验证手摇发电机发出的电是按照正弦规律变化的呢?

生:我们可以将手摇发电机输出的电压输入到电压传感器中观察(如图6)．

图6 手摇发电机输出电压-时间图像

师:很好,输入传感器可以方便我们直观的观察到电压随着电流的变化关系．

问题4:大家看到的图线满足正弦变化关系吗?

生:这个很难回答,说是也不是,说不是也有点像．

问题5:可能是因为什么问题导致的?(教师摇动手摇发电机,让学生再次观察实验,让学生仔细观察,猜测原因．)

生:磁场不是匀强磁场,摇动也不能做到匀速．

问题6:那么如何解决这两个问题呢?

生:改换磁铁,寻找装置能够产生匀强磁场．用电机带动线圈,使得转动更加平稳．

师:大家请看改进后的装置,如图7，亥姆霍兹线圈提供磁场,可近似获得匀强磁场．用直流电机带动线圈使其转动接近匀速．请大家再观察输出的电压.

图7 改良实验装置及输出结果

生:哇!我们的猜想得到了验证．(学生自发激烈鼓掌)

点评:本段教学过程着重培养了学生的证据意识,较为完整展示了理论与实验两个方面证据对之前逻辑推理的验证．理论推导过程利用问题链对学生进行引导,从研究对象的确定到所用公式的梳理,一步步降低学生理论推导的难度．在实验验证的环节,并不是一味求“快”,而是尊重学生认知发展规律,基于学生对电动机的了解,一步步引导学生对现有的装置进行改良．重视学生整个过程中的探究体验与素养养成,促使学生深度学习．

5 总结与反思

物理规律学习活动的设计必须让学生主动建构知识,而这是需要注重体验的过程．[4]后续教学中引导学生运用规律解决问题,加深对物理规律的理解．学生经过了模型建构、化繁为简的物理方法后认知能力得到了提高．经过了由定性到定量、理论与实验的契合思维加工,学生科学思维得到了进一步的加强．教师应该好好利用好规律教学,借此让学生核心素养的达成、立德树人的育人目标能够真正实现．