活化问题 培养能力 基于生活情景的物理教具改进——例谈“风扇发电机”的课堂应用

暴 雷

(哈尔滨市中实学校 黑龙江 哈尔滨 150000)

汤金波

(南京师范大学附属中学树人学校 江苏 南京 210000)

1 引言

对于物理学习来说，真正有效的物理认知结构一定是学生自主构建起来的，真正的物理学科能力一定是学生通过自身的努力建立起来的[1].学生自主创新实验是培养学生物理核心素养的有效方式，而学生自主创新实验的实践途径之一，就是教师演示实验的创新化和生活化处理.因此,教师演示实验的创新性和可拓展性，对于学生的跟随模仿与后期超越，就有了极其重要的示范作用.所以笔者采用了风扇这一生活电器来对电磁感应知识进行演示实验教学.风扇按照工作方式分为：直流风扇(DC FAN)、交流风扇(AC FAN)两种.本文选择四叶交流风扇，根据其原理可逆向看成“交流发电机”——转动产生感应电流.再通过抽象与理想化后，在“电磁感应”“交变电流”两章中可进行演示实验的开发与应用.

在演示实验的基础上设置问题，目的是为了让学生达成最近发展区，根据学生已有的认知水平，把需要学习的知识转化为一连串有主题的问题群[2].所以,在演示实验及学生实验的同时，笔者配以问题引导学生思考及分析的方向.

下面针对楞次定律、电磁阻尼与交变电流等教学内容来分别谈谈笔者的一些具体做法.

2 楞次定律

在本节新课引入中，采用如图1所示的转动风扇点亮发光二极管，同时配以如图2所示抽象的物理模型，观看完演示实验后，设计如下的问题.

图1 风扇转动二极管发光

图2 简化的物理模型

问题1：图2所示为理想化的电风扇内部基本原理图，那你能用学习过的理论来解释一下电风扇可以点亮发光二极管吗？

预设回答：根据产生感应电流的条件，线圈在转动过程中，线圈内磁通量发生变化.所以发光二极管可以被点亮.

设计意图：(1)培养学生的建模能力.通过实际生活情景的引入，教师引导学生对情景进行抽象和理想化，帮助学生建立理想模型与实际生活的联系.学生建立模型能力的培养需要在平时教学的过程中潜移默化地形成[3].因此，引入实际生活情景，教师加以引导和分析帮助学生建立理想化模型，以此达到培养学生建模能力.

(2)回顾上节课感应电流的产生条件.由此对本节课楞次定律所需要的知识基础进行复习.帮助学生快速进入情景，利用已有认知内容对未知知识探索的基础准备.同时让学生体会到电磁感应知识在生活中的应用，以培养学生利用物理观念解决实际问题的思想.

3 电磁阻尼

在本节的教学中，笔者未采用教材中电流表正负接线柱直接相接来演示电磁阻尼现象.原因在于：

(1)高中生对电流表内部结构的认知可能有不够清晰的地方，导致对实验现象产生的原因不能形成透彻理解--只知其然而不知其所以然.

(2)电流表指针比较细，课堂演示可见度可能较差.

(3)课本实验电流表的指针到底是用来观察感应电流还是用来感受感应电流引发的效果，容易引起学生误解.

因此，笔者把电流表改为风扇，且演示实验为学生自主探究实验.把学生分为6组，每组分配一风扇和电流表，让学生利用手边的仪器自主探究如何让转动的风扇快速停止.在此基础上配以抽象出的理想化模型帮助学生分析电磁阻尼现象.在实验的基础之上配以以下问题来引导学生建立完整清晰的理论认知.

问题2：在我们转动风扇的情况下，如何快速地让风扇停止转动，请同学们自主设计并做出实验验证.

预设学生实验1：利用导线与风扇连接.在不接通风扇插头的情况下，转动风扇叶片，风扇可以持续转动一段时间，而利用导线将风扇插头连接后，转动风扇叶片，风扇很快停止.

预设学生实验2：利用电流表与风扇连接.在不接通风扇插头的情况下，转动风扇叶片，风扇可以持续转动一段时间,如图3所示，而利用电流表将风扇插头连接后，转动风扇叶片，风扇很快停止，同时灵敏电流计发生左右偏转，如图4所示.

图3 未接通风扇插头，风扇转动时间长

图4 风扇插头与电流表连接，风扇很快停止

设计意图：改演示实验为学生自主探究实验.通过探究实验可以掌握学生对电磁感应知识的理解.风扇发电的原理在楞次定律教学时已经有所了解，学生可以通过讨论、交流等科学探究过程进行实验的分析，同时对楞次定律知识的理解，从理论到实际操作的升华.

问题3:如图5所示为实验的抽象化物理模型图.你能通过实验和模型图来解释你所看到的实验现象吗？

图5 抽象化的物理模型

预设回答1：在电流表与电风扇插头串联后，电流表有示数，说明产生了感应电流.感应电流产生安培力，安培力阻碍风扇的转动，所以风扇很快停下来.未接通的情况下，未产生感应电流，因此，不能快速停止转动.

预设回答2：在接通电风扇插头后，产生了感应电流.机械能转化为电能，因此风扇很快停下来.未接通的情况下，未产生电能，不能快速停止转动.

设计意图：(1)此问题具有一定灵活性，答案没有限定明确的回答角度.目的是希望学生在看到此问题后，通过讨论与分析，能够从“力与运动”和“能量转化”等多角度来审视和加深对电磁阻尼的理解.

(2)通过给出模型图，潜移默化地培养学生通过实际生活情境转化为物理模型的能力.

(3)培养学生以物理学视角解释自然和生活中的现象.

问题4：此现象被称为电磁阻尼，你能通过刚刚我们的解析给出电磁阻尼的定义，并分析此现象中的能量转化吗？

预设回答：当导体在磁场中做切割磁感线运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼.机械能转化为电能.

设计意图：通过学生总结定义及能量转化，培养学生对物理概念和规律的提炼与升华，以培养学生的物理观念.

4 交变电流

交变电流即交流电路中的电流，它是由交流发电机产生的，电流的大小方向随时间而发生变化.在本节的教学中，首先利用发光二极管并联在风扇插头两端(二极管正负极反接)交替点亮(图6)的演示实验，通过图7的电路图让学生分析交变电流的特点及总结定义，再让学生利用手摇交流发电机进行分组实验，通过给出的问题进行交变电流的理论分析.通过笔者的实际课堂操作，认为取得了比较好的课堂效果.

图6 风扇转动二极管交替发光

图7 电路图

下面笔者对本节课中问题的设置进行简单阐述.

问题5：请问二极管交替发光的原因是什么？你能自主设计验证实验，并现场来进行演示吗？

预设回答：二极管交替发光的原因是电流的方向发生变化.在电源插头上连接灵敏电流计，以此来证实电流方向发生变化(图4).

设计意图：通过上一章的学习及铺垫，学生很容易想到二极管交替发光的原因为电流的方向发生变化.此问题的亮点在于学生自主设计、操作实验来进行猜想验证.通过本问题期望学生经历猜想和假设、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的完整科学探究过程，以此来培养学生科学探究能力.

问题6：风扇发电机的物理模型就是交流电发电机如图8所示，请同学们利用手中交流发电机进行发电并画出以下4幅图(图9)的截面图，并通过实验和图像对交流电进行分析.

图8 交流电发电机

(a) (b)

(c) (d)

设计意图：(1)笔者以往的教学中，仅仅是通过图像让学生画出截面图并分析产生电流特点及原因，发现效果不尽如人意.原因在于学生未经历实验探究的过程，未建立交变电流的物理模型.因此,笔者在进行本节课的过程中，让学生进行分组实验，同时引导学生利用实际情景自主建立图9的截面图并分析.呈现出的效果比直接画图效果好很多.

(2)此题目的设置仍具有一定开放性，不限制学生分析交变电流的角度.笔者引导学生从以下3个方面来入手.

1)从交流电产生原因入手，AB,CD为导体切割磁感线运动，为下一步交流电峰值及瞬时值的求解建立逻辑起点.

2)从右手定则入手分析交流电的方向问题，对交流电方向变化建立理论基础.

3)从电流大小变化入手，为下一步电流的变化呈现正弦式变化进行猜想铺垫.

5 总结

“物理学不只是图表和数据，它能带给你很多珍贵的东西，理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路[3].”如何激发学生的创新精神与理性的思维方式，笔者认为教师在教学的过程中应大量发现生活中的物理现象、物理规律并通过创新和改进实验为教学及培养学生的核心素养服务.同时教师的创新实验也能为学生的自主创新实验起到引领和示范的作用.