基于物理核心素养导向的“交变电流”教学案例

田阳阳

(仪征市第二中学,江苏 仪征 211400)

·教材与教法·

基于物理核心素养导向的“交变电流”教学案例

田阳阳

(仪征市第二中学,江苏 仪征 211400)

物理核心素养的培养是教育教学发展的根本宗旨目标.学生物理核心素养的形成需要通过教育教学实践得以落实,本文以“交变电流”教学案例为例,探索了促进学生物理核心素养养成的教学过程.

核心素养；交变电流；教学案例

1 设计宗旨

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,主要由“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”、“科学态度与责任”等4个方面的要素构成[1].基于物理核心素养导向的“交变电流”教学案例凸显实验探究和科学思维、创设真实的情境形成物理观念、渗透科学态度与责任,充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用[2].

2 教学过程

图1

2.1 发电机

师:演示实验.如图1所示,展示一个绕有600匝线圈(漆包线)的泡腾片的包装盒(管状);盒内装有强磁铁(课前装好),线圈中接入了一个小灯泡;将磁铁沿管方向来回摇动.

生:观察到小灯泡发光了.

师:猜猜管中是何宝物?为何摇动时能使小灯泡发光?

生1:管中的宝物应该是电池,电池给小灯泡供电,小灯泡发光.

生2:管中的宝物应该是磁铁,当磁铁在管中沿管方向来回运动时,使闭合线圈内磁通量发生变化,产生感应电流,小灯泡发光.

师:两位学生的猜想都很合理,下面我打开包装盒,我们亲眼见证一下究竟是何宝物.取出宝物,让宝物靠近教室大门时,宝物紧紧地吸附在教室门上,如图2所示.

生:宝物是磁铁.

师:刚才演示的装置其实就是一个发电机,请同学们观察,这个发电机由哪些部分构成?

生:线圈、磁体.

师：实际上任何发电机都有2个核心部件：用来产生感应电动势的线圈(叫电枢)和用来产生磁场的磁极.

师:是不是有了线圈和磁极,就有电流产生呢?要产生电流,还需要什么要求?

生:不是;线圈和磁极要有相对运动.

师:实际中,根据发电机旋转部件的不同,将发电机分为旋转电枢式发电机和旋转磁极式发电机.

图3

师:下面我们来详细了解一下实验室常见的旋转电枢式手摇发电机的基本构造[3，4](多媒体投影结构图如图3所示).

师:除了磁极N、S和线圈abcd外,大家还可以观察到什么结构?

生:滑环K、L和电刷A、B.

师:它们的作用是什么?

生:讨论交流达成共识:使线圈在转动时保持与外电路的连接.

师:旋转磁极式发电机的基本构造与旋转电枢式发电机的基本构造相同吗?

生:不同.旋转磁极式发电机的线圈静止不动,因此不需要滑环和电刷.

师:旋转电枢式发电机与旋转磁极式发电机相比,哪一种更优秀?为什么?

生:讨论交流达成共识:旋转磁极式发电机更优秀，因为旋转磁极式发电机不需要滑环和电刷,结构简单，可以避免电压过高时发生火花放电,烧坏滑环和电刷;旋转电枢式发电机受空间限制,线圈匝数不能太多,感应电动势不可能很高.

设计意图:精彩的引入犹如交响乐曲的“引子”,能够酝酿学生的情绪,渐入佳境.通过自制发电机教具开展演示实验,为学生提供直观、鲜明的感性材料,吸引学生的注意力,激发学生的好奇心,使学生产生兴趣并形成最佳的心理状态,积极开动脑筋猜想与思考,讨论与交流,主动获取知识.物理教学应努力创设能够激发学生好奇心,能够促使学生积极顺应的物理情境,使物理课堂更具趣味性,让学生感受物理学的美妙,进而形成终身学习的意愿,促进终身发展所需的必备品格与关键能力的养成,体现物理学科教育在立德树人中的作用[5].

2.2 交变电流与直流

图4

师:演示实验.摇动手摇发电机(如图4所示)对小灯泡供电,请同学们仔细观察,可以观察到什么现象?

生:小灯泡一闪一闪发光.

师:说明了什么?

生:发电机产生的电流的大小是周期性变化的.

图5

师:将发电机的两个输出端通过滑动变阻器连接到0刻度在刻度盘中央的灵敏电流表的两个接线柱上(如图5所示),摇动手摇发电机,请同学们注意观察电流表指针是如何偏转的.

生:电流表指针左右摆动.

师:说明了什么?

生:发电机产生的电流的方向是周期性变化的.

师:波形图是反映电压或电流随时间变化规律的图形.我们常用示波器(让学生初步认识示波器)来观察波形图.下面我们用示波器观察手摇发电机产生的电压的波形图.

图6

生:观察到如图6所示的电压波形.

师:说明了什么?

生:发电机产生的电压(电流)大小和方向做周期性变化.

师:大小和方向随时间做周期性变化的电流叫做交变电流,简称交流(AC);而方向不随时间变化的电流称为直流(DC).

设计意图:通过3个演示实验充分地还原稀释了交变电流的概念,化枯燥为生动,帮助学生形成清晰的表象,然后在表象的基础上引导学生经历抽象、概括、分析和归纳的过程,最终帮助学生很好地建构了交变电流的概念,并提升了学生的观察能力、分析能力、逻辑思维能力,培养了学生对科学研究的热情和实事求是的科学态度.基于我国对物理核心素养的界定,物理课堂教学过程必须从“知识传递”转向“知识建构”.只有在物理概念的建构过程、物理规律的探索过程中,才能让学生真切感受物理的思想方法,才能有效培养学生的物理核心素养.

2.3 交变电流的产生

师:工业上在产品设计出来之后,对产品的性能特点必须全面了解.为了更好地利用这台发电机发出来的电,我们需要进一步研究这种电流的产生过程.弄清电流大小、方向分别是如何变化的.

师:要研究电流的大小是如何变化的,我们需要什么理论工具?

生:法拉第电磁感应定律.

师:要研究电流的方向是如何变化的,我们需要什么理论工具?

生:楞次定律，右手定则.

师:为了简单起见,我们将线圈简化为单匝线圈，且为了更好地帮助大家建构线圈在磁场中的转动情景,我这里制作了一个模型教具,可以直观地展示线圈的转动情况.

生:2位学生到教室前面帮忙,将细线拉直,如图7所示,形象展示了磁感线.

师:出示线圈模型,展示线圈共有4条边,让细线穿过线圈并转动线圈,如图8所示.请同学们仔细观察,线圈有几条边在切割磁感线?

生:2条.

图7 自制磁感线模型

图8 自制线圈模型

设计意图:耳闻易忘,目睹为实,躬亲则明.利用生活中常见的材料,动手制作直观、形象、简易的结构模型教具,让学生身临其境,变抽象的空间分布为清晰的实物表象,可丰富他们的感性知识,发展他们的认知能力、抽象思维能力.学生在参与中突破了学习难点, 产生了学习兴趣,提升了关键能力.

师:交流发电机一个周期内转动过程的示意图如图9所示.

图9

师:实际中,为了分析方便起见,我们需要把立体图转化为平面图.请同学们选择合适的视角把立体图甲→戊转化为平面图,并结合平面图分析甲→戊这几个特殊位置有什么特点,填入表格.

生:绘制平面图并填写教师课前设计好的表格,结束后相互讨论交流,达成共识.结果如图10及表1所示.

图10

表1

师:从表格可见线圈每经过1次中性面,电流方向改变1次.那么一个周期内电流方向改变几次呢?

生1:一个周期内3次经过中性面,所以电流方向改变3次.

生2:因为图甲、图戊是同一个位置,一个周期内只能算1次.如果认为图甲位置是一个周期的起始位置,则图戊位置就应该是下一个周期的起始位置,所以一个周期内电流方向改变2次.

师:哪位同学的观点更合理?

生:生2.

设计意图:通过立体图与平面图的结合,培养了学生的观察能力,空间想象能力.表格的设计使学生更清晰地看到在甲→戊几个特殊位置磁通量、磁通量的变化率、感应电动势、感应电流的方向的特点,从而总结规律,形成并理解中性面、最大面的概念.通过这样的教学情境设计,避免了知识以枯燥、呆板的形式传授给学生,引发学生的认知需求,激发学生的学习动机,逐步提升学生化抽象为直观,归纳演绎的科学思维能力.

图11 矩形线圈在磁场中转动

师:上面我们讨论了几个特殊位置感应电动势e的特点,一般情况,线圈在非特殊位置,如图11所示,感应电动势为多大呢?

设匀强磁场磁感应强度为B,单匝线圈从中性面开始,绕垂直于磁场方向的中心轴沿逆时针方向匀速转动,角速度为ω.线圈ab、dc边长为L1,ad、bc边长为L2,经过时间t，

问题1:线圈与中性面的夹角θ为多大?

问题2:dc边的线速度为多大?

问题3:dc边的有效切割速度为多大?

问题4:dc边产生的感应电动势为多大?

问题5:dc边产生的感应电动势方向如何?

问题6:ab边产生的感应电动势与dc边产生的感应电动势大小关系如何?方向如何?

问题7:整个线圈中产生的感应电动势为多大?

问题8:若实际线圈的匝数为N,整个线圈中的感应电动势为多大?

问题9:若整个线圈(总电阻为r)和外电阻(阻值为R外)组成闭合电路,整个电路的总电阻为R,则电路中的感应电流为多大? 路端电压为多大?

师:e、i、u随着时间按正弦规律变化,不同时刻有不同的数值,叫做瞬时值,Em、Im、Um叫做峰值.正弦交流电是应用最普遍、最基本的交变电流.

设计意图:了解学生现有的知识水平,围绕教学目标,按一定的次序精心设计一组贴近学生“最近发展区”的问题串,为学生提供主动参与探索发现的机会,激发学生的独立思考和积极建构.在“问题串”的引领下,学生的思维能够由表及里,由浅入深,循序渐进，可以有效地分解教学难点,同时提升学生理论分析的能力.实施核心素养导向的物理教学,需要教师转变教学的价值观念,运用自己的教育智慧,将冰冷的学术结论动态地、活泼地展示在学生面前,易于学生接受,从而提高学生的积极性和学习兴趣,让学生在问题的探索过程中真切感受物理的思想方法,逐步形成科学思维,有效培养学生的物理核心素养.

2.4 交变电流的图像

师:由前面的表达式可得到正弦交变电流的电动势e、电流i和路端电压u随时间变化的图像,如图12所示.

图12 正弦式交变电流的图像

师:理论探究得到的是按正弦规律周期性变化的电流,而示波器显示的电流虽然是周期性变化的,但是不按正弦规律变化(如图6所示),这是什么原因呢?请大家分小组讨论,形成共识,并汇报成果.

生: 小组1:手摇发电机的线圈是绕在铁芯上的,而理论分析时没有铁芯.

小组2:理论探究中假设的磁场是匀强磁场,而实际手摇发电机内的磁场不是匀强磁场.

小组3:理论分析时假设线圈是匀角速度转动的,而手摇发电机发电时很难做到匀角速度.

小组4:理论分析时用的是矩形线圈,而手摇发电机中的线圈并不是矩形的.

师:同学们通过讨论找到了多种可能的原因,那么我们如何判断找到的原因是否正确呢?

生:通过实验进行检验.

师:能说说具体的实验构思吗?

生:如图13所示.

设计意图:核心素养导向的物理教学要求我们在教学中不断为学生提供面对问题、分析问题、解决问题的机会,激发学生的学习热情,使学生在主动学习与研究中养成行为习惯,发展关键能力[7].创设理论探究结果与实际不一致的问题情境并组织学生小组讨论,有助于培养学生与他人合作、沟通、交流的能力.通过小组讨论交流,学生找到了引起不一致的多种原因,教师在课堂上不应急于提供结论,而是引导学生找到实验检验这一科学方法,来检验自己的观点是否正确.课堂传授的物理知识学生终将遗忘殆尽,但解决问题的科学思维、科学方法将在学生心里铭刻深深的印记.这些知识背后更有价值的东西有助于学生今后去正确面对、决策所遇到的大量的非物理问题,为他们一生的文明、健康,高质量的生活奠定基础[8].

图13

2.5 作业

师:交变电流的出现极大地促进了生产力的发展,给全人类带来了福音.饮水思源,我们忘不了为交流电的发现做出巨大贡献的伟人们,课后请同学们查阅资料,了解交流电之父:尼古拉·特斯拉的生平事迹[9].

设计意图:物理核心素养导向的教学要求关注学生的科学态度与责任,科学家们探索、追求真理的事实与故事,包含着丰富的育人因素.通过对尼古拉·特斯拉生平事迹的学习,感受其挫折中前进、利益下淡然处之、世界前大爱无疆、生活中幽默朴实等独特的人格魅力;感受其珍惜时间,任何情况下都不放弃自己热爱的工作;感受其对科学一生不息的追求.[10]以尼古拉·特斯拉独特的人格魅力、对科学的执着精神为榜样,培养学生实事求是的科学态度,献身科学的探索精神,服务社会勇于担当的公民素养,为适应个人终身发展和社会发展打下良好的基础.

3 教学反思

物理核心素养导向的教学要求物理课程能够为学生在今后工作和生活中面对未知问题时提供解决问题的思路和方法,是体现物理课程价值的必由之路.本节课以实验为基础,以教学活动为依托,以学生核心素养的发展为指导思想展开.整个教学过程中,学生一直处于动眼、动脑、动手、动口的状态,教师只是提出问题,提供信息并作适当的启发、点拨,学生自主探究、参与体验、交流合作、建构概念、发现规律,最后学生不仅掌握了知识,也在整个学习过程中体验到成功的快乐,掌握了科学的思维方法,发展了智力,培养了品格,提高了能力.通过对尼古拉·特斯拉生平事迹的学习,相信一个痴迷于科学研究、挫折中前进、利益下淡然处之、世界前大爱无疆、并始终坚持从不放弃的科学家的形象已深深根植在学生的心灵深处,使学生的内心受到强烈的震撼,以物理学家的人格魅力和智慧去滋养学生的心智,为培养学生终身学习的意愿及世界前大爱无疆、超越国界造福人类的责任感打下坚实的基础.

物理核心素养是公民基本素养的重要组成之一,是学生在物理课程中获得的终身受益的学习成果,教师在课堂教学实践中要积极探索、创设不同的情境,使学生在与不同情境的有效互动中生成物理核心素养.正如德国存在主义哲学家、神学家、精神病学家卡尔·西奥多·雅斯贝尔斯所言:“教育是人的灵魂的教育,而非理性知识的堆积.教育本身就意味着一棵树摇动另一棵树,一朵云推动另一朵云,一个灵魂唤醒另一个灵魂”.

1 曹义才.基于核心素养导向的中学物理实验教学表现性评价[J].物理教师，2016(7)：9-11.

2 张新华.教学设计视角:关注学生的物理核心素养[J].物理教学,2016(05):7-10.

3 广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组.物理选修3-2[M].广州:广东教育出版社,2007.

4 司南中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2 [M].济南:山东科学技术出版社,2009.

5 林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径[J].福建基础教育研究,2016(02):4-6.

6 郑永圣,陈之东.整合不同版本教材资源,搞好课堂教学设计——以“交变电流”为例[J].物理通报,2016(02):28-29.

7 林钦,陈峰,宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J]. 课程·教材·教法,2015(12):90-95.

8 吴加澍.对物理教学的哲学思考[J]. 课程·教材·教法,2005(07):64-67.

9 祁红菊. “交变电流”同课异构教学设计与评析[J].物理教学,2014(08):6-8.

10 宋双霞,袁海泉.科学家尼古拉·特斯拉的人格魅力[J].中学物理,2015(01):70-71.

11 马云秀.优化教学情境 提升课堂生命力——“交变电流”一课教学案例[J].物理教师，2014(6)：23-25.

2016-08-15)