培养质疑精神 提升释疑能力——以“通电线圈”教学为例

游天下

(慈溪市庵东实验学校 浙江 宁波 315300)

通电线圈教学安排在通电直导线之后，以往的教学中更多关注导线的弯曲，没有从内在电流、磁性的关系进行知识延续.对于科学史实、磁场方向的判定缺少应有的质疑，停留在被动的接受知识.实验过程指向过于明确，错失很多生成性问题的探究.本文结合“通电线圈”部分教学环节，从培养学生的质疑精神、释疑能力分享一些自身的教学行为.

1 通电线圈磁性强弱的影响因素

1.1 现状认识

学生能较容易地细说通电线圈磁性强弱的影响因素有电流大小、线圈匝数、是否有铁芯.缺少对线圈的线径、疏密、铁芯大小、材质等因素的深层次探究.从而对该结论的理解深度不够，探究思维的发散不足.遇到试题生搬硬套，解决实际问题的能力得不到有效锻炼.目前很多试题也缺乏对学生深度认知能力的考查，部分试题本身就错误地认为只要铁芯和线圈中电流大小相同时，线圈匝数越多，线圈磁性越强.对于科学方法的考查体现在对于3个影响因素控制变量法及转换法的运用.探究问题一再重复，缺乏新意，最后硬生生地成为了一种记忆强化.

1.2 理论分析

多匝通电线圈是由一系列环形线圈连接形成.每一匝环形线圈中的电流产生自己的磁场，多匝环形线圈的磁场由于电流方向一致，磁场强弱得到叠加.但这种叠加对外显现出的磁性强弱自然受到线圈长度的影响.如果多匝线圈在越短的长度内叠加，则在磁极处显现的磁场就会越强，反之线圈绕制越疏，则叠加后的磁性越弱.所以从理论角度分析，线圈匝数对线圈磁性强弱的影响，需要在单位长度内进行比较更为合理.铁芯的插入，能被电流磁场所磁化，相当于在电流磁场的基础上多了一个磁体，自然可以增强磁性.

1.3 实验剖析

电流大小及是否有铁芯对通电线圈磁性强弱的影响实验很常见.笔者尝试的实验主要是关于线圈匝数及绕制的疏密对磁性强弱的影响.下面以同一电路，通过改变线圈绕制的疏密及匝数来探究磁性强弱，部分实验记录如下.图1是在铁钉上疏绕8匝线圈，多次实验，平均吸引轻小垫片4枚.而图2是在铁钉上密绕8匝线圈，多次实验，平均吸引轻小垫片8枚.图3则是在铁钉上疏绕4匝线圈，多次实验，平均吸引轻小垫片4枚.图1，2对比可知，线圈的绕制疏密程度会影响它的磁性强弱，单位长度上越密，磁性越强.图1，3对比可知，线圈匝数不同、绕制疏密程度相同，磁性强弱可以相同.经多次实验得到结论，当其他条件相同时，单位长度上线圈的匝数越多，通电线圈的磁性越强.

图1 铁钉上疏绕8匝线圈

图2 铁钉上密绕8匝线圈

图3 铁钉上疏绕4匝线圈

对于这一问题的描述，部分版本教材做如下表述.人教版物理教材，电流一定时，外形相同的螺线管，匝数越多，电磁铁的磁性越强.华师大版科学教材，单位长度上的线圈匝数越多，磁性越强.浙教版科学教材，通电螺线管的线圈匝数越多，磁性越强.笔者认为前两种版本的教材表述更为严谨.

2 质疑精神及质疑点

2.1 质疑精神

初中物理核心素养包含3个维度，6个方面，18个要点.其中文化基础这一维度包含科学精神方面，科学精神的3要点之一为批判质疑[1].全面发展的人需要必备的文化基础，不仅仅是单纯的从书本上获得科学知识，还包括科学精神、探究能力和创新思维.如果没有质疑，思维难以得到发散，发现问题的能力得不到提升，就难以从书本中获得超越基本知识本身的价值[2].自然界是不断发展变化的，人类对自然的认识也在不断的进步，很多真理都是在质疑的探究中不断得到发展完善.没有质疑精神的物理课堂，既不能深化对科学本质的认识，也不能让学生的创造性思维得到体现.因此,我们有必要在备课的过程中，尽可能地引导学生进行质疑，在质疑中强化教学效果，提升学生核心素养[3].

2.2 质疑安培定则

2.2.1 质疑科学史实

1820年丹麦物理学家奥斯特，在一次演讲中偶然发现当一根铂丝与伽伐尼电池接通后，放在附近的磁针发生了偏转，由此反复研究发现了电流的磁效应.这一科学史在各版本的教材中都有介绍.但随即各教材就介绍用安培定则来判定磁场的方向.此处应该要有质疑，奥斯特的发现怎么突然跳到安培定则了呢?教材在此对安培也没有详细的介绍.

2.2.2 质疑磁场方向判定

对于利用右手判定磁场的方向，学生应该是有疑惑的.判断直线电流的磁场，用右手握住直导线，大拇指指向电流方向，四指指向就是磁场环绕的方向.判断通电螺线管的磁场，四指指向电流的方向，大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极.两次大拇指指向的含义不同，很多学生在此后的练习中也经常出错.此处该有的质疑声没有得到解决，这为后面的出错埋下了隐患.平时教学过程中，对于安培定则一、二，教师的教学目标时常会定位到能利用安培定则准确判断磁场的方向.因为目标的确立，在讲述安培定则时就成了介绍一个类似广播操的动作要领，记住，会用就好.鲜有的质疑声可能也会被遏制.

2.3 质疑实验结论及应用

文中提到的通电线圈磁性强弱的影响因素.很多学生对自己的探究结论深信不疑，教师也很开心，因为总算通过探究得到了想要的结论.在多年的教学、听课、交流过程中，没有听到类似的质疑，也没有发现类似的实验探究.教材和教师过于明确的指向，往往会埋没了学生的质疑.如果遇到试题有类似的探究往往不知所措，难以从更高的层次提升自己的科学素养.电磁铁在生活生产中应用广泛，对于电磁铁的特点，应该要引导学生质疑铁芯材料、形状的选择等.

3 释疑能力及方法

3.1 查阅资料 释疑科学史实

有些质疑，本身难度不大，往往只是因为该问题没有被抛出，通过查阅资料，相互交流几乎可以自行解决，形成共识.学生查阅电磁科学史，可以找到以下史料.“顿牟掇芥，磁石引针”，人们很早就发现电现象和磁现象存在相似性.但是相似并不等于本质上有联系.17世纪初，吉尔伯特就断言，电与磁之间没有因果关系，库仑也持同样的观点.1800年伏打发明了电堆，电学从静电走向动电，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应.丹麦物理学家奥斯特，他信奉康德的哲学，认为自然界各种力可以相互转化，不认同电与磁无联系的主流观点.他尝试着从电流方向上寻找磁效应，结果都失败了，因为电流对磁体的作用不是纵向的，而是横向力.1820年4月，奥斯特在作有关电和磁的演讲时，尝试将磁针放在导线的侧面，正当他接通电源时，他发现磁针轻微晃动了[4].经过他之后的反复实验，发现了电流的磁效应.

奥斯特的发现立刻引起了安培的注意，使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动.他重复了电流对磁针作用的实验，两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及右手定则的报告，以后这个定则被命名为安培定则.他还把导线拧成了螺旋状，制造了第一个螺线管，以便认识对放在它内部的磁针的作用.随后安培又研究了两平行载流导线的作用规律，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥，提出了分子电流假说.为了定量研究电流间的相互作用，安培设计了4个极其精巧的实验，得到普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础[4].笔者认为奥斯特的伟大在于在主流的思想下，还能坚持自己的想法，不断尝试，最终第一个发现了电流的磁效应.安培的伟大则是尊重科学事实，改变自己最初的想法，认同奥斯特的观点，进一步深入研究了电流的磁效应，为电动力学的发展作出卓越贡献.这段关于奥斯特和安培的科学史实，体现了科学家们尊重科学事实，追求真理，不断质疑，反复修正的过程.既能帮助学生释疑一些科学发展过程，更能从科学家的经历感受到崇高的科学精神.

3.2 启发引导 释疑磁场方向判定

利用右手判断通电直导线和通电螺线管的磁场方向，学生一直存在困惑.教师在处理教材过程中，没有完成从直到曲的本质过渡.基本上利用惯性思维，通电直导线周围有磁场，弯曲后也自然有磁场.介绍方向判定，也以告知操练的形式来巩固.两种方法判定实际上是相通的，解释难度较大，但我们可以启发学生从通电线圈结构上分解，然后从判定上合成.通电线圈可以分解成多个环形电流，一个环形电流可以看成多段小直线电流组成.一个环形电流方向时刻在变，电流方向沿环某点的切线方向.每一段小直线电流可以利用安培定则一判断出在环形电流中心轴线上的磁场方向，合成起来就得到了环形电流中心轴线的磁场方向，再合成所有的环形电流就得到了通电线圈的磁场.引导学生利用分解、合成，可以从本质上理解直到曲的变化，理解判定方法的运用，体现了科学思维的培养[5].

3.3 实验探究 释疑实验结论及应用

结论的释疑，需要教师细心观察学生的实验.也许在学生的操作过程中，就能发现因线圈绕制疏密所引起的磁性强弱差异.而这些学生的结果常不好意思与大家分享，因为质疑的勇气早已被同学及课本的结论给压制，生怕受到老师的批评.这些现象存在的根本原因在于教师不善于发现学生实验结果的差异，没有提供分享质疑的平台.久而久之课堂教学就朝着教师既定的方向进行.发掘质疑，创造质疑，需要教师形成正确的教学观念，重视真探究，关注探究过程中出现的差异，善于分析解惑.

根据科学结论，工程上制成了电磁铁.要得到一个更实用的电磁铁，我们又要做哪些方面的考虑呢？如铁芯要易磁化，为此我们把铁芯制成条形或蹄形.要实现电流通断控制磁性的有无，铁芯材料消磁要快，为此一般用软铁或硅钢做铁芯材料.这些问题也是对课本探究内容的深化，可以让学生认识到从科学结论到科学应用还需要有更多的考虑.具体过程也可以通过实验活动比较不同材料的性能，释疑材料的选择.

当然质疑绝不是不经大脑思考的瞎怀疑，瞎提问，而应该是站在更高的立场看待一个更新的问题.教师要善于提炼、创造质疑，引发更多的探讨.在释疑的过程中，充分发挥学生的能力，查资料，小组讨论，请教师长，在解决一个问题的过程中学会了解决更多的问题.在质疑、释疑过程中学会学习，真正地提升自己的核心素养.