学力目标指引下以创新实验教学提升物理学科素养——以“互感和自感”为例

张玲芳

(常熟市中学,江苏 常熟 215500)

文章以“互感和自感”为例,以提升学生物理核心素养为目标,精心进行教学设计.通过优化教学流程、完善经典实验、创新实验教具等方式,形成三个实际案例,以供参考.

1 创新物理实验教学是提升学科素养的有效途径

1.1 坚持“真实性学力”的目标导向

区别于传统浮于表面、回避学习本质的“应试学力”,所谓“真实性学力”是指以思考力、判断力、表达力为核心的学力.不是对既有知识的再现而是引导新知识的产生,不是对知识点的记忆而是基于先行知识的探究,不是封闭固化而是创新超越,具有可信赖性、可迁移性和可持续性,是新课改以来各个学科共同的教学目标[1].

1.2 坚持物理课程中实验教学的核心地位

对物理课程来说,“真实性学力”的获得基于物理核心素养的养成,包括“物理观念”“科学思维”“实验探究”和“科学态度与责任”4个要素.而实验教学是培养物理学科核心素养最直接也是最有效的手段.物理实验实质上是一个观察、操作和思维相互影响的过程.在教师的引导下,让学生积极主动参与到实验探究过程中,引导学生模拟科学家分析问题、解决问题的思维及实践过程,使学生体会到如何面对疑难情境,学会搜集和加工需要的新资料,最终达到问题解决、获得理性认识目的的探究过程,培养在真实生活情境中发现问题、分析问题、解决问题的能力.

1.3 坚持创新是物理实验教学的生命力

以往匹配“应试学力”的物理实验教学多以教师单项演示为主,或者是学生按部就班机械参与,学生的体悟和理解不深入,大部分停留在知其然不知其所以然,教学效果一般.而创新性的实验操作活动,是把物理与生活紧密结合,合理创设实验情境,充分利用日常生活中的小工具,设计或引导学生构思物理理论的验证性实验,提高学生观察、思考、操作、表达等综合能力.实验创新不是对传统经典的颠覆,而是根植于时代的再生.

2 以“互感和自感”教学为例,创新物理实验课程的实例研究

互感和自感是电磁感应第四节内容,是电磁感应现象具体应用的两个实例.对互感、自感现象的研究,既是对电磁感应定律的巩固和深化,也将为以后学习交流电、电磁波奠定知识基础.另外,互感和自感的知识与人们日常生活有着密切的关系,有着非常广泛的实际应用.

案例(一):引入性实验,引导观察激发兴趣.

本人选择这样一个实验如图1为学生激趣导入:有一个铁芯和两个线圈,一个线圈和220 V交流电相连,另一个线圈里面串有一个小灯泡但没有电源,当后者线圈套入铁芯靠近第一个线圈时,小灯泡亮了.

图1 电磁感应现象

用该实验作为引入,不仅是让灯泡从暗到亮吸引学生眼球,引发学生思考,也是体现线圈在电磁感应中的地位,由此引出最早利用线圈研究电磁感应的科学家法拉第和他使用的线圈.应用这个线圈模型回顾产生电磁感应的条件,并用楞次定律判断感应电流的方向,回顾法拉第电磁感应等知识,最重要的是该模型正是变压器的原始模型,这也为学生日后学习变压器奠定基础.

作为引入性实验,可以制造悬念、吸引眼球,也可以简单明了、突出模型、串接知识.在此过程中提高学生的观察力、思考力,回顾调取知识并提高分析表达力,并让学生形成清晰科学的物理观念,开启基于这些先行知识的探究[2].

案例(二):探究性实验,科学设问深入思考.

互感作为电磁感应的延伸,从一个线圈中电流变化引起磁场的变化,导致另外一个线圈中产生感应电动势的现象,学生分析理解起来是比较轻松的.然而,对于互感的“互”字的理解,是我们容易忽略的部分,为此,本人设计了这样一个实验和设问:如图2中A线圈和手机音频信号相连,B线圈和扬声器相连,当A线圈放入B线圈中时,从扬声器中听到了音乐.提问分析:

图2 A、B线圈互感现象

(1)什么是音频信号?音频是强度和频率随时间变化的电流,所以A线圈中有着变化的电流,产生变化的磁场,导致B线圈中磁通量发生变化,B线圈中产生感应电流,这就是从扬声器中听到的音乐.

(2)B线圈中的电流,会不会使得A线圈中产生感应电动势?扬声器中听到和手机里一样的音乐,说明B线圈中产生的是同频的变化的电流,根据电磁感应的条件,应该会使得A线圈产生感应电动势.这个过程中A、B线圈之间确实一直在发生着相互感应的现象.

在此基础上,可以选择互感现象的具体实例:

(1)手机无线充电的过程;

(2)利用探雷器和金属探测仪探测金属物品的过程;

(3)平时使用的饭卡、门禁卡和公交卡.

在教授新课时设计这样的实验,引导启发学生提出问题、思考问题,协助其研究、总结问题,在解决各种疑问和设想的过程中提升其学习的创新力和思辨力.

案例(三):设计性实验,系统思维验证猜想.

在自感学习之前,设计如图3实验,让学生自行体验单个线圈的威力:用一节干电池、一个线圈、一个开关、4位同学为一组和若干导线进行实验.体验自感过程:

图3 学生体验自感的实验电路图

(1)开关闭合前,学生的体会——“无感觉”;

(2)开关闭合后,学生的体会——“无感觉”;

(3)开关断开瞬间,突然受到电击——“很明显的电击感”.

当电流变化时,一个线圈会不会自身产生电磁感应呢?根据上面实验的体验,答案是肯定的!在此体验的基础上,引导学生思考这个问题:如图4(a)中开关闭合时,电流从无到有突然增大,请学生根据电磁感应的条件和楞次定律的核心阻碍变化,学生判断猜想回路中电流应该慢慢增大.

图4 探究通电自感的实验电路设计过程

为了验证猜想,通过设计实验看到电流缓慢增大过程:

(1)要看到电流的变化,可以用灯泡串在回路中如图4(b)进行观察;

(2)实验中灯泡缓慢变亮但现象不明显,需改进;

(3)用对照组,并联一条支路来对比观察如图4(c),开关闭合时,现象直观明显.

有通电自感,当然也有断电自感,如图5实验中,开关S断开会有自感现象吗?实验中发现,A、B两灯泡立即熄灭.对此先分析回路,开关闭合时,A、B灯是并联的,开关断开时,亮灯变成串联,A、B一起熄灭,不分先后.重新设计实验,以达到观察断电自感的目的,图5(a)中断开开关,没有回路,电流不存在,观察不到自感现象;图5(b)电路图中,断开开关后有回路,但导线直接把电源短路,不可取.

图5 探究断电自感的实验电路设计过程

学生在图5(b)的基础上再改进实验,提出把线圈旁边的灯泡移到导线上如图5(c),并猜想,在开关由闭合变成断开时,灯泡将会闪亮.这样再进行的实验,现象明显,猜想正确.

在上述实验教学过程中,对于一个线圈而言,学生从亲自体验自感的威力开始思考并探究,确定单个线圈对自身也会有电磁感应的效果,并推测该效果为阻碍电流的变化.为了看到这个现象,验证自己的猜想,大家设计通电自感和断电自感的实验和电路,在设计过程中及时反馈并讨论实验的可行性、直观性、可比性,在通电自感电路需要加上对照组,在断电自感需要和自己经历的实验相联系.这些都需要学生细心的观察,让他们真正模拟了一次科学家分析、解决问题的思维及实践过程,使学生体会到如何面对疑难情境,学会搜集和加工新资料,最终达到问题解决、获得理性认识目的的探究过程.

3 结束语

在物理教学过程中,通过挖掘、创新实验教学活动,除了可以提升实验演示效果,还可以针对性地提高学生的观察、思考、操作等应用能力.发挥学生在物理实验教学中的主体作用,激发其主动性和积极性.同时通过引导学生参与,帮助其建立培养“物理观念”“科学思维”“实验探究”和“科学态度与责任”,提升他们在物理学科中的核心素养.以此培养提升学生的“真实性学力”,为其在今后的学习生涯乃至离开校园后的自主高质量学习提供保障.