通過實驗探究達成物理建模的教學探討
——以一道高考難題的突破為例

李春來

(廣東省深圳市紅嶺中學高中部，廣東 深圳 518049)

綜觀近年高考全國理綜物理試題,顯著特征是“注重體現學科本質,強調對學科核心素養的考查”．其中2017年全國理綜Ⅱ卷第21題,是一道公認的難題,即使在后來的課堂教學中,它也是不易突破的難點．那么,該題難在哪里,為什么難,怎樣突破難點,它給高中物理課堂教學帶來的啟示是什么,等等,這些都是值得廣大教師探尋和反思的地方．下面以該題在課堂教學中的突破為例,淺談通過實驗探究實現物理建模的方法．

1 試題回放

某學生自制的簡易電動機示意圖如圖1所示．矩形線圈由一根漆包線繞制而成,漆包線的兩端分別從線圈的一組對邊的中間位置引出,并作為線圈的轉軸．將線圈架在兩個金屬支架之間,線圈平面位于豎直面內,永磁鐵置于線圈下方．為了使電池與兩金屬支架連接后線圈能連續轉動起來,該學生應將

(A) 左、右轉軸下側的絕緣漆都刮掉.

(B) 左、右轉軸上下兩側的絕緣漆都刮掉.

(C) 左轉軸上側的絕緣漆刮掉,右轉軸下側的絕緣漆刮掉.

(D) 左轉軸上下兩側的絕緣漆都刮掉,右轉軸下側的絕緣漆刮掉.

[本題答案選(A)、(D)]

圖1 電動機示意圖

2 試題分析與學生困惑

2.1 有效考查學科核心素養的好題

作為選擇題中的壓軸題,題干中沒有任何數據,也沒有明確地指出要考查的知識點,給出的是一個實際問題——課外小制作“自制簡易電動機”．可是絕大部分學生沒有做過這個“小制作”,該題到底在考什么?

教育部考試中心的“試題分析”指出,該題“考查推理能力和實驗能力,考查內容為牛頓運動定律、安培力、直流電動機的工作原理、電路的基本知識”,是“將生活、生產實際等內容納入到情景設計中,考查學生將實際問題轉化為理想模型的能力”．另外,本題告訴我們,實驗能力也可以以選擇題的形式來考查．

2.2 學生的困惑

結合后來的課堂教學,筆者對該題進行了深入的研究,訪談了一定數量不同層次的學生,調查和分析學生不能正確解答題目的原因．結果顯示,學生已經知道和掌握了解答該題所需要用到的物理概念和物理規律,在解答常規習題中能夠靈活運用．但對于本題,大部分學生反映“看不懂題”、“不知道題目在說什么”,也就是說大部分學生面對該題呈現出“毫無思維能力和無法入手”,本質上是學生無法有效地建立起直流電動機模型,更談不上深入分析和解答問題了．

具體地說,學生的困惑有:什么是漆包線;圖中的線圈是怎樣纏繞的;為什么磁鐵只有一個磁極;線圈周圍磁場的方向是什么樣子的;為什么要刮掉轉軸上的漆包線;通電情況下,線圈轉動的動力源是什么;為什么線圈不能持續地加速轉動下去;電動機與發電機有什么區別,等等．

3 落實核心素養,突破高考難題

高考試題的特點和變化趨勢是中學課堂教學的風向標,在教學中如何有效地培養學生的綜合能力,如何落實核心素養呢?

3.1 緊扣物理觀念,認識簡易電動機靜態物質模型,體會建構物理模型的一般方法

學生不僅要知道、理解物理知識,而且要將所學的各個物理知識整合起來,形成對物理世界原理性、規律性的認識,即物理觀念．客觀上,學生的生活實際經驗和動手實驗機會很少,更多的是紙上談兵,綜合能力弱,所以導致對于簡易電動機結構模型不能有效地建立起來．鑒于此,筆者通過三個展示環節,讓學生觀察實物,分析其物理特征,從而幫助學生建模．

圖2 漆包線

展示1:教師展示粗細不同的漆包線實物,如圖2．讓學生認識到涂有絕緣漆的銅導線是不導電的,絕緣漆的作用是使多匝線圈的各匝之間接觸但絕緣,漆包線在連接到電路中之前需要先刮掉絕緣漆．

展示2:教師展示強磁鐵,讓學生體會到強磁鐵體積很小卻具有很強的磁性,如圖3、圖4所示．并經過分析得出,強磁鐵磁極正上方近似看作勻強磁場,即可看做線圈處于豎直向上的勻強磁場中．也可以用蹄形磁鐵替代題目中的強磁鐵,線圈處于蹄形磁鐵的兩極之間．

圖3 支架和強磁鐵 圖4 線圈和蹄形磁鐵

展示3:教師展示導電的金屬支架、電源、導線,分析原題圖中通電后的線圈各邊在磁場中所受安培力的方向,引導學生分析線圈轉動的動力來源．

通過一系列的實物展示和分析,讓學生認識物質實體,體會建構物理模型的一般方法,即物理建模過程就是把實際的情景或問題,通過抓住主要因素,忽略次要因素,排除無關因素,將其簡化為容易分析和研究的理想物理模型．

3.2 立足科學思維,進行深入的理論探究,嘗試構建電動機的運動過程模型

圖5 木質的線圈模型

為了直觀方便地探究,教師事先制作一個大的替代線圈的木質模型,長40 cm、寬25 cm,如圖5所示．

探究1:如果將線圈的左、右轉軸上下兩側的絕緣漆都刮掉,分析線圈的運動情況．線圈中的電流方向是不變的,左右兩側導線受到的安培力沒有轉動效果;線圈上下邊導線受力水平、方向相反,具有使線圈轉動的力矩;在前1/4周內線圈加速轉動,第二個1/4周內線圈減速轉動,即使忽略摩擦阻力,由對稱性可知,線圈只能在半周范圍內往復擺動,無法實現線圈完整持續的圓周運動．

探究2:如果只將線圈的左、右轉軸下側的絕緣漆都刮掉,通過分析可知,通電后線圈在第1個1/4周內線圈加速轉動,第2個和第3個1/4周內線圈上無電流而不受安培力,但由于慣性會繼續轉動,第4個1/4周內安培力使線圈繼續加速轉動．這樣線圈就持續地轉動下去了.

探究3:線圈是否會持續地加速轉動下去,即越轉越快呢?首先,轉軸較光滑,線圈轉動時受到的摩擦阻力可以忽略不計．其次,線圈低速轉動時,空氣阻力較小,可以忽略;線圈高速轉動時,會有較明顯的阻力,這是影響線圈持續加速轉動的一個因素．第三,線圈在轉動過程中,切割磁感線,會產生反電動勢,在穩恒電源的條件下,反電動勢會阻礙電流的持續增大．最終,線圈的轉動會趨于一個穩定的角速度而近似勻速轉動．

探究4:引導學生分析電動機、發電機在構造和工作原理上的聯系與區別．電動機是因電而動,是電能轉化為機械能的過程;常見的發電機是因動而電,是機械能轉化為電能的過程．雖然兩者都是線圈繞垂直于磁場的軸轉動,但能量轉化的方向恰好相反．通過引導學生對比交流發電機和直流電動機的聯系與區別,可以幫助學生更好地理解相關的物理概念和規律,加強對模型本質的認識．

3.3 進行實驗探究,學生親自制作簡易電動機

理論分析的正確與否需要經過實踐的檢驗,理論聯系實際才是做學問的科學態度．教師給學生提供相關的器材,指導學生以小組為單位進行纏繞線圈、制作支架、刮掉轉軸上的絕緣漆、調試改進等等,并讓學生觀察題目中給出的4個不同選項方案的真實實驗效果,讓學生體驗到動手實驗操作的快樂、成功的喜悅．讓學生知道親自動手制作和實驗嘗試不同方案,也是研究物理問題的一種方法．

操作建議:取線圈長寬約為4 cm×3 cm,也可以嘗試用不同尺寸的線圈,如圖6所示.考慮到轉軸的支撐強度,漆包線選用直徑為1 mm的為宜;線圈纏繞2～3匝;可以用穩壓電源串聯一個小電珠后接到支架上,給簡易電動機供電,這時電動機半周通電、半周不通電的特點就通過小燈泡的周期性閃爍體現出來了．如圖7所示的裝置就是選用了14 V穩壓電源和額定電壓為12 V的小電珠,效果很好．

圖6 不同尺寸的線圈

圖7 電路實物圖

3.4 滲透科學態度和責任,感悟物理學習的方法和躬身實踐的意識

常言道： “紙上得來終覺淺,覺知此事要躬行”．通過引導學生對這道試題的研究,讓學生真正認識到物理研究絕不只局限于紙面上的計算,細心觀察和親自動手實踐也是重要的方式;讓學生明白“會做卷面上的習題并不代表學好了物理,會解決生活中的實際問題、學以致用才是根本”．在教學中,教師要重視培養學生探究生活、生產、科學技術中物理現象與原理的興趣,提高動手能力、創新意識,形成正確的科學態度和責任．

4 實驗探究是培養學生物理模型建構能力的重要途徑

普通高中《課程標準》(2017年版)對物理課程培養學生解決實際問題和建模能力的要求提到了歷史新高度．例如《課程標準》在“課程目標”中指出高中物理課程培養目標包括“能夠解釋自然現象和解決實際問題”“具有建構模型的意識和能力”等;學業質量水平的5個等級描述中,都有對“物理建?！彼降拿枋?如學業質量水平4中強調“能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型”等等．“物理模型”或“物理建?！币辉~由舊課標的隱性蘊含到新課標的顯性提出,它是物理核心素養的具體要求．

通過本文所述的運用物理實驗有效突破高考難題的教學案例可知,應用物理知識解決具體問題應結合實際情境,創設有趣的物理實驗能夠激發學生學習物理的積極性,能夠幫助學生有效地建構物理模型．所以,教學中應當重視科學探究,開發物理實驗,培養建模能力,從而落實學科核心素養的發展．