感生電場的探究式教學設計

付靜

摘? 要 探究式教學是目前國際上最受推崇的一種以教學為主導、學生為主體的互動式教學模式。吉林建筑科技學院成立了探究式教學研究小組，以“感生電場”一課為例，開展探究式教學模式研究與實踐。經小組研究討論，并由主講教師按照“感生電場的提出、感生電場的特點、感生電場的應用”這條主線進行講授，課堂采用探究式教學模式，同時在課堂中穿插了實驗演示、互動交流等環節，實現理論與實驗相結合，營造了活躍、生動的課堂氛圍，為探究式教學更好地發展奠定了基礎。

關鍵詞 探究式教學;感生電場;教學設計;實驗演示

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0124-04

Abstract Inquiry-based teaching is currently the most respected interactive teaching model in the world. The school has set up an inquiry-based teaching research group. Taking the class of “sensing electric field” as an example， it has carried out research and practice of inquiry-based teaching mode. After discussion and discussion by the group， the lecturer conducted the lecture according to the main line of “the introduction of induced electric field， the characteristics of induced electric field， and the application of induced electric field”. The classroom adopts the inquiry teaching mode and inter-spersed experiments in the classroom. Demonstration， interactive communication and other aspects have realized the combination of?theory and experiment， creating an active and vivid classroom atmos-phere. It laid the foundation for better development of inquiry tea-ching.

Key words inquiry teaching; induced electric field; instructional design; experiments demonstration

1 引言

近幾年來，各高校為了提高教學水平，不斷探索、改革教學模式、形式和手段。探究式教學是一種師生互動式教學模式，它將教師的教學與學生的研究性學習融為一體，具有研究性、創新性等特點，是目前國際上最受推崇的一種互動式教學模式[1-2]。因此，深入開展、研究探究式教學模式的教學設計、教學形式和教學效果，對提高高校教學水平，培養高層次創新應用型人才具有十分重要的意義。

為此，吉林建筑科技學院物理教研室于2010年成立探究式教學研究小組，致力于教學模式的改革與實踐研究，先后取得很多研究成果。本文以感生電場一課為例，從教學設計、教學過程、教學效果、教學反思等四個方面，深入探討探究式教學模式，希望各位老師互相借鑒、共同探討。

2 探究式教學模式的內涵

所謂探究式教學模式，就是教師引導性地教，學生探究性地學，以學生為主體，自主學習和合作探究相結合的教學模式。探究式教學模式的具體做法就是教師把所要講述的內容分成若干個問題、項目或設計，引導學生通過自主學習和合作探究的方式，一一解決問題。在解決問題的過程中，學生在獲取知識的同時，激發求知欲，培養學習自主性和創新能力，提高探究技能。探究式教學真正體現了以人為本的主體性原則，進一步詮釋了學生才是教學的主體。

3 感生電場的探究式教學設計[3-5]

教學任務? 感生電場屬于電磁感應部分的內容之一，學生之前已經學習過高等數學的微積分和大學物理中的電學、磁學的相關知識，并了解了電磁感應的概念。電磁感應現象的發現，是電磁學領域最重大的成就之一，為電工學和電子技術學奠定了基礎，為人類獲得巨大而廉價的電能和進入無線電通信的信息時代開辟了道路，而感生電場是電磁感應的重要內容之一，是工科學生必須掌握的物理知識。為此，選擇吉林建筑科技學院電氣自動化專業一年級學生作為實驗班，該專業的學生將來從事的是與電氣工程有關的電力電子技術、研制開發等領域，因此，對于感生電場的理論與應用的學習，對于提高學生的專業技能和創新創業能力是必不可少的。

教學目標

1）知識技能。

①了解感生電場的來源：變化的磁場產生的。

②掌握感生電場的特點，即電場線是閉合的;掌握感生電場的環路定理和高斯定理表達式，以及感生電場和靜電場的區別。

③了解感生電場的幾種效應，即熱效應、機械效應、趨膚效應;了解感生電場在工程技術和生產生活中的應用;了解磁懸浮列車的起動、制動原理。

2）能力指標。

①能利用感生電場的環路定理和高斯定理解決具體的題目，加深學生對感生電場基本概念和定理的理解。

②會利用感生電場的幾種效應分析磁懸浮列車起動與制動、電子感應加速器和電磁加熱過程中的原理，使學生了解感生電場在電氣自動化工程中以及生產生活中的應用，提高學生綜合運用知識的能力和解決實際問題的能力。

③利用課堂實驗演示現象，并通過分組討論環節，使學生掌握知識的同時，提高探究能力，培養科學精神。

教學策略和教學流程設計

1）教學策略。本節課采用以教師為主導、學生探究式學習為主體的教學原則，教師在課堂上只講本節課的幾個相關重要知識點，講解過程穿插物理學史和實驗演示，激發學生的學習興趣，然后利用事先設定的具有針對性的問題，讓學生通過分組討論的形式進行探究式學習。為激發學生參與思考與討論的積極性，設小組積分制，最先討論出正確答案的，給予一定的積分獎勵。課程結束前評選出本節課最佳小組表現獎和最佳個人表現獎。

2）教學流程設計。

①利用生活中常接觸到的實驗現象作為引課，激發學生的求知欲。

②教師穿插有趣的物理學史講解麥克斯韋如何提出了感生電場的概念，激發學生的學習興趣。隨后，教師給出幾個有針對性的問題，學生分組進行討論，并歸納總結感生電場的幾個特點，以及它和靜電場的區別。此環節充分體現學生為主體的教學原則，學生通過互動討論，獲取知識的同時，培養語言表達能力、探究能力、歸納總結能力和創新能力。

③教師利用演示實驗講解感生電場的幾個重要的應用，讓學生直觀地感受感生電場的存在。最后仍然利用演示實驗現象，給學生留下課后討論的問題，培養學生的探索精神和創新意識。

4 感生電場的探究式教學過程

課題的引入? 教師利用渦旋電流產生熱量的演示實驗，模擬電磁爐燒水的過程，如圖1所示，通電后，在短短的幾秒鐘內水槽中的水就沸騰了。利用這個神奇的小實驗激發學生的學習興趣，引出本節課的主要內容。

講解感生電場的來源? 教師引入物理學史，講解麥克斯韋是如何提出感生電場的概念的。麥克斯韋做了一個實驗，他在一個磁場中垂直地放入一個環形線圈，當磁感應強度發生變化的時候，發現線圈中會有電流流過。于是，麥克斯韋想：“是什么力量推動了電荷作定向運動，形成了電流呢？是靜電場力嗎？不是。是洛倫茲力嗎？也不是。”于是，在1856年的時候，麥克斯韋大膽地提出一個假設，那就是變化的磁場一定是產生了一個新的電場，推動電荷做運動。麥克斯韋后來把這種新的電場就叫感生電場。正是由于感生電場的提出，使人們對于電磁學的研究在19世紀達到一個巔峰，也使人們從蒸汽機時代邁入信息化、電氣化時代。

伴隨著這個生動的小故事，跟隨科學家的腳步，重溫科學發展的歷史，感受新理論提出的震撼力量，培養學生嚴謹的科學態度和勇于創新的精神。

探究感生電場在工程技術和生活中的應用? 為了提高學生理論聯系實際的能力，這部分內容沒有把感生電場的特點和應用分開講，而是結合在一起，根據感生電場的特點探討其應用。因此，這部分內容的重點是總結感生電場的特點和理解感生電場的應用原理。為了加深學生對感生電場的理解，同時切實提高學生的探究能力以及解決問題的能力，采用的是啟發式、探究式與討論式相結合的混合式教學方法。

首先由教師利用啟發式教學，引導學生歸納總結感生電場的特點：感生電場是由變化的磁場產生的;感生電場的電場線是閉合了（渦旋形狀，因此也稱渦旋電場），環繞磁感線的;感生電場對電荷有力的作用;等等。并探討感生電場與靜電場的區別與聯系，如表1所示。然后根據感生電場的特點，指出其在工程技術上的應用。

1）電子感應加速器。如圖2所示，N和S是圓形電磁鐵的兩極，在兩極中間裝有環形真空室，電磁鐵在頻率為每秒約數十周的強大交變電流的激勵下，在環形真空室區域產生交變磁場，這交變磁場又在環形真空室內產生很強的渦旋電場。由電子槍注入環形真空室中的電子，既在磁場中受到洛倫茲力作用而在環形室內沿圓形軌道運動，又受渦旋電場的作用沿軌道切線方向而加速。電子感應加速器主要應用在工業上用于γ探傷和醫學上用于治療癌癥。

2）渦電流的熱作用。這部分內容是本節課學生參與度最高的一部分，也是學生最喜歡、表現最活躍的部分。為了激發學生的學習興趣，首先選擇的例子是生活中常見的家用電磁爐，學生分組討論家用電磁爐為什么要選擇金屬器皿，而不能用玻璃制品。對最先回答出正確答案的小組和個人給予相應的積分獎勵。

其次，呼應課前做過的演示實驗，如圖1所示，要求學生仍然進行分組討論：在這個實驗中，渦電流是如何發揮其作用的？對表現好的小組和個人仍然給予相應的積分獎勵。有了前面的基礎，學生能很快地分析出渦電流的熱效應在此處的應用原理。

3）渦電流的機械效應。課堂氛圍持續升溫，教師接著用實驗演示了渦電流的機械效應。如圖3所示磁阻尼演示儀，在兩塊電磁鐵N和S極的中間留有一定的空隙，讓一個單擺從中穿過做往復運動。在單擺的末端，教師選擇兩片不同的銅片，一片是完整的，一片是被切成很多條狀溝的。教師首先讓學生猜測哪個銅片會停得更快？待學生思考幾秒鐘后，教師分別把兩個銅片掛在單擺的末端，做了同樣的擺動實驗。結果很明顯，整片的銅片很快停了下來，而另一片停的時間會長很多。學生這時很好奇，都在積極地思考：為什么會出現這樣的現象？接著仍然是分組討論，并由學生公布自己所在小組的討論結果，教師只負責引導和點評。

布置課后討論作業? 經過前面的討論，學生意猶未盡，所以課后討論，教師仍然采用實驗演示的方法引出題目。如圖4所示，教師先介紹磁驅動演示儀器的結構，然后讓學生猜想：金屬盤會不會跟著這個磁鐵一起轉動？學生此時的表現仍然很積極，迫不及急地將自己的想法表達出來。然后，教師接通電源，讓磁鐵發生轉動，演示磁驅動的實驗現象，學生都驚呼不已。教師宣布今天的作業，課后討論：為什么金屬盤會跟著磁鐵一起轉動？讓學生帶著問題離開課堂。

5 教學效果的檢測

為了給出一個綜合性的教學效果評價[6]，教師專門為感生電場一課設計了測試題，題目從每年的期末考試題中抽取，也是為了與以往學生的期末成績進行比較。試題內容包括基礎概念題和應用題，形式上有選擇題、填空題、判斷題和簡答題。同時，利用問卷調查檢測學生對于探究式學習的認可程度。

測驗結果? 測驗在本實驗班進行，人數為80人，題目數量是四道，時間為40分鐘，測驗成績分布如表2所示。

對比歷年期末考試時學生在感生電場部分的分數，此次測驗學生的成績明顯偏高。測試結果表明，探究式教學與傳統教學相比，對學生提升成績有非常積極的效果。

問卷調查結果? 對實驗班的學生進行問卷調查，對“探究式教學法是否讓你學到了更多的知識”持“同意”觀點的學生占80%，持“不同意”觀點的學生只占10%。對“在探究式教學中，你是否有更好的參與感”持“同意”觀點的學生占90%，持“不同意”觀點的學生仍只占10%。這可能有兩個原因，一個是學生理論基礎不同，課上不一定能完全跟住教師的思路;另一個是學生長期以來習慣于傳統填鴨式的學習方式，不適應探究式的學習方法。

6 教學反思

本節課采用以教師引導為主線、學生探究式學習為主體的教學方法，營造了一個師生互動、生生互動的學習氛圍，充分體現了以人為本的原則，進一步詮釋了學生才是教學的主體。在探究式學習的課堂上，學生表現出驚人的參與感，多數學生能更加主動地思考問題，積極地參與討論，勇敢地表達自己的觀點。探究式學習過程在使學生獲取課本知識的同時，不斷產生新的思想，提高了探究能力，培養了解決問題的能力、嚴謹的科學精神和勇于創新的能力。通過本次教學，筆者也總結了幾點感想，與大家分享，希望得到廣大前輩同行的指教。

教學內容的難度要符合學生的認知程度? 物理學科本身是一門邏輯性非常強的課程，重視知識的內在規律性、系統性和嚴謹性，導致很多學生根深蒂固地認為物理難學。因此，教師在進行教學內容設計時，一定要根據學生的理論基礎來編排。偏難的內容會影響學生的自信心，從而影響學生在課堂上的參與程度，漸漸地失去學習的興趣，收到適得其反的效果。

探究式教學一定要與啟發式教學相結合? 教學中要不斷地設置懸念，當學生的好奇心被激發，思維才更活躍，更愿意參與思考與討論。比如在本次教學中，設計了幾個懸念：課前做了一個利用渦電流燒水的實驗;兩個不同的銅片穿過磁場時擺動不同的實驗;磁驅動的演示實驗。這幾個實驗一次次地吸引了學生的眼球，激發了學生更大的求知欲。

理論與實驗相聯系? 在本次教學中選擇了三個有代表性的實驗，并且演示了神奇的實驗現象，使學生感受到感生電場這樣一個抽象的物質是真實存在的，增強對理論的直觀感受。通過探究式教學，讓學生感覺到這樣抽象的理論，在實際的工程技術中是有很多應用的，培養了學生的科研精神和創新思維。

參考文獻

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[2]劉健西，林煒.大學探究式課堂教學的實踐與探索：內涵、形式與評價[J].中國大學教學，2018（4）：30-33.

[3]韓仙華，蔣敏，王曉，等.大學物理教學設計：方法、能力、素質的綜合訓練[M].北京：國防工業出版社，2006.

[4]許健松，鄭長焰.基于創新創業人才培養的大學課堂教學探究[J].高等農業教育，2017（5）：58-61.

[5]韓筠.創新教與學推動新時期高校教學改革[J].中國大學教學，2017（6）：11-14.

[6]邱文教，趙光，雷威.基于層次分析法的高校探究式課堂教學評價指標體系構建[J].高等工程教育研究，2016（6）：138-143.

[7]李慧，曲亮生，王玉良，等.光的偏振性教學設計[J].物理與工程，2017（3）：56-62.