活化問題 培養能力 基于生活情景的物理教具改進
——例談“風扇發電機”的課堂應用

暴 雷

(哈爾濱市中實學校 黑龍江 哈爾濱 150000)

湯金波

(南京師范大學附屬中學樹人學校 江蘇 南京 210000)

1 引言

對于物理學習來說，真正有效的物理認知結構一定是學生自主構建起來的，真正的物理學科能力一定是學生通過自身的努力建立起來的[1].學生自主創新實驗是培養學生物理核心素養的有效方式，而學生自主創新實驗的實踐途徑之一，就是教師演示實驗的創新化和生活化處理.因此,教師演示實驗的創新性和可拓展性，對于學生的跟隨模仿與后期超越，就有了極其重要的示范作用.所以筆者采用了風扇這一生活電器來對電磁感應知識進行演示實驗教學.風扇按照工作方式分為：直流風扇(DC FAN)、交流風扇(AC FAN)兩種.本文選擇四葉交流風扇，根據其原理可逆向看成“交流發電機”——轉動產生感應電流.再通過抽象與理想化后，在“電磁感應”“交變電流”兩章中可進行演示實驗的開發與應用.

在演示實驗的基礎上設置問題，目的是為了讓學生達成最近發展區，根據學生已有的認知水平，把需要學習的知識轉化為一連串有主題的問題群[2].所以,在演示實驗及學生實驗的同時，筆者配以問題引導學生思考及分析的方向.

下面針對楞次定律、電磁阻尼與交變電流等教學內容來分別談談筆者的一些具體做法.

2 楞次定律

在本節新課引入中，采用如圖1所示的轉動風扇點亮發光二極管，同時配以如圖2所示抽象的物理模型，觀看完演示實驗后，設計如下的問題.

圖1 風扇轉動二極管發光

圖2 簡化的物理模型

問題1：圖2所示為理想化的電風扇內部基本原理圖，那你能用學習過的理論來解釋一下電風扇可以點亮發光二極管嗎？

預設回答：根據產生感應電流的條件，線圈在轉動過程中，線圈內磁通量發生變化.所以發光二極管可以被點亮.

設計意圖：(1)培養學生的建模能力.通過實際生活情景的引入，教師引導學生對情景進行抽象和理想化，幫助學生建立理想模型與實際生活的聯系.學生建立模型能力的培養需要在平時教學的過程中潛移默化地形成[3].因此，引入實際生活情景，教師加以引導和分析幫助學生建立理想化模型，以此達到培養學生建模能力.

(2)回顧上節課感應電流的產生條件.由此對本節課楞次定律所需要的知識基礎進行復習.幫助學生快速進入情景，利用已有認知內容對未知知識探索的基礎準備.同時讓學生體會到電磁感應知識在生活中的應用，以培養學生利用物理觀念解決實際問題的思想.

3 電磁阻尼

在本節的教學中，筆者未采用教材中電流表正負接線柱直接相接來演示電磁阻尼現象.原因在于：

(1)高中生對電流表內部結構的認知可能有不夠清晰的地方，導致對實驗現象產生的原因不能形成透徹理解--只知其然而不知其所以然.

(2)電流表指針比較細，課堂演示可見度可能較差.

(3)課本實驗電流表的指針到底是用來觀察感應電流還是用來感受感應電流引發的效果，容易引起學生誤解.

因此，筆者把電流表改為風扇，且演示實驗為學生自主探究實驗.把學生分為6組，每組分配一風扇和電流表，讓學生利用手邊的儀器自主探究如何讓轉動的風扇快速停止.在此基礎上配以抽象出的理想化模型幫助學生分析電磁阻尼現象.在實驗的基礎之上配以以下問題來引導學生建立完整清晰的理論認知.

問題2：在我們轉動風扇的情況下，如何快速地讓風扇停止轉動，請同學們自主設計并做出實驗驗證.

預設學生實驗1：利用導線與風扇連接.在不接通風扇插頭的情況下，轉動風扇葉片，風扇可以持續轉動一段時間，而利用導線將風扇插頭連接后，轉動風扇葉片，風扇很快停止.

預設學生實驗2：利用電流表與風扇連接.在不接通風扇插頭的情況下，轉動風扇葉片，風扇可以持續轉動一段時間,如圖3所示，而利用電流表將風扇插頭連接后，轉動風扇葉片，風扇很快停止，同時靈敏電流計發生左右偏轉，如圖4所示.

圖3 未接通風扇插頭，風扇轉動時間長

圖4 風扇插頭與電流表連接，風扇很快停止

設計意圖：改演示實驗為學生自主探究實驗.通過探究實驗可以掌握學生對電磁感應知識的理解.風扇發電的原理在楞次定律教學時已經有所了解，學生可以通過討論、交流等科學探究過程進行實驗的分析，同時對楞次定律知識的理解，從理論到實際操作的升華.

問題3:如圖5所示為實驗的抽象化物理模型圖.你能通過實驗和模型圖來解釋你所看到的實驗現象嗎？

圖5 抽象化的物理模型

預設回答1：在電流表與電風扇插頭串聯后，電流表有示數，說明產生了感應電流.感應電流產生安培力，安培力阻礙風扇的轉動，所以風扇很快停下來.未接通的情況下，未產生感應電流，因此，不能快速停止轉動.

預設回答2：在接通電風扇插頭后，產生了感應電流.機械能轉化為電能，因此風扇很快停下來.未接通的情況下，未產生電能，不能快速停止轉動.

設計意圖：(1)此問題具有一定靈活性，答案沒有限定明確的回答角度.目的是希望學生在看到此問題后，通過討論與分析，能夠從“力與運動”和“能量轉化”等多角度來審視和加深對電磁阻尼的理解.

(2)通過給出模型圖，潛移默化地培養學生通過實際生活情境轉化為物理模型的能力.

(3)培養學生以物理學視角解釋自然和生活中的現象.

問題4：此現象被稱為電磁阻尼，你能通過剛剛我們的解析給出電磁阻尼的定義，并分析此現象中的能量轉化嗎？

預設回答：當導體在磁場中做切割磁感線運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼.機械能轉化為電能.

設計意圖：通過學生總結定義及能量轉化，培養學生對物理概念和規律的提煉與升華，以培養學生的物理觀念.

4 交變電流

交變電流即交流電路中的電流，它是由交流發電機產生的，電流的大小方向隨時間而發生變化.在本節的教學中，首先利用發光二極管并聯在風扇插頭兩端(二極管正負極反接)交替點亮(圖6)的演示實驗，通過圖7的電路圖讓學生分析交變電流的特點及總結定義，再讓學生利用手搖交流發電機進行分組實驗，通過給出的問題進行交變電流的理論分析.通過筆者的實際課堂操作，認為取得了比較好的課堂效果.

圖6 風扇轉動二極管交替發光

圖7 電路圖

下面筆者對本節課中問題的設置進行簡單闡述.

問題5：請問二極管交替發光的原因是什么？你能自主設計驗證實驗，并現場來進行演示嗎？

預設回答：二極管交替發光的原因是電流的方向發生變化.在電源插頭上連接靈敏電流計，以此來證實電流方向發生變化(圖4).

設計意圖：通過上一章的學習及鋪墊，學生很容易想到二極管交替發光的原因為電流的方向發生變化.此問題的亮點在于學生自主設計、操作實驗來進行猜想驗證.通過本問題期望學生經歷猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋的完整科學探究過程，以此來培養學生科學探究能力.

問題6：風扇發電機的物理模型就是交流電發電機如圖8所示，請同學們利用手中交流發電機進行發電并畫出以下4幅圖(圖9)的截面圖，并通過實驗和圖像對交流電進行分析.

圖8 交流電發電機

(a) (b)

(c) (d)

設計意圖：(1)筆者以往的教學中，僅僅是通過圖像讓學生畫出截面圖并分析產生電流特點及原因，發現效果不盡如人意.原因在于學生未經歷實驗探究的過程，未建立交變電流的物理模型.因此,筆者在進行本節課的過程中，讓學生進行分組實驗，同時引導學生利用實際情景自主建立圖9的截面圖并分析.呈現出的效果比直接畫圖效果好很多.

(2)此題目的設置仍具有一定開放性，不限制學生分析交變電流的角度.筆者引導學生從以下3個方面來入手.

1)從交流電產生原因入手，AB,CD為導體切割磁感線運動，為下一步交流電峰值及瞬時值的求解建立邏輯起點.

2)從右手定則入手分析交流電的方向問題，對交流電方向變化建立理論基礎.

3)從電流大小變化入手，為下一步電流的變化呈現正弦式變化進行猜想鋪墊.

5 總結

“物理學不只是圖表和數據，它能帶給你很多珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學和人生的道路[3].”如何激發學生的創新精神與理性的思維方式，筆者認為教師在教學的過程中應大量發現生活中的物理現象、物理規律并通過創新和改進實驗為教學及培養學生的核心素養服務.同時教師的創新實驗也能為學生的自主創新實驗起到引領和示范的作用.