在智慧學習環境下開展綜合實踐學習活動
——以“電動機單元知識教與學活動”為例

●陶本友

本文以“電動機單元知識教與學活動”為例，介紹筆者在智慧課堂教學環境下指導學生深入開展研究性學習活動的過程，與同行交流。

一、觀察電動機模型，了解直流電動機結構

教師通過智慧課堂的有關軟件推送資源， 學生自主選擇觀看直流電動機的視頻及圖片等資源后，通過智慧課堂的軟件抽選（搶答）功能，讓學生結合推送的資源回答電動機結構的問題。

學生回答：電動機內有磁鐵、線圈等。

進而提出問題：給電動機通電，電動機為什么會轉動呢？

提示：磁體周圍存在磁場，電源通過電路向線圈供電。

教師引導、點撥、啟發：我們知道，磁體和通電線圈周圍均分布著磁場，磁體通過其周圍分布的磁場對通電線圈是否會產生作用力？

學生在平板上各自表達自己的觀點， 提交后全班匯總，教師通過智慧課堂的軟件匯總學生的觀點，并選取部分學生的觀點給予點評。

設計意圖：通過展示電動機圖片等情境激發學生求知欲，讓學生在解決情境中的問題過程中，了解電動機模型。根據電與磁概念間關系，引導學生猜想電動機線圈受力轉動的原因，促使學生將碎片知識按照一定的系統思維形成知識邏輯，幫助學生初步搭建思維腳手架，啟發學生采用推理、論證等科學思維建構概念間的聯系，以此發展學生的科學思維，期待通過本節課的研究性學習活動達成對電動機知識本質的深層理解，從而遷移建構高階思維，促進學生物理觀念的初步形成。

二、操作磁場實驗，探究磁場力的特點和規律

實驗探究，如圖1 所示，學生動手操作，先安裝兩條彼此平行且水平放置的金屬軌道，把馬蹄形磁鐵放在軌道之間，調整磁鐵方位，確保磁場方向豎直，再把一根銅棒放置在兩條軌道上，而且與兩條軌道保持垂直。 接下來，有序、規范連接電路，檢查電路，確認無誤后閉合開關，觀察實驗現象并做好記錄；進而斷開開關改變電流方向后，再閉合開關，觀察此時實驗現象并記錄。 由這兩步操作所觀察到的現象學生易知，通電導體在磁場中受力方向與電流方向有關。 在上述實驗操作的基礎上，進一步探究，保持電流方向一定，改變磁場方向，有序、規范操作，觀察、記錄實驗現象。 由此進一步分析、討論，必要時教師適當點撥，學生會得出結論：磁場對通電導體具有力的作用；作用力的方向與磁場方向、電流方向有關。

圖1

引導：如果我們把通電導體換成通電線圈，通電線圈是否會受力？通電線圈如果受力會怎樣運動呢？

接下來通過智慧課堂的軟件推送課件到每個學生的平板上，學生借助平板觀察、研究。如圖2 所示，在磁場中的通電線圈abcd， 我們設定如果ab 邊受力方向為豎直向上，則cd 邊受力方向如何？ 為什么呢？ 通過智慧課堂的軟件隨機抽選一名學生回答問題，以此鞏固剛剛所學知識。

圖2

介紹：線圈abcd 因受非平衡力而轉動，當轉到圖3 位置， 引導學生對處于此位置的線圈進行受力分析，學生易知此位置線圈受平衡力作用，線圈因慣性會轉過平衡位置到圖4 的位置。

圖3

圖4

教師強調：因線圈的兩邊受力方向保持不變，線圈重新轉到圖3 位置，在這個平衡位置附近擺動，因摩擦力的緣故最終會在平衡位置保持靜止狀態。

設計意圖：教師以真實的實驗情境為切入點，要求學生變換實驗條件探究磁場對電流的作用，引導他們思考實驗現象的實質，由通電導體拓展到通電線圈的轉變，通過這種步步為營式設計逐步建構電動機模型，點撥學生根據已學知識，對簡化的模型結構進行受力分析，發展了學生思考問題的綜合性和開放性。 此環節研究性學習不僅喚醒了學生實踐探索的創造性，還培養了學生科學建模的思維方法。

三、分析直流電動機的工作過程，領會電動機持續轉動的道理

設疑：能否根據剛才實驗操作中得到的結論，想辦法讓線圈按照原方向持續轉動下去呢？ 教師通過智慧課堂軟件的發表觀點功能，讓學生說出自己的想法。

收集匯總學生的觀點，師生互動交流并達成共識：線圈剛越過平衡位置，立刻改變電流方向，線圈會按照原來的方向繼續轉動。進而大屏幕展示視頻，并向學生平板推送視頻，學生仔細觀看視頻，觀察到線圈可以越過平衡位置，卻一直在來回擺動，不能按照原來轉動的方向持續下去。 當線圈剛越過平衡位置時，立刻改變電流方向，會發現線圈按照原方向持續轉動。

引入：能否制作一個器件，在線圈剛轉過平衡位置時自動改變線圈中電流方向，從而使線圈按照原方向持續轉動？

介紹：在直流電動機中，具備這個功能的裝置叫換向器，如圖5 所示銅半環E、F 是換向器。 要求學生對照實物認真觀察，了解換向器是由兩個銅半環組成的，這兩個半環之間有空隙，是彼此絕緣的。 這個簡約的裝置靈巧地讓線圈持續轉動下去了[1]。

圖5

思考：換向器是如何實現線圈持續轉動的？下面我們進一步觀看視頻，仔細分析研究。通過智慧課堂的軟件同步分享、分析視頻中的截圖（如圖5 所示），兩個彼此絕緣的銅半環E、F 分別連接在線圈的兩端， 換向器連同線圈做一體化同步轉動。 A、B 兩個金屬片是電刷，分別與換向器的兩個銅半環接觸良好，松緊適當。電刷A、B 還分別連接電源的正、負極，這樣的結構設計不僅使線圈和電源組成閉合電路，而且解決了線圈持續轉動可能導致電線纏繞的問題。分析視頻中的截圖（如圖6 所示），處在磁場中的線圈，當電流由電刷B 流經線圈abcd 時，ab 邊受力方向向下；分析視頻中的截圖（如圖7 所示），當電流由電刷B 流經線圈dcba 時，dc 邊受力方向同樣也是向下的。 對比分析這兩個圖片，顯而易見，與電刷B相連的通電線圈任意一邊受力方向都向下保持不變，這條邊一定向下運動，因而線圈會持續轉動。 由此易知，線圈剛越過平衡位置，此時換向器的兩個半環調換了與電刷的接觸，從而巧妙地改變了線圈的電流方向，線圈會按照原方向連續轉動下去。

圖6

圖7

教師：剛才我們對電動機線圈能連續轉動進行了細致分析，相信你一定有所領悟，現在把你的感受表達出來，通過平板發表觀點，讓全班同學都能分享你的收獲。

教師使用智慧課堂軟件統計學生觀點，分類、匯總，并予以點評。

設計意圖：本節課通過環環相扣、循序漸進的實踐活動，有條不紊地、系統化地鞏固了力與運動、電與磁作用等有關知識，在觀察、操作等活動中深刻領悟換向器的精巧作用，通過對電動機連續轉動的分析有效提升了學生思考問題的能力，培養學生善于在研究中甄別、遴選分析問題的最佳途徑，從而成功建構直流電動機的模型，順利實現了對直流電動機知識的結構化認知。

四、安裝直流電動機，學會自制簡易電動機

在教師指導下，學生先嘗試組裝直流電動機，提高動手能力，再自制簡易電動機。這個教學環節中可能會出現線圈不轉、線圈不停地擺動或抖動等多種情況，這時教師引導學生認真分析和研究其中的原因，鼓勵他們大膽探索、不斷改進，必要時給予協助，激發他們的探究熱情，學生經過認真細致耐心操作，簡易電動機一定會轉動起來的。 這樣的學習活動過程，能讓學生體驗成功喜悅、且在活動興趣盎然的同時，自覺深入思考現象背后的原因，深刻領悟其中的原理。 自制簡易電動機不僅提高了學生動手能力，鞏固了知識，還拓展了對電動機的新認知。

為進一步開拓學生的眼界，激發和培養探究精神，向學生展示實驗：如圖8 所示，在干電池的正負極分別吸上釹磁鐵，然后把干電池放入彈簧的一端，當干電池正負極的磁鐵都與彈簧接觸后，干電池會從彈簧一端開始自動地在彈簧內部向前運動，一直運動到從彈簧另一端穿出為止。

圖8

設計意圖：通過學生嘗試組裝電動機的實踐活動，訓練多項操作技能，培養勞動和合作意識，電動機最終能轉動起來讓他們變得自信和進取，為他們創造性實踐打下基礎，真正實現學以致用的目的；再組織學生自制簡易電動機，實現知識的應用和拓展，將學科知識向科學技術轉化和延伸，發展了高階思維能力，激發探索新知精神，培養實踐創新意識，甚至提升學生對產品工藝精益求精的價值追求。

本節課是基于智慧課堂的環境，通過活動、體驗，多方位互動學習、交流，在任務驅動下，促進學生不僅使用多媒體有效進行學習活動，還充分發揮智慧課堂教學軟件的多種功能。