指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)物理規(guī)律教學(xué)研究*
——以“法拉第電磁感應(yīng)定律”為例

楊雅婷 畢皓天 蔡武德

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

1 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式

從物理教學(xué)的角度可將物理規(guī)律分為實(shí)驗(yàn)規(guī)律、理想規(guī)律和理論規(guī)律3種類(lèi)型[1-2].目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于物理規(guī)律的教學(xué)過(guò)程已有多種闡釋[3-5],對(duì)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)制提出了多種觀點(diǎn)[6-9].結(jié)合深度學(xué)習(xí)與中學(xué)物理規(guī)律教學(xué)的特點(diǎn),構(gòu)建“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”,如圖1所示.首先,教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,提出猜想和假設(shè),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;其次,根據(jù)物理規(guī)律的類(lèi)型引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)探究或直接通過(guò)邏輯推理發(fā)展學(xué)生的高階思維;再次,學(xué)習(xí)物理規(guī)律的目的是運(yùn)用規(guī)律解決問(wèn)題,深度學(xué)習(xí)最終由學(xué)生的實(shí)踐能力和問(wèn)題解決能力的提升來(lái)體現(xiàn);最后,教師可通過(guò)多種方式完善評(píng)價(jià)體系,延續(xù)深度學(xué)習(xí).

圖1 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式

2 “法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)案例

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象、反映其本質(zhì)的重要規(guī)律,在電磁學(xué)中起到承上啟下的作用.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對(duì)該內(nèi)容的要求是“通過(guò)實(shí)驗(yàn),理解法拉第電磁感應(yīng)定律”[10].結(jié)合上文已構(gòu)建的“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”,在教材所給實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),將信息技術(shù)與物理教學(xué)深度融合.引導(dǎo)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)并完成層層遞進(jìn)的定量探究實(shí)驗(yàn),得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與各個(gè)因素之間的數(shù)量關(guān)系.通過(guò)體驗(yàn)物理規(guī)律的提煉過(guò)程,降低學(xué)生的思維跨度,促進(jìn)學(xué)生對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的理解.“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)框架”如圖2所示.

圖2 指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)框架

2.1 創(chuàng)設(shè)情境 誘發(fā)深度思考

學(xué)生活動(dòng)：兩位學(xué)生上臺(tái)使用線圈和磁鐵做成的“手搖發(fā)電機(jī)”將小燈泡點(diǎn)亮,比較誰(shuí)的燈泡更亮,發(fā)現(xiàn)搖速越快,燈泡越亮.

教師設(shè)疑:感應(yīng)電流的大小會(huì)不會(huì)與某些因素有關(guān)?

學(xué)生猜想:可能與磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速、線圈大小、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線粗細(xì)等因素有關(guān).

設(shè)計(jì)意圖:導(dǎo)入是深度探究的開(kāi)始,有效的情境創(chuàng)設(shè)有利于生成有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題,調(diào)動(dòng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的積極性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,誘發(fā)深度思考.

2.2 師生互動(dòng) 深化實(shí)驗(yàn)探究

教師活動(dòng)：提供各種規(guī)格的線圈、導(dǎo)線、條形磁鐵、靈敏電流計(jì)等器材,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)盡可能大.

學(xué)生活動(dòng):小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,并上臺(tái)展示、分析實(shí)驗(yàn)方案,總結(jié)出感應(yīng)電流的大小與磁鐵運(yùn)動(dòng)速度v、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈的橫截面積S、線圈匝數(shù)n等因素有關(guān).

教師帶領(lǐng)學(xué)生分析各個(gè)因素:磁鐵運(yùn)動(dòng)的速度v實(shí)際上反映了磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間Δt長(zhǎng)短,磁感應(yīng)強(qiáng)度B和線圈的橫截面積S共同決定了磁通量.

教師設(shè)疑:感應(yīng)電流的大小是否由磁通量的大小決定呢?

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察以下靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況:(1)在線圈中插入兩根磁鐵,將兩根磁鐵同時(shí)拔出;(2)插入兩根磁鐵,只拔出一根磁鐵.

學(xué)生活動(dòng):發(fā)現(xiàn)兩次實(shí)驗(yàn)中磁通量是相同的,但第二次實(shí)驗(yàn)中靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)變小了,總結(jié)出感應(yīng)電流的大小與磁通量的變化量ΔΦ有關(guān).

教師活動(dòng):引導(dǎo)學(xué)生歸納出感應(yīng)電流大小與線圈匝數(shù)n、磁通量的變化量ΔΦ、磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間Δt有關(guān).并將感應(yīng)電流與電路中產(chǎn)生恒定電流的條件進(jìn)行類(lèi)比分析,進(jìn)一步總結(jié)得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的概念[11].

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親自參與探究活動(dòng),定性探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素.同時(shí),教師通過(guò)有效提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考,保持了主體思維參與的積極性.

教師活動(dòng):展示自制的法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀,如圖3所示,重點(diǎn)介紹在本實(shí)驗(yàn)裝置中,使用ESP32單片機(jī)作為電壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指針式電壓表測(cè)量電壓,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值可以通過(guò)phyphox傳感器軟件讀出.

圖3 法拉第電磁感應(yīng)定律定量實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

教師提問(wèn):(1)實(shí)驗(yàn)要采用什么科學(xué)方法?(2)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案?

學(xué)生任務(wù)1:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的定量關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)原理:控制磁通量的變化量ΔΦ和磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間Δt不變,線圈匝數(shù)n的改變通過(guò)換用不同匝數(shù)的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:線圈高度距管口0.3 m時(shí),將2個(gè)強(qiáng)磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,每次更換不同匝數(shù)的線圈,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,計(jì)算機(jī)擬合圖像如圖4所示.

表1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈匝數(shù)n的擬合圖像

學(xué)生任務(wù)2:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量變化量ΔΦ的定量關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)原理:控制線圈匝數(shù)n和磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間Δt不變,通過(guò)成倍增加強(qiáng)磁鐵的個(gè)數(shù)使磁感應(yīng)強(qiáng)度近似成倍疊加,從而控制穿過(guò)線圈的磁通量的變化量近似成倍增加[12].

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:分別將2、4、6個(gè)強(qiáng)磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,不改變線圈匝數(shù)和位置,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,計(jì)算機(jī)擬合圖像如圖5所示.

表2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁感應(yīng)強(qiáng)度的倍增量nB的擬合圖像

學(xué)生任務(wù)3:探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間Δt的定量關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)原理:控制線圈匝數(shù)n和磁通量變化量ΔΦ不變,將線圈移至不同高度即可使磁鐵到達(dá)線圈時(shí)獲得不同速度,從而改變磁鐵通過(guò)線圈的時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:將2個(gè)強(qiáng)磁鐵從亞克力管口由靜止釋放,先后穿過(guò)距管口上端分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m處放置的相同匝數(shù)的線圈,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,計(jì)算機(jī)擬合圖像如圖6所示.

表3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈到管口距離平方根的定量關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖:探究是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和邏輯推理,驗(yàn)證猜想、得出結(jié)論的過(guò)程.定量探究實(shí)驗(yàn)使物理規(guī)律的得出有數(shù)據(jù)支撐,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力[13].

2.3 邏輯推理 促進(jìn)深度理解

教師活動(dòng):結(jié)合物理學(xué)史總結(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表達(dá)式.

設(shè)計(jì)意圖:物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析歸納總結(jié)出來(lái)的.教師通過(guò)可視化的方式結(jié)合講授,引導(dǎo)學(xué)生采用信息化的分析手段處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終得出結(jié)論的過(guò)程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維,提高了學(xué)生探究與創(chuàng)新能力.

2.4 解決問(wèn)題 彰顯深度應(yīng)用

學(xué)生活動(dòng)：求解在各種情境中導(dǎo)線切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小.

設(shè)計(jì)意圖:深度學(xué)習(xí)意味著遷移與應(yīng)用.通過(guò)設(shè)計(jì)難度漸增的情境,讓學(xué)生靈活應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題,有效實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解,進(jìn)一步發(fā)展了學(xué)生的高階思維[12].

2.5 總結(jié)評(píng)價(jià) 落實(shí)深度學(xué)習(xí)

學(xué)生活動(dòng)：(1)對(duì)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論進(jìn)行分析和反思,包括誤差分析和改進(jìn)方案等;(2)用思維導(dǎo)圖的形式回顧并梳理本節(jié)課所學(xué)的知識(shí);(3)課后完成練習(xí),查閱相關(guān)資料了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)生活中的應(yīng)用;(4)完成反思評(píng)價(jià)單.

教師活動(dòng):通過(guò)學(xué)生練習(xí)情況分析該教學(xué)模式促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效性,并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)成果及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià).

設(shè)計(jì)意圖:該過(guò)程既可以鍛煉學(xué)生的分析歸納能力,又能展現(xiàn)出學(xué)生對(duì)于該部分知識(shí)理解的深度,有助于教師了解學(xué)生的思維水平,從而落實(shí)學(xué)生的深度學(xué)習(xí).

3 結(jié)束語(yǔ)

物理規(guī)律是中學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn).經(jīng)過(guò)課堂實(shí)踐,“指向深度學(xué)習(xí)的物理規(guī)律教學(xué)模式”可以很好地運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)規(guī)律的教學(xué),能夠有效降低物理規(guī)律的學(xué)習(xí)難度,從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的.