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    基于“以生为本”的高中物理实验教学设计——以“互感和自感”为例

    时间：2023-01-29 13:55:58来源：百花范文网本文已影响人

    王蓓

    (浙江金华第一中学 浙江 金华 321015)

    近年来，随着课程改革不断优化与推进，核心素养的概念也在不断推行．《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》坚持反映时代要求，着力发展学生的核心素养．物理学科核心素养含有4个维度：物理观念(基础)、科学探究(路径)、科学思维(核心)、科学态度与责任(品格)(图1)．笔者将以“互感和自感”一课为例，根据物理学科核心素养的要求，“以生为本”的教学理念进行教学设计，让每一位学生发生持久的深度学习，以努力服务于“立德树人、服务选才、引导教学”这一根本目标．

    图1 物理学科核心素养间的关系

    课堂实录：

    上课前期，教师将电磁炉藏于黑匣子中，实验器材如图2所示(以下所有图片中的实验器材均为课堂实用)，表演魔术“空手取电”，意图引出已学知识：法拉第电磁感应现象，得出互感现象的定义和互感电动势的概念．定义讲解的过程中强调两个线圈之间没有导线相连，可以通过变化的磁场将能量和信息进行传递，所以互感现象已经在电工技术和电子技术中有广泛的应用，例如黑匣子中的电磁炉、无线充电、蓝牙耳机等等．

    图2 “空手取电”演示实验的实验器材

    设计思路：

    (1)首先创设情境利用魔术激发学生的兴趣，引出已学知识，在情景化大前提下进行教学，符合学科逻辑、认知逻辑和教学逻辑．

    (2)教学设计应该处处重视物理核心素养的培养，秉承“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，培养学生善于运用生活资源，所以选择的案例均为生活中的物品．

    课堂实录：

    两个线圈之间没有导线相连，却可以通过变化的磁场将能量和信息进行传递．学生虽然已经接受这个抽象概念，但没有自身经历只会成为停留于表面的认知，将不会被内化被升华．所以教师展示收音机的内部结构，提供实验器材如图3所示，在学生们的设计指导下，教师现场制作一台简易收音机．线圈A与手机的音频输出端连接，线圈B与扩音器的输入端连接，线圈A与线圈B相互靠近，便可播放音频，实验成功，效果甚好．此时，教师追问：如果想把声音调大一些，可以有哪些措施？学生答：提高输入信号的强度(手机音量调高)，线圈相互靠近，增加线圈匝数以及插入铁芯．

    图3 线圈互感实验器材

    设计思路：

    (1)现场制作收音机将物理概念(利用互感现象传递能量和信息)可视化，有助于学生感性认识物理概念和规律，实现可视化与物理思维的深刻性相辅相成．

    (2)实验成功，提高声音的措施方面引发学生的思考，夯实学生发展基础．

    课堂实录：

    教师口述：线圈A的电流发生变化时，会对另一个线圈B有影响．那么，同学们猜想，当通过线圈A的电流发生变化时，对自身会不会有影响，自身会不会出现磁感应现象，自身会不会产生感应电动势？答案非常明显，一定会有影响．

    设计思路：

    关于“自感”，有教师建议用“闭合自感”的实验(图4)引入，但笔者认为类比已学概念即可．自感与互感之间的相似程度和关联程度颇高，是一个系统内的概念．而高二的学生从概念的内涵和外延、概念生成的路径、概念建构的逻辑等方面都已有充分的经验，所以直接引入更为清晰，而“闭合自感”的实验可作为学生猜想后的验证．

    课堂实录：

    教师口述：一切物理真理都来源于实验，请同学们设计实验来验证猜想．明确实验目的是，开关闭合时，研究线圈对电路的影响．学生设计电路图，教师现场演示投屏，发现问题，分析原因，最后修改完善电路，如图4所示．

    图4 学生设计的“闭合自感”实验电路图

    在合作实验的过程中，教师引导如下：

    (1)实验中，哪些仪器可以体现出线圈对电流的影响？(电流表或小灯泡，选择小灯泡，现象更为直观)

    (2)开关闭合瞬间，根据互感现象大致推测：线圈对电路的影响是延迟，即小灯泡延迟发光．

    (3)开关闭合前，先把滑动变阻器的划片移动到电阻最大端．

    (4)闭合开关，注意观察小灯泡的发光情况．观察不到小灯泡发光延迟，那怎么办？

    (5)并联另一个小灯泡进行对比．此时没有学生会提出该小灯泡需要串联另一个滑动变阻器．

    (6)再次闭合开关，发现两只小灯泡的亮度并不一样，电路再次修改．

    (7)强调以上步骤均是实验前的调试．

    (8)闭合开关，观察比较两小灯泡的发光情况．

    设计思路：

    (1)虽然学校实验室有现成的实验设备，如图5所示，但考虑科学探究需要真实情境以及物理学独特的育人功能，最后采用学生设计实验、教师现场连接电路、分步骤演示投屏．物理实验体现物理学科本质，学生自己参与并完成物理实验所获得的直接经验是任何人、任何方式、任何学科都无法替代的，这才是物理学科独特的育人功能．

    图5 自感实验

    (2)笔者在准备实验器材时，遇到最大的问题是：小灯泡延迟现象不够明显，即线圈的自感系数不够大．尝试很多，甚至把变压器拆开实验，效果都不明显，最后发现：自耦变压器、投影仪中的变压器大约可以实现延迟2 s发光，同行们可以尝试．

    (3)“通电自感”实验在本节课中属于验证型实验，这里也体现物理实验能够有效地培养和增强学生的证据意识，促进学生科学素养的提升．

    课堂实录：

    教师分析电路，演示“断电自感”实验(实验仪器中线圈的自感系数较大)，如图6所示．

    图6 断电自感实验装置实物及电路图

    教师的引导如下：

    (1)你观察到了什么现象？教师先肯定学生们的所见所得——小灯泡闪了一下再熄灭，再抛出下列问题．

    (2)该现象包含两类：延迟+闪现，又如何解释该现象？

    1)对于电路问题应先从电流入手，开关断开前后，试判断通过小灯泡的电流情况及电流方向有无发生变化.教师分析归纳：当开关闭合，从电源出发的电流将形成顺时针的闭合回路．当开关断开，由电源发出的电流，以及通过小灯泡的电流瞬间为零，而通过线圈的电流因为自感作用慢慢减小为零．那么接下去线圈将与小灯泡串联导通并形成一个逆时针的闭合回路．所以小灯泡的电流将发生反向．在开关断开时，线圈对电路中电流的减小有阻碍作用，即自感现象．

    2)在断开过程中，小灯泡闪亮一下再熄灭，这说明了什么？教师分析归纳：断开开关，由线圈发出通过小灯泡的电流更大．

    3)如何设计，可以实现小灯泡闪亮一下再熄灭？教师分析归纳：线圈的“直流电阻”小于灯泡的电阻即可．

    设计思路：

    (1)教师巧妙构思设计问题，有助于每一位学生发生深度思考，提升学生分析解决问题能力和科学探究能力．

    (2)物理规律揭示物理概念之间的因果关系，物理规律的普适性必然扩大学生的视野，扩展学生的思维，促使学生的思维活动在深度和广度上前行了一大步．

    课堂实录：

    教师口述介绍这位伟大的物理学家：约瑟夫·亨利．1867年起，亨利任美国科学院第一任院长，1829年制成能提起一吨重铁块的电磁铁，1830年发现电磁感应现象．此时学生们会小声私语，课本中写道：法拉第在1831年发现电磁感应现象．这是怎么回事，教师解释：亨利确实早法拉第一年发现电磁感应现象，但当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表实验成果，最后亨利失去了发明权．教师接着说：潜心研究的亨利时隔两年1832年又发现了电流的自感现象．他被认为是美国最伟大的科学家之一，尤其对电磁学做出了巨大贡献．

    教师口述：像这样淡泊名利、潜心研究、无私奉献的科学巨匠我们国家也数不胜数．学生们会一起说道：有原子弹之父——钱学森，杂交水稻之父——袁隆平，“共和国勋章”获得者——钟南山等．教师最后缓缓口述道：他们的这种科学精神更将成为“一种文化”“一种传承”．

    设计思路：

    科学态度与责任不是教师站在高高讲台上宣讲“大道理”，而应该通过各种形式融入科学观念和科学思维教学之中，加强爱国主义、民族文化自信心的教育，力求做到“随风潜入夜，润物细无声”．淡泊名利、潜心研究的奉献精神，是老一辈科学家的优良传统，更是新时代科学家精神的重要内涵．

    学生在感知生活、学习物理知识的过程中，时时刻刻沐浴在物理核心素养的培养之中，时刻都在开发着学生的创造“潜能”．实践表明，指向核心素养的教学设计应努力实现“以生为本”的教学理念(图7)，强化学生深度学习的过程．教师们应站位于学生的视角，关注学生的需求，运用循循善诱的问题导向教学法激发学生的思考．在自主实验的探究过程中掌握技能、提高能力，基于物理学科的独特育人功能，培养学生的科学态度和科学价值观，实现物理学科在立德树人方面的使命，以期更加适应学生终身发展的需要．教师应该认识到培养物理核心素养的重要意义，认识到学生读书的真正宝贵的收益恰恰是我们在今天称之为“潜在素质”的东西，无用之用是为大用．物理学家劳厄曾说过：“重要的不是获取知识，而是发展思维能力，教育无非是一切都忘掉的时候，所剩下来的东西．”

    图7 “以生为本”教学理念

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