在物理實驗教學中培養學生的理解能力*——以“互感和自感”的教學為例

在物理實驗教學中培養學生的理解能力*
——以“互感和自感”的教學為例

許衛國吳敏亞

(江蘇省錫山高級中學江蘇 無錫214174)

*江蘇省教育科學“十二五”規劃重點資助課題“中學物理實驗的校本化研究”階段成果,立項編號：B-a/2013/02/017

摘 要：以“互感和自感”教學案例的形式闡述了在物理實驗教學中培養學生理解能力的具體措施，包括創設實驗情境，加強實驗體驗，經歷實驗流程，關注實驗應用等.

關鍵詞：物理實驗理解能力具體措施

收稿日期：(2015-01-23)

目前，學校正在推進以理解性學習來變革現有課堂教學的校本教研活動，以此達到促進教學方式改變，關注智慧生成的教學目標.理解性學習是和機械學習、死記硬背的學習相對立的概念，是指“學生通過分析、比較、概括、聯想或直覺等思維方法，獲得對概念的深刻性理解及恰當運用知識的能力”[1]，它的認知意義在于把握事物的本質和規律.中學物理實驗所具備的教學功能成為在物理課堂教學中實施理解性學習的重要切入點.

1創設實驗情境 奠定理解基礎

情境學習是理解性學習的基本要求，教師在實際的教學中用實驗創設與教學內容相適應的場景或氛圍，其目的在于引起學生強烈的情感體驗和思維活動.它將學習任務鑲嵌在有意義的真實情境中，激發學生的學習興趣，使其產生解決問題的欲望，為知識的理解打下基礎.

在“互感和自感”教學中設置的兩個情境示例如下.

圖1　無源亮燈裝置

(1)無源亮燈.將可拆變壓器接交流電源，把連有燈泡的線圈套在鐵芯上，燈泡會發光,實驗裝置如圖1所示.

學生們專注地觀察著教師的演示，當教師手持無電源的燈泡亮起來時，學生發出了驚訝的喊叫聲.

(2)斷路放歌.將手機用耳機線與小線圈相連，音箱與另一大線圈相連，小線圈放入大線圈之中，音箱中傳出手機中正在播放的歌曲，當手持手機回路遠離(靠近)音箱回路時，聲音會變輕(變響),電路圖如圖2所示.

圖2　“斷路放歌”電路圖

隨著小線圈靠近(遠離)大線圈，音箱的聲音變得響亮(輕柔)，這時學生們響起了熱烈的掌聲.

學生已經進入了教師設置的情境氛圍中，此時教師應及時提出問題，為學生的思維指明方向：(1)無源的燈泡為何亮起？流過燈泡的電流從何而來？(2)兩個獨立的回路中，手機中播放的歌曲是如何“傳”到音箱中的？

學生們能圍繞問題和心中的疑問用自己所學習的電磁感應知識分析上述現象，提出自己的推斷和猜想，并在小組內相互交流.

由上述兩個情境實例可以看出，實驗可以創造出相應的情境氛圍，激發學生學習的主動性，提升學生對物理學習的興趣和學習動機；可以集中學生的注意力，培養學生的觀察能力.梁啟超曾說：暖和和的阿特(art)與冷冰冰的賽因士(science)的共同的母親是觀察自然.所以觀察能力是讓學生實現從現象到本質推理和概括的前提，是提高學生理解能力的基礎.從認知角度看，教師所創設的實驗情境能聯系學生頭腦中的先前知識，促使學生運用先前的知識去建構新的理解.

2加強實驗體驗 深化理解層次

沒有體驗，所學的東西就不深刻，就顯蒼白.體驗實驗就是讓學生參與到實驗中，這能使學生的觀察活動具有更明確的指向性,注意力更集中，從而捕捉到事物典型的、具有本質的特征.它旨在關注實驗者的主體感受，重視學生親身體驗真實的物理情景而建構物理規律的過程 .理解性學習的主要途徑是學生參與到一系列的學習活動中去，在參與的過程中開動腦筋，去感、去悟、去思考，從而加深對所學知識的掌握和應用.

在“互感和自感”的教學中安排如下體驗.

體驗“千人震”：如圖3所示，實驗器材包括一節電動勢為1.5 V的新干電池、幾根導線、開關和一個自感系數較大的線圈.幾位做這個實驗的學生手拉手成一串，將電池、線圈、開關用導線按圖示方式連接，接通電路，過一會兒再斷開．

圖3　“千人震”電路圖

上來體驗的是兩位躍躍欲試的男生和兩位有害怕心理的女生，但看到只有一節干電池，又增強了參加體驗的膽量.

隨著開關的閉合，他們懸著的心放了下來，當開關斷開的瞬間，他們發出尖叫的同時也甩掉了手中的導線.這時教師給他們提出了要求：(1)請把你們的體驗告訴同學們.(2)你為什么會有這種被電擊的感覺？(3)你認為被電擊的強烈程度會與什么因素有關？

強烈的身心體驗促使學生調用頭腦中的相關知識思考所體驗的實驗，從而加深了對自感現象的理解.

在評課階段，有些教師認為這個體驗活動可以去掉，這樣可以節省出來至少5 min的時間.筆者堅持認為，學生的體驗是必要的，來自于學生自己的體驗是難得的，這是學生真實地、“近距離”地接觸物理知識.因此，教師在組織教學時，要設計一些“做”的活動體驗，從學生“第一手”的經驗出發，考慮怎樣充分調動學生的眼、耳、口、鼻等感官使其深入參與到體驗中來，讓學生通過自己的感覺器官直觀、形象地體驗物理過程，教師及時地提出問題引導學生的思維方向，幫助學生從感官體驗上升到理性思維，把感官認識升華為“物理見識”.

3經歷實驗流程 引導學生思考

根據哈佛大學教授帕金斯等人的觀點，真正的理解是人們能用已有的知識去創造性地思考和行動，以一種靈活的、對思維要求很高的方式去進行理解性操作[2].實驗探究，是指學生經歷物理實驗教學的全過程，是新課程理念的基本要求，也凸顯了科學研究的特點.它有利于學生學會科學的探究方法，形成初步的科學探究能力，養成實事求是的科學態度等，為培養學生的創造力打下基礎.學生要在紛繁的現象中發現規律，就應該以頭腦中的知識為參照系，根據現象提出問題和猜測，設計實驗，運用各種思考和推理方式，得出結論.這與理解性教學的觀點是吻合的.

學生在學習通電自感規律的實驗探究活動中經歷了以下流程：

第一,教師提出問題：互感現象的特點是A線圈中電流的變化引起B線圈中產生電磁感應現象.如果一個線圈的電流發生變化(增加或減小)，線圈能否在自身的回路中產生感應電動勢？ 讓學生先獨立思考并作出判斷，然后在小組內交流各自的觀點.

第二，統一學生提出的問題和猜測：自身電流變化→線圈自身內部磁場變化→線圈自身內部磁通量變化→電磁感應現象發生.

第三，設計探究通電自感規律實驗：探究通電自感電動勢對電流變化的影響.

問題引導：該如何設計實驗電路,使我們能觀察到這個線圈中產生的電磁感應現象呢?選擇什么測量器材更便于觀測呢?

圖4　線圈直接接入電路 圖5　線圈串聯燈泡接入電路

該問題對學生來說思維的臺階較大，筆者采取了合作學習的方式.大部分學生都能想到把線圈直接接入電路(如圖4).有的小組提出了質疑：該電路并不能觀察到線圈由于電流的變化對自身的影響，應通過與其串聯的燈泡的亮度變化來顯示其影響(如圖5).

有小組提出了更完善的方案：應再并聯一個電阻和燈泡串聯的支路，通過對比兩只小燈泡的亮度變化來顯示線圈對本支路的影響，實驗現象會更明顯(如圖6).

圖6　線圈和電阻并聯接入電路

第四，進行實驗操作，分析、討論實驗結果，得出自感規律.

你從實驗中看到延遲現象的原因是什么?大家分析一下，談談自己的看法.

教師借助數字化實驗的便捷來幫助學生理解自感的規律(如圖7)，并提出問題引導思考：對比閉合S的瞬間兩次電流圖像有什么不同？并解釋原因.

圖7　利用數字化實驗對比有無線圈電路兩種電流圖像

按照課程標準的要求，本實驗屬于定性的探究實驗，教師在設計時能從學生的實際認知出發，引導學生參與了實驗的設計過程和操作過程，轉換了學生的學習方式，增加了學生學習的主動性和積極性，有利于學生探究技能的形成和創新思維的發展.另外，本設計將DIS與原有的實驗設計整合，拓展了數字化實驗系統在教學中的探究功能，也突破了自感電動勢方向這一難點.

4關注實驗應用 拓展學生理解

物理知識的最終歸宿是應用它去解釋自然現象并能動地改造自然.現代社會的許多技術都來自物理實驗，因此物理實驗教學能聯系實際，并能應用于實際，能很大程度上體現從生活走進物理，從物理走向社會的理念，有利于增強學生學以致用的意識[3].用學過的物理知識去解決一些生活、生產中的實際問題,會使那些概念、規律煥發出生命力，學生也會在物理知識的應用中強化對它們的理解.

在“互感和自感”的教學中師生共同分析了一些應用，如表1所示.

表1　互感和自感的應用

在我們身邊有很多互感和自感的現象，在課堂上要盡量創造條件重現這些現象，讓學生關注物理與社會的聯系，同時也能增強學生的社會責任感.本節課筆者給學生演示的實驗有：延時繼電器、模擬電磁灶打火、含有電感的電路在斷開時會產生電火花.給學生布置的課外探究作業是，動手連接日光燈電路并能讓其正常發光.

綜上所述，站在提高學生理解能力的高度，談物理實驗教學的實施，既突出了物理教學的高效性，又體現了物理學科教學的特色.因此在教學過程中，我們應關注物理實驗教學的研究，在教學設計和教學過程中設計出更加精美、巧妙的實驗，充分體現和優化其功能.同時，應該鼓勵并引導學生在學習和生活中自制實驗儀器，這對改變學生的學習方式，幫助他們掌握科學方法，提高他們的科學探究和實驗設計能力等具有重要的作用，也使得今后的中學物理實驗及實驗教學在內容和方式上有更大的創新和發展，為物理學科的理解性教學提供切實可行的抓手.

參 考 文 獻

1王均霞，吳格明.“理解性教學”研究的哲學反思. 河北師范大學學報(教育科學版)，2012(8)：73

2姚曉慧. 大衛·帕金斯的理解性教學思想透視.外國教育研究，2011(1)：13～17

3中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標準(實驗). 北京：人民教育出版社2003.4