以工匠精神指導高中物理實驗教學
——以“楞次定律”中的演示實驗為例

丁 駿

(江蘇省口岸中學，江蘇 泰州 225321)

·教材與教法·

以工匠精神指導高中物理實驗教學
——以“楞次定律”中的演示實驗為例

丁 駿

(江蘇省口岸中學，江蘇 泰州 225321)

針對目前高中選修物理學生人數的大幅減少,筆者采用向內看的辦法發現由于部分物理教師缺乏創新和精益求精的精神,造成物理課的枯燥、乏味,目前已經成為學生選修科目的雞肋．以物理實驗為切入口,筆者提出以工匠精神研制物理實驗,充分利用新思維、新技術、新材料對物理實驗進行升級、改造、優化．讓物理實驗充滿生命力,以此激發學生學習物理的興趣,增進學生學好物理的內在動力．本文以“楞次定律”一節中的幾個演示實驗為例來說明．

物理實驗； 工匠精神； 楞次定律

2016年3月5日李克強總理作政府工作報告時說:要鼓勵企業開展個性化定制、柔性化生產,培育精益求精的工匠精神．所謂工匠精神,就是指工匠對自己的產品精雕細琢，精益求精、追求更完美的精神理念;就是追求卓越的創造精神、精益求精的品質精神、用戶至上的服務精神．當今社會心浮氣躁,追求 “短、平、快”(投資少、周期短、見效快)帶來的即時利益,從而忽略了產品的品質靈魂．在物理教學中也有一定的體現,比如部分教師總是喜歡用視頻實驗或者實驗動畫代替真實的物理實驗或者集成模塊實驗,或者用傳統實驗一教到底,面對新思維、新技術、新材料的出現充耳不聞.這樣的做法是讓物理教師省時省力,但是卻造成物理課堂變得枯燥、乏味,讓許多學生對物理失去學習的興趣和動力．所以不僅對于企業來說需要工匠精神,對于高中物理教師更需要工匠精神,才能在長期的教學中不斷更新教學觀點、改造教學流程、提升實驗水平和效果．在追求卓越的過程中打造最優質的物理課堂,生動體現學生至上的服務精神．下面以我校進行物理同課異構活動中,幾位教師在準備“楞次定律”一節中幾個演示實驗的過程為例來說明．

1 “差不多精神”造成課上的卡殼

圖1

所謂“差不多精神”是指凡事不追求精準,只圖個大概的意思．在探究感應電流規律實驗時,我們教師常用的是實驗室中繞制好方向的螺線管、條形磁鐵、靈敏電流計示教儀.這個實驗從筆者上高中的時候教師就是這么做的.A教師在試上這節課的時候,就聽到有學生說到:我們又看不到導線的繞制方向．A教師就借用投影儀放大給學生看,由于漆包線的反光作用,學生對于螺線管的繞制方向還是沒有看清楚．課后筆者和A教師就思考如何改進,后來做了如下改進,利用現在市場出售的釹鐵硼強磁鐵、靈敏電流計(小型)、橫截面積為10 mm2的銅導線制作的螺線管．利用教室里的投影儀進行放大,效果很明顯．為了便于操作,讓實驗室使用的條形磁鐵和強磁鐵組合起來.這樣便于讓強磁鐵插入自制的螺線管中(如圖1所示)．A教師在第2次試上探究感應電流磁場方向時出現了尷尬的結果.教學安排是這樣的,由于釹鐵硼強磁鐵沒有標識N極和S極,A教師就利用手頭上的條形磁鐵和強磁鐵的組合體給學生看,問學生:如何判斷出強磁鐵的N極和S極,學生的回答是:根據同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引，可以判斷出強磁體的N極和S極.根據這一理論可以知道和條形磁鐵N極相接觸的強磁鐵一端是S極,那么另一端就是N極．A教師聽到學生這樣的回答感到非常高興,當時夸獎了這位學生,并用準備好的紅色紙片在強磁鐵的一段標注為N極,接著就用這個強磁鐵進行探究實驗,探究的結果出現了當強磁鐵插入時產生的感應電流磁場和原磁場一致,當強磁鐵抽出時產生的感應電流磁場和原磁場方向相反．這一現象與理論正好相反．筆者和同聽課者不知問題出在哪里,大家都在積極的討論,課上的學生也在積極討論．最后A教師匆忙地換用常規器材進行探究和講解,可以說這是課前沒有對實驗的每個環節進行演練的結果．現在的問題是:到底在哪個環節上出了問題？從理論上看是正確的:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引．操作也沒有問題．下課后筆者和A教師在辦公室反復試驗,發現強磁鐵的兩端都能夠與條形磁鐵的某一端相吸．原來由于強磁鐵的磁性太強,接觸后造成普通條形磁鐵在強磁鐵面前主要體現鐵的特性,幾乎感受不出條形磁鐵的磁性產生的作用．怎么解決這個問題呢?其實很簡單,只要用細線將其中一個磁鐵懸掛起來,兩個磁鐵不要接觸,就可以判斷出釹鐵硼磁鐵的磁極了,或者使用帶塑料外殼的小磁針就可以直接判斷強磁鐵的磁極了．

從這個案例中可以看出,我們在自制演示實驗操作時,一定不能投機取巧,一定要用專業的知識、嚴謹的態度進行審視每一個操作步驟,確保每個流程都經得起推敲,確保不出現科學性錯誤,一定要體現專業、嚴謹、一絲不茍的工匠精神．這樣才能更好地培養學生的科學態度．

2 專注態度讓演示實驗生活化

圖2

落磁實驗是一個引人注目的實驗,在許多公開課教學中都能看到它的身影,達到了吸引學生注意、引起學生思考的一個好效果.通常采用的材料是:直徑略小于管口的釹鐵硼強磁鐵3片,銅管或鋁管一個,實驗操作一般是對比實驗,讓強磁鐵通過銅管和相等長度的紙管,觀看下落時間的差異,應該說現象非常明顯．B教師在準備“楞次定律”實驗時,特地從網上買了兩根銅管做落磁實驗,效果很不錯,但是總感覺這個實驗離學生太遠,筆者一直致力于演示實驗的校本化、生活化．總想如果學生能夠利用身邊的器材做高中物理演示實驗那該多好,如果讓每位學生買銅管,那是比較浪費的,一根內徑為28 mm外徑35 mm長度為60 cm的銅管市場價要160元．買回來除了做物理實驗外,其他幾乎沒有用處．這個問題筆者和同事們交流,思考有沒有其他材料可以代替銅管.某日中午上班,C教師告訴筆者一個意外的發現,不一定用銅管做落磁實驗,利用身邊常見的器材就可以做落磁實驗了,就是在準備“楞次定律”演示實驗中到超市購買的鋁箔紙,C教師現場演示了一下,雖然沒有銅管下落的時間長,但是用肉眼是能觀察的出來,如果用與鋁箔紙卷等高的紙筒做對比實驗(如圖2所示),紙管和鋁箔管的長度均為30 cm,內徑均為3 cm．鋁箔管外層的鋁箔長5 m,寬30 cm.將它們放到底端離桌面約15 cm等高處,讓兩個等重的強磁鐵同時從不同的管中下落,從圖2中可以看到當相同的磁鐵通過紙管下落到桌面上時,通過鋁箔管的磁鐵才剛剛到達鋁箔管的下端,實驗現象很明顯.如果下落比較快造成學生看不清實驗現象,可以采用讓學生聽聲音的辦法讓學生感知下落的時間的差異,或者采用手機中的錄音功能讓學生通過數字來直接比較快慢.有條件的可以采用手機中的慢放功能,讓學生直接看到下落的時間差．筆者經過多次嘗試發現如果采用釹鐵硼強磁鐵(直徑25 mm,厚度2 mm)4片至10片下落的時間比較長,經測量使用6片或者8片釹鐵硼強磁鐵下落30 cm長鋁箔管時間達到1 s,這時的實驗效果是最好的．在嘗試中筆者發現使用鋁箔紙(家庭燒烤用)的好處有這樣幾點:一是材料很容易買到;二是可以根據實驗的需要改變鋁箔紙的厚度、直徑、長度和包裹的形狀和層數;三是由于質量較輕便于攜帶;四是可以容易的在鋁箔管的側面開一條縫,做閉合導體和不閉合導體的對比實驗;五是可以將這一演示實驗變成學生家庭實驗．物理教師的這一改變可以起到引導學生關注生活中的日常用品,思考并判斷這些用品能否為物理實驗所使用,讓學生意識到物理來自于生活又服務于生活． 從而讓學生感受物理的親切和魅力．

從這個案例中可以看出,自制實驗中對實驗的材料的選擇,不僅從專業的角度進行分析、篩選,更要關注學生的視角和生活化程度,不斷提升演示實驗的生活化水平,一定要體現耐心、專注、堅持的工匠精神．這樣才能更加有利于認識科學本質．

3 注重細節讓意外化為生成

圖3

如圖3所示是講解“楞次定律”一節常用的雙環實驗,其中左邊的鋁環是閉合的,右邊的鋁環是開口,當條形磁鐵插入或抽出閉合的鋁環時,會發現鋁環會繞著支架轉動,當條形磁鐵插入或抽出不閉合鋁環時,會發現鋁環不會繞著支架轉動．為了增強實驗效果,D教師采用了市面上賣的圓形釹鐵硼強磁鐵(直徑和一元硬幣的直徑相等),實驗效果非常明顯.在實驗的過程中出現了意外現象.當用強磁鐵插入和抽出開口鋁環時,發現鋁環也會繞著支架轉動,而且轉動現象非常明顯.筆者和D教師感覺如果這樣直接在學生面前做演示,會得不出想要的實驗結果.物理組的其他教師有的認為是插入和抽出時空氣的流動造成鋁環的轉動,有的認為可以將圓柱形釹鐵硼強磁鐵組合橫著放置這時靠近和離開開口鋁環就看不出鋁環繞著支架轉動．這樣做演示實驗以及這樣解釋,可能學生不會反駁,因為學生沒有做過這樣的實驗,但是這樣做卻違反了實事求是的實驗原則,是教學中的一種欺騙行為．筆者和D教師在辦公室決定一探究竟,首先排除了由于空氣的擾動造成的轉動,采用的方法是用強磁鐵緩慢插入和抽出的時候也會看到雙環的轉動,用和強磁鐵等直徑的一元硬幣柱體快速和緩慢插入和抽出,看不到鋁環的轉動．其次要弄清轉動的原因,采用了實驗探究的方法,先發現問題,然后猜想與假設、實驗驗證等環節,認為可能有兩種原因,一是認為由于采用強磁鐵會不會在鋁環開口處出現放電現象,如果出現放電現象,那么就會出現環形電流;二是認為在正對人的這一窄面上形成無數個小的環形電流造成的實驗現象．對于以上兩種猜測分別做了驗證,對于第一種情況,采用將開口環的兩端距離拉得更大,為防止放電形成環形電流,在開口端中間加絕緣物體,當用強磁鐵插入和抽出的時候還是能夠發現整個鋁環會圍繞著支架轉動,這樣就排除了開口端放電形成環形電流的緣故;對于第二種情況,進行了如下的嘗試,如果會形成許多環形電流造成鋁環的轉動,那么用條形磁鐵正對著靠近的時候,應該會發現鋁環的轉動,在試驗中沒有發現這一現象．對于開口端用強磁鐵插入和抽出的時候鋁環轉動的原因沒有找到．還是另一個試驗引起了大家的思考,在一個斜放置的鋁板上讓與一元硬幣相同大小的釹鐵硼強磁鐵和一元硬幣從同一高度釋放,會發現強磁鐵下落得慢,硬幣下落得快,原因是強磁鐵在鋁板上產生渦流阻礙了強磁鐵的下落．這個實驗給了大家啟發,認為開口鋁環轉動的原因就是由于當強磁鐵插入和抽出的時候在鋁環的側面產生了渦流,所以造成鋁環的轉動．(注:鋁環的側面比較寬)．實驗證實確實如此．這個實驗還讓大家理解了為什么實驗中的鋁環是又薄又寬的形狀,這樣做的目的有利于形成較大的環形電流．當然在研制這個實驗的過程中也走了一些其他彎路,比如探究是否由于開口端是否放電問題,開始想到用二極管和驗電器或者靜電計等等,其實這樣一做就構成了閉合回路,也就是閉合的環,是一種錯誤的做法．這一研究更加深入地理解了雙環實驗,其實當條形磁鐵插入和抽出閉合環的時候,不僅形成了大的環形電流,在閉合鋁環的側面也形成小的渦流,只是由于條形磁鐵的磁場較弱,看不出實驗現象．D教師將這個實驗探究過程搬到課堂上時,激起了學生極大的好奇心和求知欲,每個學生都在思考和猜想產生現象的原因．通過這個實驗更好地讓學生理解了量變引起質變的道理,進一步掌握抓住主要因素忽略次要因素的思想方法．

從這個案例中可以看出,我們教師在研制自制實驗中要注重細節,對于細節或者微小現象要不惜花費時間和精力,孜孜以求,反復論證實驗,對實驗現象采用嚴格理論解釋,不達要求絕不輕易拿到課堂上糊弄學生．一定要體現精益求精的工匠精神．這樣才能更好地培養學生的物理觀念．

4 追求卓越讓實驗充滿生命力

圖4

在平時的教學中,我們會發現許多物理實驗所使用的器材大部分相同,比如與打點計時器有關的實驗就有很多——探究牛頓第二定律的實驗、探究功和能關系的實驗、研究勻變速直線運動的實驗、驗證機械能守恒定律的實驗等等,教材中這些實驗告訴我們對于同一個實驗裝置我們要最大限度地挖掘潛力,不能死搬教條,讓實驗作用和效果最大化．在人民教育出版社2008年出版的《物理3-2教師教學用書》第18頁就有“跳環”實驗．實驗裝置如圖4所示,將J2425型教學用可拆變壓器的條形鐵芯豎直放置,把一輕質鋁環套在其上,接通交流220 V電源的瞬間,鋁環上跳．實驗注意事項是:由于通過線圈的電流較大,通電時間不要超過30 s．由于教師參考用書上沒有給出具體的操作步驟和流程,E教師作了各種嘗試,首先將紅色線圈的0-1400匝直接接到帶有按鈕開關的插座上,當按下按鈕開關瞬間會看到鋁環明顯的跳起來,跳到比較大的高度．由于采用的是220 V電壓,筆者和E教師認為這樣的操作是非常危險的,稍有不慎就會觸電,不適宜讓學生上講臺操作,經過多次嘗試可以作如下改進.使用學生電源的交流電壓最大擋16 V,輸出電流采用3 A,通電瞬間也能夠看到鋁環向上跳動.這樣改進有利于實驗的安全,可以讓學生操作實驗．對于直接接220 V電壓可以看到鋁環跳得很高這一現象,E教師作了反向思考,如果將鋁環從上端放置會看到什么現象呢?經過多次實驗嘗試,找到了制成磁懸浮實驗的方法:用220 V交變電流,將鐵芯豎直放置在紅色線圈的上方,兩根導線的一端連接紅色線圈中的200-1400匝效果是最好的,另一端直接接在帶按鈕開關的插座上,先接通電源,然后放置鋁環(鋁環的規格是直徑為6.1 cm、高1.4 cm、壁厚2.2 mm、內徑5.65 cm),就可以看到鋁環處于懸浮狀態．磁懸浮實驗是教材中沒有的,這一現象可以幫助學生理解磁懸浮列車懸浮的基本原理．在30 s以內停止實驗,讓學生摸一下鋁環,學生可以感知到鋁環是熱的,這時可以追問學生,鋁環中的熱量從何而來?環中電流如何產生?能量如何轉化? 這樣一來就對“跳環”實驗進行了多維度的改進、拓展、延伸．使得“跳環”實驗的“生命力”得到升華．

從這個案例中可以看出,物理教師心中要時刻裝著實驗設計的基本原則,還要有開闊的思維素養,要不斷提升實驗的安全性和拓展實驗的應用范圍,在研制實驗中無論是實驗設計還是實驗步驟等都不斷完善,一定要體現學生至上的工匠精神．這樣才能更好的培養學生的物理思維．

德國哲學家雅思貝爾斯說:“教育就是一棵樹搖動另一棵樹,一朵云推動另一朵云,一個靈魂喚醒另一個靈魂”．不管現在還是未來,不管國家還是世界,都一直渴求越來越多的杰出工匠出現,才能造出越來越多的優質產品.要達到上述目標,就需要我們教師在平時的物理教學工作中體現追求卓越、精益求精、淡泊名利的工匠精神,具體體現在打磨好教學的每一個環節、研制好每一個學生實驗和演示實驗、設計好每一節課的課前導入,讓物理課直觀、有趣、激思起來,讓上物理課成為學生的一種期待,讓物理成為學生畢業后難忘的課程.學生通過長時間的耳濡目染和教師的言傳身教,工匠精神一定會潛入學生的內心深處,成為當代學生的普遍追求.這不僅進一步促進了學生物理核心素養的養成和發展,還為我們國家培養出越來越多的“大國工匠”夯實基礎．

1 彭前程.物理選修3-2教師教學用書(第3版)[M].北京： 人民教育出版社,2008.

2 陳熙謀,吳仁祖.普通高中課程標準實驗教科書(選修3-2)(第1版)[M].北京： 教育科學出版社,2006.

本文系全國中學物理規劃課題“高中物理教材校本化和自主課堂建設的實踐與研究”和江蘇省教育科學“十二五”規劃重點課題“自主課堂教學環境下的高中物理教材校本化實踐研究”(課題批準號:B-b/2015/02/178)的階段性成果．

2017-05-23)