實驗鏈與問題鏈互為驅動 彰顯科學探究的本質
——“探究電磁爐的工作原理”初探及感悟

李 興

(江蘇省蘇州第一中學校，江蘇 蘇州 215006)

科學探究是物理學科重要的核心素養之一．普通高中物理課程標準(2017版)中指出:科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．如何創設問題情境?提出何種問題?如何指導學生設計實驗和處理信息,并作出合理的解釋?從而達到提升學生科學探究的核心素養的目的．文中將以“探究電磁爐的工作原理”為例,通過實驗鏈與問題鏈互為驅動的形式,逐步探究,掌握電磁爐的工作原理,彰顯科學探究的本質．

1 問題背景

電磁爐是常見的廚房電器之一．在新課標(2017版)選擇性必修2模塊中建議學生“了解電磁爐的結構和原理”．傳統的授課模式中,往往是先講解有關渦流的知識,然后介紹渦流的相關應用,最后解釋電磁爐的工作原理．雖然這種授課方式能夠讓學生理解相關的知識,但是缺少了讓學生合理質疑、科學猜想、提出策略、實驗論證、評估交流的科學探究過程,背離了科學探究的本質要求．

實際教學中,應該允許學生針對電磁爐的加熱方式提出質疑．如:電磁爐與電飯煲的加熱方式是否相同?電磁爐的加熱方式與微波爐是否相同或類似?等等.在逐步解決這些問題的過程中,巧妙設計一系列實驗與問題,互為驅動．這樣不僅可以增強學生的質疑和探究意識,讓學生掌握科學探究的方法,還可以讓學生體驗到科學探究的樂趣．

2 基于實驗與問題的探究過程和探究模式

2.1 構建5個探究環節,形成完整的實驗鏈與問題鏈

(1) 探究環節1.

演示實驗: 容量為200 mL的不銹鋼杯子里盛適量的水,放在電磁爐上加熱．

實驗現象: 雖然沒有明火,但是水很快被燒開了．

質疑問題:電磁爐的加熱方式與電飯煲是否相同?是否也通過面板發熱,并將熱量傳導給鍋具,然后再傳給鍋內食物?

新探究方案:將杯子與電磁爐面板不直接接觸,觀察杯子里的水能否得到加熱．

(2) 探究環節2.

圖1 隔離加熱實驗

探究實驗:在電磁爐的面板上放一疊厚度適中的紙張(圖1),然后再將盛水的不銹鋼杯子放在紙張上面進行加熱．

實驗現象: 杯子里的水很快得到加熱．移開杯子和紙張,卻發現電磁爐的面板幾乎不發熱．

階段結論:電磁爐與電飯煲不同,并不是通過熱傳導的方式,將熱量傳給鍋具,再傳給食物的．

質疑問題:電磁爐加熱與微波爐是否類似,是對鍋具內的食物直接加熱而與鍋具無關呢?

新探究方案:用兩個不同材料的容器,盛等量的水,用電磁爐同時加熱,觀察是否能讓水同時升溫．

(3) 探究環節3.

圖2 玻璃杯與金屬杯對比實驗

對比實驗:玻璃燒杯和金屬杯子各一個,盛等量且溫度相同的冷水,分別放入酒精溫度計(圖2)．將兩個容器對稱放置在電磁爐的加熱區域進行加熱,觀察兩個容器中溫度計的示數變化情況．

實驗現象:金屬杯中的水溫持續上升,而玻璃燒杯中的水溫幾乎不變．

階段結論:根據實驗現象可以猜測:電磁爐不是直接對容器里的水加熱,而是與容器材料密切相關．若容器是金屬的,就可以對容器加熱,若容器是非金屬的則不能加熱．

質疑問題:既然與容器有關,為什么電磁爐對鍋具加熱時,可以不直接接觸,且電磁爐面板幾乎不發熱呢?

新探究方案:打開電磁爐面板,觀察內部結構,并查閱資料,了解基本原理．

(4) 探究環節4.

拆解實驗:打開電磁爐的面板,觀察內部結構,查閱相關資料．

實驗現象:電磁爐內部的主要部件是一個圓盤形的線圈,即加熱線圈．

階段結論:電磁爐加熱的基本原理是,電磁爐通過變頻電路將高頻變化的交變電流通入圓盤線圈,在垂直線圈平面的方向上產生高頻變化的磁場,于是在金屬容器上產生渦電流,由于渦電流的電阻很小,電流很大,鍋具的溫度升高很快,鍋內的食物得到了加熱．

質疑問題:電磁爐對所有的金屬鍋具都能夠有效加熱嗎?為什么有些鍋具會標注電磁爐專用呢?

新探究方案:換用其它材料的金屬容器(如鋁鍋),再次進行加熱實驗．

(5) 探究環節5.

圖3 用鋁鍋進行加熱實驗

探究實驗:將盛有適量水的鋁鍋,放在電磁爐上進行加熱實驗(圖3)．

實驗現象:鋁鍋內的水沒有得到加熱,且電磁爐處于報警狀態．

階段結論:再次查閱相關資料得知,鐵磁性材料的磁導率較高,在鐵磁性鍋具上產生的渦流較強,加熱效率較高．其它金屬材料(如鋁)的磁導率相對較低,產生的渦流較弱,加熱效率較低,出于安全保護的需要,電磁爐會報警并停止供電．

2.2 凸顯科學探究本質的雙鏈驅動模式

在探究電磁爐的工作原理過程中,依托實驗提出問題,為了解決問題,設計新的實驗．一系列實驗和問題構成科學探究過程中的兩條主線．兩條主線之間形成了緊密的邏輯關系,體現了科學探究的實質．文中探究電磁爐工作原理的過程,可以用圖4的形式表示出來．

圖4 實驗鏈與問題鏈

3 對培養學生科學探究能力的思考

3.1 有價值的問題來源于質疑

提出問題是科學探究的前提,脫離了問題,科學探究便無從談起．我們要抓住事物的本質,培養學生提出高價值問題的能力,善于把新發現的事實與原有認知之間的矛盾揭示出來,增強學生根據事實進行質疑的意識．

與普通的爐灶不同,電磁爐的加熱過程沒有明火產生．可以引導學生提出這樣的問題“電磁爐加熱的方式與普通的電飯鍋是否相同?是不是依靠電磁爐面板發熱,通過熱傳導的方式將熱量傳遞給鍋具,然后再傳給鍋內的食物呢?”在接下來探究過程中,不斷產生新的問題,提出新的解決策略和實驗方法,形成一個有梯度、有價值的問題鏈．

3.2 提出科學的猜想,內化探究的意識與方法

科學猜想不是隨意的猜測,而是根據自己的觀察和實踐,調動原有的知識和經驗,對事實的成因或結果做出假設或解釋．科學的猜想有助于培養學生的深度思維能力．

猜想之后,需要提出下一步的探究策略與方法,可以通過設計實驗、進行實驗,來獲取科學探究的證據．探究的策略和方法,不是由教師直接指定,而是由學生根據具體的問題和現實條件作出恰當的選擇．長期堅持這樣的探究模式,有助于將科學探究的意識和方法逐漸內化成學生探究認知的一種本能．

課例中,在解決“電磁爐加熱原理與電飯煲一樣嗎”的問題時,可以引導學生主動提出相應的解決策略“用一疊紙張隔開電磁爐面板與鍋具”．在解決“電磁爐加熱是否像微波爐那樣,對鍋具內的食物直接加熱”的問題時,可以讓學生思考相應的解決策略與實驗方法．在探究過程中,教師可以起到組織和引導的作用,而不能替代學生的探究主體地位．

3.3 科學探究中的解釋與交流

科學探究中,對探究得到的數據或結果進行描述和分析,對因果關系作出解釋,并歸納形成探究的結論．在“探究電磁爐的工作原理”課例中,經過一系列的問題鏈與實驗鏈互為驅動探究之后,形成電磁爐工作原理的解釋性結論．實際教學中,問題與實驗的驅動在前,工作原理的解釋在后．解釋性的結論也應該由學生主動生成．

探究電磁爐工作原理的教學中,在確保安全的前提下,可以分組進行探究．指導學生撰寫探究報告,讓學生學會通過語言、文字、圖表等方式,與他人分享探究的方法、成果和探究的心得,培養學生的表達和交流能力．

綜上所述,在物理規律的建立過程中,常常要運用觀察和實驗、分析和綜合、數學和推理等科學方法．在物理課堂教學中,應該將這些物理學的思想和方法滲透到問題中、滲透到實驗中．讓學生在解決具體問題的過程中,學會合理質疑、科學猜測、實驗論證、評價交流,從而彰顯科學探究的本質．