培養(yǎng)質(zhì)疑精神 提升釋疑能力
——以“通電線圈”教學(xué)為例

游天下

(慈溪市庵東實驗學(xué)校 浙江 寧波 315300)

通電線圈教學(xué)安排在通電直導(dǎo)線之后，以往的教學(xué)中更多關(guān)注導(dǎo)線的彎曲，沒有從內(nèi)在電流、磁性的關(guān)系進行知識延續(xù).對于科學(xué)史實、磁場方向的判定缺少應(yīng)有的質(zhì)疑，停留在被動的接受知識.實驗過程指向過于明確，錯失很多生成性問題的探究.本文結(jié)合“通電線圈”部分教學(xué)環(huán)節(jié)，從培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、釋疑能力分享一些自身的教學(xué)行為.

1 通電線圈磁性強弱的影響因素

1.1 現(xiàn)狀認識

學(xué)生能較容易地細說通電線圈磁性強弱的影響因素有電流大小、線圈匝數(shù)、是否有鐵芯.缺少對線圈的線徑、疏密、鐵芯大小、材質(zhì)等因素的深層次探究.從而對該結(jié)論的理解深度不夠，探究思維的發(fā)散不足.遇到試題生搬硬套，解決實際問題的能力得不到有效鍛煉.目前很多試題也缺乏對學(xué)生深度認知能力的考查，部分試題本身就錯誤地認為只要鐵芯和線圈中電流大小相同時，線圈匝數(shù)越多，線圈磁性越強.對于科學(xué)方法的考查體現(xiàn)在對于3個影響因素控制變量法及轉(zhuǎn)換法的運用.探究問題一再重復(fù)，缺乏新意，最后硬生生地成為了一種記憶強化.

1.2 理論分析

多匝通電線圈是由一系列環(huán)形線圈連接形成.每一匝環(huán)形線圈中的電流產(chǎn)生自己的磁場，多匝環(huán)形線圈的磁場由于電流方向一致，磁場強弱得到疊加.但這種疊加對外顯現(xiàn)出的磁性強弱自然受到線圈長度的影響.如果多匝線圈在越短的長度內(nèi)疊加，則在磁極處顯現(xiàn)的磁場就會越強，反之線圈繞制越疏，則疊加后的磁性越弱.所以從理論角度分析，線圈匝數(shù)對線圈磁性強弱的影響，需要在單位長度內(nèi)進行比較更為合理.鐵芯的插入，能被電流磁場所磁化，相當于在電流磁場的基礎(chǔ)上多了一個磁體，自然可以增強磁性.

1.3 實驗剖析

電流大小及是否有鐵芯對通電線圈磁性強弱的影響實驗很常見.筆者嘗試的實驗主要是關(guān)于線圈匝數(shù)及繞制的疏密對磁性強弱的影響.下面以同一電路，通過改變線圈繞制的疏密及匝數(shù)來探究磁性強弱，部分實驗記錄如下.圖1是在鐵釘上疏繞8匝線圈，多次實驗，平均吸引輕小墊片4枚.而圖2是在鐵釘上密繞8匝線圈，多次實驗，平均吸引輕小墊片8枚.圖3則是在鐵釘上疏繞4匝線圈，多次實驗，平均吸引輕小墊片4枚.圖1，2對比可知，線圈的繞制疏密程度會影響它的磁性強弱，單位長度上越密，磁性越強.圖1，3對比可知，線圈匝數(shù)不同、繞制疏密程度相同，磁性強弱可以相同.經(jīng)多次實驗得到結(jié)論，當其他條件相同時，單位長度上線圈的匝數(shù)越多，通電線圈的磁性越強.

圖1 鐵釘上疏繞8匝線圈

圖2 鐵釘上密繞8匝線圈

圖3 鐵釘上疏繞4匝線圈

對于這一問題的描述，部分版本教材做如下表述.人教版物理教材，電流一定時，外形相同的螺線管，匝數(shù)越多，電磁鐵的磁性越強.華師大版科學(xué)教材，單位長度上的線圈匝數(shù)越多，磁性越強.浙教版科學(xué)教材，通電螺線管的線圈匝數(shù)越多，磁性越強.筆者認為前兩種版本的教材表述更為嚴謹.

2 質(zhì)疑精神及質(zhì)疑點

2.1 質(zhì)疑精神

初中物理核心素養(yǎng)包含3個維度，6個方面，18個要點.其中文化基礎(chǔ)這一維度包含科學(xué)精神方面，科學(xué)精神的3要點之一為批判質(zhì)疑[1].全面發(fā)展的人需要必備的文化基礎(chǔ)，不僅僅是單純的從書本上獲得科學(xué)知識，還包括科學(xué)精神、探究能力和創(chuàng)新思維.如果沒有質(zhì)疑，思維難以得到發(fā)散，發(fā)現(xiàn)問題的能力得不到提升，就難以從書本中獲得超越基本知識本身的價值[2].自然界是不斷發(fā)展變化的，人類對自然的認識也在不斷的進步，很多真理都是在質(zhì)疑的探究中不斷得到發(fā)展完善.沒有質(zhì)疑精神的物理課堂，既不能深化對科學(xué)本質(zhì)的認識，也不能讓學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到體現(xiàn).因此,我們有必要在備課的過程中，盡可能地引導(dǎo)學(xué)生進行質(zhì)疑，在質(zhì)疑中強化教學(xué)效果，提升學(xué)生核心素養(yǎng)[3].

2.2 質(zhì)疑安培定則

2.2.1 質(zhì)疑科學(xué)史實

1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特，在一次演講中偶然發(fā)現(xiàn)當一根鉑絲與伽伐尼電池接通后，放在附近的磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，由此反復(fù)研究發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).這一科學(xué)史在各版本的教材中都有介紹.但隨即各教材就介紹用安培定則來判定磁場的方向.此處應(yīng)該要有質(zhì)疑，奧斯特的發(fā)現(xiàn)怎么突然跳到安培定則了呢?教材在此對安培也沒有詳細的介紹.

2.2.2 質(zhì)疑磁場方向判定

對于利用右手判定磁場的方向，學(xué)生應(yīng)該是有疑惑的.判斷直線電流的磁場，用右手握住直導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指指向就是磁場環(huán)繞的方向.判斷通電螺線管的磁場，四指指向電流的方向，大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極.兩次大拇指指向的含義不同，很多學(xué)生在此后的練習(xí)中也經(jīng)常出錯.此處該有的質(zhì)疑聲沒有得到解決，這為后面的出錯埋下了隱患.平時教學(xué)過程中，對于安培定則一、二，教師的教學(xué)目標時常會定位到能利用安培定則準確判斷磁場的方向.因為目標的確立，在講述安培定則時就成了介紹一個類似廣播操的動作要領(lǐng)，記住，會用就好.鮮有的質(zhì)疑聲可能也會被遏制.

2.3 質(zhì)疑實驗結(jié)論及應(yīng)用

文中提到的通電線圈磁性強弱的影響因素.很多學(xué)生對自己的探究結(jié)論深信不疑，教師也很開心，因為總算通過探究得到了想要的結(jié)論.在多年的教學(xué)、聽課、交流過程中，沒有聽到類似的質(zhì)疑，也沒有發(fā)現(xiàn)類似的實驗探究.教材和教師過于明確的指向，往往會埋沒了學(xué)生的質(zhì)疑.如果遇到試題有類似的探究往往不知所措，難以從更高的層次提升自己的科學(xué)素養(yǎng).電磁鐵在生活生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，對于電磁鐵的特點，應(yīng)該要引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑鐵芯材料、形狀的選擇等.

3 釋疑能力及方法

3.1 查閱資料 釋疑科學(xué)史實

有些質(zhì)疑，本身難度不大，往往只是因為該問題沒有被拋出，通過查閱資料，相互交流幾乎可以自行解決，形成共識.學(xué)生查閱電磁科學(xué)史，可以找到以下史料.“頓牟掇芥，磁石引針”，人們很早就發(fā)現(xiàn)電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象存在相似性.但是相似并不等于本質(zhì)上有聯(lián)系.17世紀初，吉爾伯特就斷言，電與磁之間沒有因果關(guān)系，庫侖也持同樣的觀點.1800年伏打發(fā)明了電堆，電學(xué)從靜電走向動電，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使人們有可能從各方面研究電流的各種效應(yīng).丹麥物理學(xué)家奧斯特，他信奉康德的哲學(xué)，認為自然界各種力可以相互轉(zhuǎn)化，不認同電與磁無聯(lián)系的主流觀點.他嘗試著從電流方向上尋找磁效應(yīng)，結(jié)果都失敗了，因為電流對磁體的作用不是縱向的，而是橫向力.1820年4月，奧斯特在作有關(guān)電和磁的演講時，嘗試將磁針放在導(dǎo)線的側(cè)面，正當他接通電源時，他發(fā)現(xiàn)磁針輕微晃動了[4].經(jīng)過他之后的反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).

奧斯特的發(fā)現(xiàn)立刻引起了安培的注意，使他長期信奉庫侖關(guān)于電、磁沒有關(guān)系的信條受到極大震動.他重復(fù)了電流對磁針作用的實驗，兩周后就提出了磁針轉(zhuǎn)動方向和電流方向的關(guān)系及右手定則的報告，以后這個定則被命名為安培定則.他還把導(dǎo)線擰成了螺旋狀，制造了第一個螺線管，以便認識對放在它內(nèi)部的磁針的作用.隨后安培又研究了兩平行載流導(dǎo)線的作用規(guī)律，相同方向的平行電流彼此相吸，相反方向的平行電流彼此相斥，提出了分子電流假說.為了定量研究電流間的相互作用，安培設(shè)計了4個極其精巧的實驗，得到普遍的電動力公式，為電動力學(xué)奠定了基礎(chǔ)[4].筆者認為奧斯特的偉大在于在主流的思想下，還能堅持自己的想法，不斷嘗試，最終第一個發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).安培的偉大則是尊重科學(xué)事實，改變自己最初的想法，認同奧斯特的觀點，進一步深入研究了電流的磁效應(yīng)，為電動力學(xué)的發(fā)展作出卓越貢獻.這段關(guān)于奧斯特和安培的科學(xué)史實，體現(xiàn)了科學(xué)家們尊重科學(xué)事實，追求真理，不斷質(zhì)疑，反復(fù)修正的過程.既能幫助學(xué)生釋疑一些科學(xué)發(fā)展過程，更能從科學(xué)家的經(jīng)歷感受到崇高的科學(xué)精神.

3.2 啟發(fā)引導(dǎo) 釋疑磁場方向判定

利用右手判斷通電直導(dǎo)線和通電螺線管的磁場方向，學(xué)生一直存在困惑.教師在處理教材過程中，沒有完成從直到曲的本質(zhì)過渡.基本上利用慣性思維，通電直導(dǎo)線周圍有磁場，彎曲后也自然有磁場.介紹方向判定，也以告知操練的形式來鞏固.兩種方法判定實際上是相通的，解釋難度較大，但我們可以啟發(fā)學(xué)生從通電線圈結(jié)構(gòu)上分解，然后從判定上合成.通電線圈可以分解成多個環(huán)形電流，一個環(huán)形電流可以看成多段小直線電流組成.一個環(huán)形電流方向時刻在變，電流方向沿環(huán)某點的切線方向.每一段小直線電流可以利用安培定則一判斷出在環(huán)形電流中心軸線上的磁場方向，合成起來就得到了環(huán)形電流中心軸線的磁場方向，再合成所有的環(huán)形電流就得到了通電線圈的磁場.引導(dǎo)學(xué)生利用分解、合成，可以從本質(zhì)上理解直到曲的變化，理解判定方法的運用，體現(xiàn)了科學(xué)思維的培養(yǎng)[5].

3.3 實驗探究 釋疑實驗結(jié)論及應(yīng)用

結(jié)論的釋疑，需要教師細心觀察學(xué)生的實驗.也許在學(xué)生的操作過程中，就能發(fā)現(xiàn)因線圈繞制疏密所引起的磁性強弱差異.而這些學(xué)生的結(jié)果常不好意思與大家分享，因為質(zhì)疑的勇氣早已被同學(xué)及課本的結(jié)論給壓制，生怕受到老師的批評.這些現(xiàn)象存在的根本原因在于教師不善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗結(jié)果的差異，沒有提供分享質(zhì)疑的平臺.久而久之課堂教學(xué)就朝著教師既定的方向進行.發(fā)掘質(zhì)疑，創(chuàng)造質(zhì)疑，需要教師形成正確的教學(xué)觀念，重視真探究，關(guān)注探究過程中出現(xiàn)的差異，善于分析解惑.

根據(jù)科學(xué)結(jié)論，工程上制成了電磁鐵.要得到一個更實用的電磁鐵，我們又要做哪些方面的考慮呢？如鐵芯要易磁化，為此我們把鐵芯制成條形或蹄形.要實現(xiàn)電流通斷控制磁性的有無，鐵芯材料消磁要快，為此一般用軟鐵或硅鋼做鐵芯材料.這些問題也是對課本探究內(nèi)容的深化，可以讓學(xué)生認識到從科學(xué)結(jié)論到科學(xué)應(yīng)用還需要有更多的考慮.具體過程也可以通過實驗活動比較不同材料的性能，釋疑材料的選擇.

當然質(zhì)疑絕不是不經(jīng)大腦思考的瞎懷疑，瞎提問，而應(yīng)該是站在更高的立場看待一個更新的問題.教師要善于提煉、創(chuàng)造質(zhì)疑，引發(fā)更多的探討.在釋疑的過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的能力，查資料，小組討論，請教師長，在解決一個問題的過程中學(xué)會了解決更多的問題.在質(zhì)疑、釋疑過程中學(xué)會學(xué)習(xí)，真正地提升自己的核心素養(yǎng).