重視知識建構 研究自制實驗

程宏亮 馮志雯

摘 要：建構主義者有兩個基本認識，一個是新知的學習必須建構在已有知識之上，另一個是自主建構是最有效的學習途徑。文章以自制揚聲器實驗器材為例，著重分析初中物理教材知識的建構體系，以及該自制實驗器材對知識建構體系的補充途徑。

關鍵詞：初中物理;知識建構;自制;實驗器材

人教版九年級物理下冊，第二十章“電與磁”第4節“電動機”一節中，通過實驗探究歸納了通電導體在磁場中受力與電流方向和磁場方向有關，并以此結論分析了電動機的工作流程和原理。在現實生活中，電動機的應用非常廣泛，高鐵、地鐵、新能源汽車，甚至大型的軍艦都采用電動機作為提供動力的裝置。所以，將電動機作為“通電導體在磁場中受力的作用”這一物理原理的應用實例是理所當然的。這也拉近了物理知識與生活的距離，符合“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課標理念。但在生活中，還有很多實際應用都與通電導體在磁場中受力這一原理有關，學生如果更早地建構了電動機線圈在磁場中轉動的知識，就會很難理解通電導體在磁場中的其他運動方式，而對該物理原理的認知片面。這樣的片面認知就會對接下來電磁感應物理概念的學習造成了很大的困擾，因為從學生學習的角度來看，電動機模型和發電機模型的基本構造極為相似。而電動機和發電機的工作原理本身就是互為可逆的電磁互生，這會進一步影響學生對這兩個物理知識的認知。鑒于此，在教學過程中必須首先建立完整的通電導體在磁場中受力作用的知識體系，才能利于學生對電和磁知識的整體構建。

建立完整的通電導體在磁場中受力作用的知識體系在教材編寫中體現得非常充分，人教版教材在本章章末的“科學世界”欄目介紹了揚聲器是怎樣發聲的，至此，通電導體在磁場中受力至少有三種運動狀態，即可能滾動、轉動、振動。如圖1、圖2、圖3所示。

圖1是研究通電導體在磁場中受力原理的基本模型，學生既可以體驗實驗探究過程，也易于觀察實驗現象，所以得到實驗結論比較容易。圖2是電動機工作原理的示意圖。學生認知比較困難，特別對于平衡位置線圈受力時的運動狀態，以及換向器的工作原理，學生更是由于思維的抽象而極難掌握。但人教版教材能夠從學生認知規律和物理實驗教學的本質出發，設計了“想想做做”小小電動機，如圖4，通過問題“讓線圈轉起來”引導，學生“用小刀刮兩端引線的漆皮”的實踐，自主建構平衡位置受力運動狀態和換向器原理的知識，突破難點。最后，教材還具體完整地展現了電動機的工作流程，符合學生具體運算階段的認知習慣。如圖5。

圖3是揚聲器發聲的工作原理示意圖，在教材的“科學世界”欄目中出現。學生前期建構的通電導體在磁場中受力滾動、轉動的知識與圖3中的振動存在差異，這是造成學生認知困難的原因之一。更困難的是，學生沒有學習圖2電動機原理時的問題引導、實驗體驗、具體歸納分析的認知過程。所以，要讓學生建構完整的通電導體在磁場中受力知識體系，就必須創建完整的認知情境，而最有效的認知情境就是學生自制揚聲器裝置。

揚聲器是把電信號轉換成聲信號的一種裝置，圖3是揚聲器的構造示意圖，它主要由固定的永久磁體、線圈和錐形紙盆構成。當線圈中通有電流時，線圈受到磁鐵力的作用而運動;當線圈中電流的方向相反時，線圈向相反方向運動。由于通過線圈的電流是交變電流，它的方向不斷變化，線圈就不斷地來回振動，帶動紙盆也來回振動，揚聲器就發出了聲音。將原理轉化為應用還要通過實驗器材的自制，自制揚聲器裝置的操作如下：

一、 自制揚聲器所需的器材

一個一次性的紙杯;一枚大鐵釘，長度要超過紙杯的高度約5厘米;一段細漆包線，兩端刮去絕緣層，長度大約50厘米;一個可裝兩節5號干電池的電池盒，帶連接正負極的導線;一塊音樂芯片，在音樂門鈴、廢棄的玩具、音樂賀卡上都可獲得;一塊小磁鐵。

二、 制作方法

1. 把漆包線按同一個方向纏繞在鐵釘上，由于被磁化的大鐵釘兩端磁性最強，漆包線要盡量纏繞在鐵釘的頂端。

2. 音樂芯片的第1、2接線柱為電流輸入，第3、4接線柱為電流輸出。將電池盒的正負極導線連在音樂芯片的第1、2接線柱，纏繞在大鐵釘上的線圈連接音樂芯片的第3、4接線柱。經過音樂芯片讀取，IO口的高低電平以及延遲產生不同的頻率電流，變頻電流輸出到漆包線線圈。

3. 把小磁鐵放在紙杯口處，大鐵釘穿過杯底被小磁鐵吸引固定在杯底。

三、 使用效果

閉合電池盒開關，纏繞的鐵釘漆包線線圈成為通電螺旋管，它與小磁鐵相互作用，上下振動，紙杯的作用是共鳴箱，放大線圈上下振動頻率，得到響度可聞的音樂。

四、 自制揚聲器裝置的評價和反饋

自制揚聲器不僅設計簡單，學生易于制作，而且在使用時效果非常明顯。使用時，有響度、音色和很好的樂音產生，學生學習內驅力能夠迅速被激發，主動進行知識建構。在教師的引導下，自制揚聲器裝置可以讓學生體驗到很多舊知，比如小紙杯振動明顯，說明聲音依靠振動產生。在裝置中，振動的能源來自電池的電能轉化得到的機械能，說明聲音的能量其實是一種機械能。再比如，學生在纏繞漆包線線圈時，纏繞在大鐵釘頂部是為了使用磁體上磁性最強的部分，條形磁鐵的磁極在磁體兩端。

但對這些舊知的驗證，并不是該自制實驗器材的意義。該自制實驗器材的最大意義在于首先完善了學生知識構建的過程，讓學生能夠從通電導體在磁場中受力滾動、轉動構建到上下振動，再到其他復雜的運動狀態。第二，該自制實驗裝置設計簡單，效果明顯，能夠打開學生自主知識建構的大門，達到最理想的學習效果。第三，在通電導體在磁場中受力上下振動這個知識層面，該自制實驗器材能夠補充教材不夠充分的教學環節。實驗器材的自制過程，就是設計情境，自主探究，歸納分析總結實驗規律的過程，同樣也是知識內化的過程。

總之，物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是一個很大的概念，自制實驗器材是物理實驗概念中最重要的組成部分。自制實驗器材教學追求提升學生實驗探究能力，追求學生的知識整體構建，追求學生學會研究問題的方法。最終的追求，就是為造就國家未來的“創造型”“實用型”人才作出實質性基礎性的貢獻。

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作者簡介：程宏亮，馮志雯，廣東省深圳市，廣東省深圳市坪山實驗學校。