發現式教學在物理磁學教學中的應用

李曉瑩 黃樹清

摘 ? 要：對于物理學科來說，培養學生善于發現問題、積極進行科學探索的能力與意識，比學生單純記背每一個物理知識點更具長遠意義。發現式教學是各學科教學中廣泛采用的教學方法，能有效發展學生的邏輯思維能力和自我效能感。本文從發現式教學的指導思想出發，在其基本步驟的指導下，得到切實可行的安培力教學設計。

關鍵詞：教學設計;發現式教學;安培力

引言

“發現法”是美國教育學家、心理學家布魯納提出的一種教學方法，不僅是一種教法，也是一種學法[ 1 ]。布魯納認為，“發現法”是學生在學習情境中通過主動探索來尋找獲得問題答案的學習方式，在發現的過程中教師要為學生提供必要的指導[ 2 ]。發現式教學的指導思想是教師通過設計問題情境，以學生為認識的主體，啟發學生思考，從而發現事物的本質及規律[ 3 ]。其基本步驟可以概括為：創設情境;鼓勵猜想;檢驗假設;驗證結論;總結問題。

《普通高中物理課程標準（2017版）》中提到：“科學探究能力的培養，應滲透在物理教學的整個過程。無論是物理知識的教學，還是物理問題的解決，都要引導學生發現和提出問題，根據解決問題的需要收集和選擇有用信息，基于證據和邏輯對問題作出合理解釋[ 4 ]。”這啟示著教師在教學中，應該創造適當的問題情境，訓練學生的思維能力和科學探索能力，讓學生經歷發現知識的過程。發現式教學的思想正能滿足這種需要。磁學部分知識是高中物理學習的重點和難點，本文以安培力教學為例，從發現式教學的指導思想和基本步驟出發，為發現式教學融入物理教學提供一種可行的思路。

1 ?應用發現式教學的教學設計

由于課本中的實驗（通電導線在U型磁鐵的作用下發生一段位移）在之前“磁場”的學習時已經出現過，現象較簡單，不易引起學生的興趣。本文采用另一個安培力教具（成品如圖1，組成部件如圖2）進行教學，該教具由一個擰成心形的銅線圈（如圖3）、正極凹陷的干電池（用釘子和錘子將正極輕輕砸凹，以便固定線圈）和幾個釹磁鐵組成（如圖4）。本節教學設計旨在充分利用作為引入的演示實驗，使其貫穿整節課堂，維持學生較高的學習興致的同時，讓學生以“研究實驗，發現真理”的方式，學習系統的知識，發展科研相關能力。

圖1 ?教具成品 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 ?線圈組成

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖3 ?線圈細節圖

圖4 ?電池與釹磁鐵俯視圖

1.1 ?設置情境，提出學生感興趣的問題

[環節要求] 情境的創設和呈現是發現式教學過程的首要環節[ 5 ]。發現式教學要求教師創設有益于學生進行發現學習的問題情境和課堂氛圍，利用學生對物理現象的好奇，引導學生提出或教師提出具有一定思維含量的有效問題，為后續學生進行發現學習創造優質土壤。

[教學片段1]

實驗操作：（1）將釹磁鐵吸在電池負極，（可以找一個平整的鐵蓋，將磁鐵吸在鐵蓋上，便于拿下講臺供學生觀察）;（2）將心形線圈輕放在電池上，觀察現象。

實驗現象：心形線圈開始順時針轉動（俯視）。

提出問題：為什么線圈會轉起來？

學生回答：因為受到力的作用。

師：沒錯，我們學過牛頓第一定律，知道力是改變物體運動狀態的原因。線圈會從靜止到開始轉動，一定是受到了某個力的作用。

學生產生疑問：這個力并不是我們之前學習過的力，那這個線圈受到了什么力的作用？

教師介紹安培力：線圈是受到了安培力的作用。安培力是指通電導線在磁場中受到的力，認真觀察的同學就能發現線圈接觸到了電池的正負極，并且處在釹磁鐵產生的磁場中。

繼續提出問題：為什么線圈受到安培力之后不是向左、向右或是向上、向下地被“彈開”，而是開始旋轉？為什么是順時針而不是逆時針？

[環節意義]

利用線圈被輕放后自己轉動起來的現象，調動學生學習動機，讓學生以問題解決的思路展開學習，既引導學生回顧舊知，又能讓學生思考是什么力使線圈轉動，進而向學生介紹安培力。通過情境的創設和問題的引導，可以讓學生在一種積極愉悅的心境下學習，啟發學生如何針對現象提出問題，有效培養學生的觀察能力和質疑能力。

1.2 ?根據實驗，鼓勵學生思考問題原由

[環節要求] 發現式教學賦予教師“學生學習的引導者”角色，在學生意識到問題存在之后，引導學生深入思考問題，根據實驗條件和已有知識經驗對問題進行嘗試解答或猜想。不同的學生對同一個問題的思考方向肯定會不同，教師需要有較好的時間把控和對學生注意力把控的能力，及時對學生的回答進行點撥與反饋，重視學生的錯誤解答。

[教學片段2]

思考的問題一：為什么線圈受到安培力之后不是向左、向右或是向上、向下地被“彈開”，而是開始旋轉？

學生回答：通過受力分析可知，線圈沒有向上或向下運動，說明豎直方向線圈受力平衡;線圈繞著電池旋轉，說明有力作用在心形線圈的一側或兩側。

思考的問題二：為什么是順時針而不是逆時針？安培力的方向可能由哪些因素決定？

引導學生思考：力的方向與力的性質和概念密切相關。例如，彈力是形變物體要恢復原狀時對接觸的物體產生的力，因此彈力總是由接觸面指向物體能夠恢復原狀的方向;重力是地球對其表面附近物體的引力，是二者之間萬有引力的分力，因此忽略地球自轉時，可看做重力總是指向地心。

學生猜想：安培力的定義是通電導體在磁場中受到的力，因此線圈受到的安培力方向可能與線圈中電流的方向、線圈所處在的磁場方向有關;又因為物理量的大小不能影響物理量的方向，所以與線圈的形狀、電流大小、磁場大小無關。

[環節意義] 許多學生對物理現象的興趣容易停留在對實驗現象上，而沒有進一步思考以探求其原因的心理傾向。經過這個環節的教學，培養學生積極探索的興趣，啟發學生如何進行合理猜想，掌握科學推理的方法，為下一步驗證猜想做好鋪墊。

1.3 ?設計實驗，實踐上驗證作出的猜想

[環節要求] 物理是基于觀察與實驗的學科，實驗是猜想與真理之間的重要橋梁。在發現式教學過程中，在學生對問題原由做出猜想之后，教師要引導學生設計能夠驗證猜想的實驗，讓學生經歷實驗驗證的過程，及時給學生提供必要的指點。

[教學片段3]

思考問題：要怎么驗證我們的猜想（電流方向、磁場方向與安培力的方向有關）。

設計實驗：若是保持其他條件不變，電流方向的改變導致線圈的旋轉方向改變，就能證明電流的方向與安培力的方向有關;同理，也能證明磁場的方向與安培力的方向是否有關。列出實驗表格（如表1）。

表1 ?實驗表格

進行實驗，得到實驗結果。

[環節意義] 控制變量法是學生初中就學習并要求掌握的重要實驗方法。本環節要求學生根據問題條件檢索已學的實驗方法，能想到大概的實驗設計思路。環節難度適中，挑戰性和勝任力同在，有利于維持學生學習動機、對訓練學生科學設計實驗以得到問題答案的能力和意識有重要意義。

1.4 ?理論教學，為發現過程提供理論支持

[環節要求] 有效的發現式教學需要一定學習資料的支撐，要避免學生過重的信息加工負擔[ 5 ]。發現式教學主張教師在引導學生發現的同時也要對學生進行知識的講授，為學生發現的過程提供理論幫助，方便學生確定問題的原由。讓學生發現能夠發現的，講授學生能夠理解的，減少學生的畏難心理，保證教學的質量和效率。

[教學片段4]

師：實驗結果告訴我們：安培力的方向與磁場的方向有關系，也與導線中的電流方向有關。而科學家當然不止步于知道安培力的影響因素，他們還總結出了安培力方向與電流、磁場方向的關系——左手定則，以判斷具體情況中安培力的方向。

介紹左手定則，并運用左手定則判斷兩道簡單的例題（如圖5）。

圖5 ?運用左手定則判斷安培力方向例題

再分析實驗：安培力為什么讓線圈繞著電池旋轉？

教師指導學生先將實驗中電流I及磁場B方向標出，用左手定則判斷線圈上M、N點（如圖6）的安培力F方向，并講解答案（如圖7）。

[環節意義] 在教學中滲透科學家們鍥而不舍只為真理的精神，能夠讓學生在快速獲取科學家得到的結論的同時，感受科學探索的精神、價值與意義。用簡單例題檢測左手定則的掌握后，回歸對實驗現象的分析，讓學生體會運用所學解決疑難的成就感，提升學生進行發現學習的熱情。

1.5 ?總結學習，理解掌握知識應用情境

[環節要求] 發現式教學不只是一種講課方式，更應該是屬于學生的一種學習方式，教師要盡可能讓學生掌握這種發現式的學習方法，簡單回顧問題解決的過程，引導學生將所學的課本知識和發現學習方法應用到相似的物理或非物理的場景中去，幫助學生建立比較穩定的運用知識主動發現的心理傾向。

[教學片段5]

師：在前面的學習中，通過心形線圈受力開始轉動的現象，學習了安培力的定義;通過研究線圈旋轉的方向，學習了影響安培力方向的因素和左手定則。類似研究安培力方向的方法，是不是能驗證安培力的大小與哪些因素有關呢？

生：可以，由于磁場、電流、導線長度都具有大小，可以通過更換磁鐵、更換電池，更換線圈，以改變磁場、電流以及導線長度大小，記錄時間和旋轉圈數以比較線圈旋轉的快慢。

教師簡單介紹安培力大小的影響因素的研究方法，讓有興趣的學生課后實驗，并介紹安培力計算公式。

[環節意義] 發現式教學的應用不只為了讓學生獲得物理學已經發現的知識，更為了讓學生獲得獨立進行科學發現的能力，去發現人類還未發現的知識。隨著學生能夠主動應用發現學習，學生的獨立思考能力和邏輯思維能力得到發展，主動進行發現學習、科學探索便能逐漸成為他們終生學習的人生態度[ 2 ]。

2 ?結束語

這個飛速發展著的社會要求人們擁有終身學習的能力。教育應該給學生們帶來的，不是在校時“做了多少題”，更需要培養學生在實際生活中能夠“解決多少問題”的能力。發現式教學能在保證系統知識學習的前提下，讓師生模擬科學發現過程[ 6 ]，發展學生的多維能力，培養學生尊重科學、熱愛科學的態度與價值觀，從而實現提升教育教學質量的目的。最后，沒有一種教學方法是“普適”的，教師應當注意根據不同學科性質、教學內容、學生程度等方面的特點合理選用不同教學方法，讓教學方法真正服務于教與學。

參考文獻：

[1] 陳忠煜.在物理教學中應用探究發現法[J].福建教育學院學報，2004（3）：69-70.

[2] 齊春霞，王培三，梁曉露.“發現教學法”在初中化學教學中的應用[J].安徽化工，2020，46（6）：133-136.

[3] 陳蘭莉，郭新峰，王生釗.布魯納的發現法在物理教學中的應用研究[J].海峽科技與產業，2016（7）：142-143.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 周中云.試論發現式學習的有效途徑[J].教育探索，2004（7）：32-34.

[6]金守強.“發現法”在物理教學中的應用[J].沈陽師范學院學報（自然科學版），2000（1）：71-73.