POE和PBL教學策略下的物理實驗探究
——以楞次定律為例

柳 佳

(蘇州中學園區校高中部 江蘇 蘇州 215000)

1 問題的提出

物理教學不能僅限于學生獲得知識,也應重視物理課程對學生物理學科核心素養的培養.應將“物理觀念”“科學思維”“科學探究”等落實于教學活動中[1].但在實際的物理教學中,特別是對于探究性實驗的內容,部分教師不探究,直接給出結論;部分教師“假”探究,只是按照教材的既定步驟講述一遍,沒有把注意力集中在以學生為主體,讓學生萌發問題、觀察現象、收集信息、處理數據等,從而運用邏輯推導和現有知識進行科學論證和解釋,違背了核心素養的要求.

2 POE和PBL的概念

POE是Predict-Observe-Explain的縮寫.它是從學生理解科學的探究方法中演化而來,建立在“觀察滲透”理論哲學觀念和建構主義、前概念、概念轉變等教育理論基礎上的一種教學策略.該策略的基本程序是創設情境、學生預測、演示觀察、(教師引導)學生解釋.

PBL是Problem-Based-Learning的縮寫.它是指以問題為導向,強調在真實情境中以學生為主體、教師為主導、問題為導向來開展教學活動,其基本程序是創設情境、提出問題、尋找證據、解釋評估.

POE和PBL教學策略的共性都是在創設的情境中,以學生探究為主,教師引導為輔.PBL強調以問題為導向,開展學習,評估交流.POE側重從實驗入手,學生觀察,最終解釋實驗現象[2].筆者認為若將POE和PBL兩者結合,可以培養學生具有準確表述問題,解決過程與結果的意愿和能力,將科學探究能力的培養滲透在物理教學的整個過程中,避免虛假形式的物理探究.

3 緊扣課程標準 設計探究實驗

3.1 提出問題 確定探究主題

在高中物理“楞次定律”的實驗探究課中,可先通過教材中的實驗裝置(圖1),讓學生自己動手體驗如何使靈敏電流計指針發生偏轉,并通過實驗發現,不同的磁極插入和抽出線圈產生的電流方向不同.此舉目的是創設真實情境,激發學生的好奇,進而提出問題,即感應電流的方向和哪些因素有關,確定課堂探究學習的主題.

圖1 體會感應電流產生過程

3.2 演示觀察 收集信息

為了更加直觀地觀察到實驗現象,筆者對教材提供的實驗裝置進行了改進.如圖2和圖3所示,在自制的輕質小車上纏繞上500匝左右的銅質線圈,將兩個不同顏色的發光二極管正負極相反并聯在線圈上,如圖4所示.

圖2 改裝后的輕質小車

圖3 強磁鐵

圖4 線圈中電流方向判斷

利用強磁鐵抽出、插入線圈,引導學生觀察實驗現象,進而讓探究活動真實地發生.

在具體實施時,筆者認為可以以任務為驅動,設計問題鏈如表1所示.以資源為載體、思維為主線、行為為中心展開探究.

表1 實驗記錄表

3.3 結果分析 交流評估

在表1中記錄探究實驗現象,引導學生分析感應電流的方向和哪些因素有關.

學生討論:與車運動的方向無關,與二極管的發光情況無關,與原磁場的方向無關,與磁通量的變化無關.

至此,探究似乎陷入絕境.筆者繼續啟發學生,從力的角度考慮小車運動的原因,引導學生分析線圈中有感應電流產生,而感應電流也會產生磁場,相當于磁體,和原來的強磁鐵之間由于同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引的作用而致使小車運動起來.這樣就順理成章地請學生們討論感應電流的磁場方向與表中其他信息的關聯,最終得到楞次定律的結論,如圖5所示.

圖5 感應電流產生過程

筆者認為,通過改進的探究實驗,以層層遞進的問題為導向,可以有效避免教科書中原實驗關于“感應電流的磁場”這個概念提出的突兀性,拒絕形式主義假探究.

3.4 提出引領性問題 深度學習

在得出楞次定律的結論之后,筆者認為,可以通過進一步創設情境,提出問題,引導學生深層次討論楞次定律的特點,實現POE教學策略和PBL問題導向下的深度學習.

問題提出：

(1)“阻礙”是指感應電流的磁場總與原磁場方向相反?

(2)可否將“阻礙”更換成“阻止”?

(3)如圖6所示,光滑導軌上有兩根導體棒ab、cd,當豎直向下的勻強磁場B在增大時,試判斷導體棒ab、cd所受的安培力的方向.

圖6 判斷導體棒安培力方向

學生在分析第(3)問討論安培力方向時,很容易產生困惑:究竟是原磁場B還是感應電流產生的磁場B′會對感應電流產生安培力的作用呢,如圖7所示.

圖7 受力分析

教師可以以此為契機,明確物理概念,即力是物體與物體間的相互作用,感應電流產生的磁場B′是不可能對電流本身產生力的作用的.教師繼續引導學生觀察導體棒ab、cd所受的安培力的方向與磁通量變化的關系,得到關于阻礙的深層理解.

總結1：回路面積有擴大或縮小的趨勢,“增縮減擴”.

重新回到前述小車的實驗現象中分析,當強磁鐵S極向右插入小車線圈時,小車向右運動,黃色二極管亮,線圈中產生順時針方向感應電流,如表1中第4列.嘗試引導學生利用產生的安培力方向解釋小車運動的結果,如圖8所示.

圖8 分析線圈安培力

利用微元法的思想,研究線圈頂端一小段導線的受力情況,如圖9所示.頂端處導線有垂直于紙面向外的感應電流,故而受到垂直于磁場方向的斜向右下方的安培力F,按照作用效果可以將此安培力分解為水平向右的分力F1和豎直向下的安培力分力F2.其中F2使小車的線圈有面積收縮的趨勢,深化了上述阻礙的第一個深層理解.另外,F1使小車向右運動起來.這樣我們就引導學生得到了阻礙的第二個深層理解.

圖9 頂部線圈安培力方向

總結2：就運動而言,“阻礙”相對運動,有“來拒去留”的特點.

在《普通高中物理課程標準(2017年版)》中,新增了從能量守恒的角度看楞次定律,而這種能量的轉化與守恒關系是通過“阻礙”作用具體體現出來的,這也是對楞次定律更深層的認識.筆者認為,這時仍舊可以利用POE和PBL教學策略,在問題導向下,通過創設情境,層層啟發,從而收獲結論.

設計“落磁”實驗,如圖10所示.把兩根長為1m,口徑相同的空心鋁管和塑料管豎直放置,分別將圓柱形小磁鐵(直徑略小于管口內徑)從管口上端由靜止釋放,比較兩管中小磁鐵下落的快慢情況.

圖10 比較強磁鐵在管中的下落時間

學生很容易從實驗現象中發現,小磁鐵在塑料管中幾乎做自由落體運動,但在鋁管中下落時,時間明顯變長.學生此時已經可以從前述分析中知道,小磁鐵在鋁管中下落,鋁管中產生感應電流,感應電流產生的磁場與下落磁鐵的磁場方向相反,磁鐵受到對其向上的斥力阻礙其下落造成運動時間變長,順便再一次強化了“來拒去留”的特點.筆者認為,教師可以繼續深挖,提問.眾所周知,在自由落體運動中,磁鐵機械能守恒,重力勢能轉化為動能,那么鋁管中的小磁鐵的能量是如何轉化的呢?減少的重力勢能是否全部轉化為動能?如果沒有,那么其余的能量去哪里了呢?此情景下,學生自然很容易想到鋁管中有感應電流,電流產生熱量,轉化為了內能.這種能量的轉化與守恒關系正是通過“阻礙”具體體現出來的,這時學生很容易理解楞次定律的深刻意義了,即感應電流沿著楞次定律所述的方向,是能量守恒定律的必然結果.

4 教學思考和總結提升

筆者認為,物理學科是一門以實驗探究為基礎的自然科學課程,融合了觀察、實驗、理論思維以及數學方法的應用.如果不做實驗,傾全力于“理論思維”的物理深度教學都是畸形的,制約著課程理念的落實.物理認知體系是以實驗探究為載體,以“探究行為”為核心,格物致理,知(物理認知)行(探究行為)合一.

筆者利用POE教學策略和PBL問題導向,對楞次定律開展了一次科學探究的嘗試.以教材為基礎,以學生為主體,創設真實實驗情境,激發學生學習興趣,觀察、記錄、討論實驗結果,尋找有價值的問題作為導向,在教師的層層指引下,從而完成關于楞次定律的深度學習.深度學習不是知識難度的加深,容量的堆砌,它是主體思維的真實參與過程,是知識結構重組與理解深化的過程.作為教師,要引導學生在科學探究的過程中提出具有引領價值的問題,讓學生感受物理學之美,體會學習樂趣,獲得學習成就感.