田陽陽

(儀征市第二中學(xué),江蘇 儀征 211400)

·教材與教法·

基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的“交變電流”教學(xué)案例

田陽陽

(儀征市第二中學(xué),江蘇 儀征 211400)

物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是教育教學(xué)發(fā)展的根本宗旨目標(biāo).學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成需要通過教育教學(xué)實(shí)踐得以落實(shí),本文以“交變電流”教學(xué)案例為例,探索了促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)養(yǎng)成的教學(xué)過程.

核心素養(yǎng)；交變電流；教學(xué)案例

1 設(shè)計(jì)宗旨

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實(shí)驗(yàn)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個(gè)方面的要素構(gòu)成[1].基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的“交變電流”教學(xué)案例凸顯實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維、創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境形成物理觀念、滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用[2].

2 教學(xué)過程

圖1

2.1 發(fā)電機(jī)

師:演示實(shí)驗(yàn).如圖1所示,展示一個(gè)繞有600匝線圈(漆包線)的泡騰片的包裝盒(管狀);盒內(nèi)裝有強(qiáng)磁鐵(課前裝好),線圈中接入了一個(gè)小燈泡;將磁鐵沿管方向來回?fù)u動(dòng).

生:觀察到小燈泡發(fā)光了.

師:猜猜管中是何寶物?為何搖動(dòng)時(shí)能使小燈泡發(fā)光?

生1:管中的寶物應(yīng)該是電池,電池給小燈泡供電,小燈泡發(fā)光.

生2:管中的寶物應(yīng)該是磁鐵,當(dāng)磁鐵在管中沿管方向來回運(yùn)動(dòng)時(shí),使閉合線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,小燈泡發(fā)光.

師:兩位學(xué)生的猜想都很合理,下面我打開包裝盒,我們親眼見證一下究竟是何寶物.取出寶物,讓寶物靠近教室大門時(shí),寶物緊緊地吸附在教室門上,如圖2所示.

生:寶物是磁鐵.

師:剛才演示的裝置其實(shí)就是一個(gè)發(fā)電機(jī),請(qǐng)同學(xué)們觀察,這個(gè)發(fā)電機(jī)由哪些部分構(gòu)成?

生:線圈、磁體.

師：實(shí)際上任何發(fā)電機(jī)都有2個(gè)核心部件：用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈(叫電樞)和用來產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極.

師:是不是有了線圈和磁極,就有電流產(chǎn)生呢?要產(chǎn)生電流,還需要什么要求?

生:不是;線圈和磁極要有相對(duì)運(yùn)動(dòng).

師:實(shí)際中,根據(jù)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的不同,將發(fā)電機(jī)分為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī).

圖3

師:下面我們來詳細(xì)了解一下實(shí)驗(yàn)室常見的旋轉(zhuǎn)電樞式手搖發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造[3，4](多媒體投影結(jié)構(gòu)圖如圖3所示).

師:除了磁極N、S和線圈abcd外,大家還可以觀察到什么結(jié)構(gòu)?

生:滑環(huán)K、L和電刷A、B.

師:它們的作用是什么?

生:討論交流達(dá)成共識(shí):使線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持與外電路的連接.

師:旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造與旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造相同嗎?

生:不同.旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)的線圈靜止不動(dòng),因此不需要滑環(huán)和電刷.

師:旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)相比,哪一種更優(yōu)秀?為什么?

生:討論交流達(dá)成共識(shí):旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)更優(yōu)秀，因?yàn)樾D(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)不需要滑環(huán)和電刷,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以避免電壓過高時(shí)發(fā)生火花放電,燒壞滑環(huán)和電刷;旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)受空間限制,線圈匝數(shù)不能太多,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不可能很高.

設(shè)計(jì)意圖:精彩的引入猶如交響樂曲的“引子”,能夠醞釀學(xué)生的情緒,漸入佳境.通過自制發(fā)電機(jī)教具開展演示實(shí)驗(yàn),為學(xué)生提供直觀、鮮明的感性材料,吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的好奇心,使學(xué)生產(chǎn)生興趣并形成最佳的心理狀態(tài),積極開動(dòng)腦筋猜想與思考,討論與交流,主動(dòng)獲取知識(shí).物理教學(xué)應(yīng)努力創(chuàng)設(shè)能夠激發(fā)學(xué)生好奇心,能夠促使學(xué)生積極順應(yīng)的物理情境,使物理課堂更具趣味性,讓學(xué)生感受物理學(xué)的美妙,進(jìn)而形成終身學(xué)習(xí)的意愿,促進(jìn)終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力的養(yǎng)成,體現(xiàn)物理學(xué)科教育在立德樹人中的作用[5].

2.2 交變電流與直流

圖4

師:演示實(shí)驗(yàn).搖動(dòng)手搖發(fā)電機(jī)(如圖4所示)對(duì)小燈泡供電,請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察,可以觀察到什么現(xiàn)象?

生:小燈泡一閃一閃發(fā)光.

師:說明了什么?

生:發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的大小是周期性變化的.

圖5

師:將發(fā)電機(jī)的兩個(gè)輸出端通過滑動(dòng)變阻器連接到0刻度在刻度盤中央的靈敏電流表的兩個(gè)接線柱上(如圖5所示),搖動(dòng)手搖發(fā)電機(jī),請(qǐng)同學(xué)們注意觀察電流表指針是如何偏轉(zhuǎn)的.

生:電流表指針左右擺動(dòng).

師:說明了什么?

生:發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的方向是周期性變化的.

師:波形圖是反映電壓或電流隨時(shí)間變化規(guī)律的圖形.我們常用示波器(讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)示波器)來觀察波形圖.下面我們用示波器觀察手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓的波形圖.

圖6

生:觀察到如圖6所示的電壓波形.

師:說明了什么?

生:發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓(電流)大小和方向做周期性變化.

師:大小和方向隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流,簡(jiǎn)稱交流(AC);而方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流(DC).

設(shè)計(jì)意圖:通過3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)充分地還原稀釋了交變電流的概念,化枯燥為生動(dòng),幫助學(xué)生形成清晰的表象,然后在表象的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷抽象、概括、分析和歸納的過程,最終幫助學(xué)生很好地建構(gòu)了交變電流的概念,并提升了學(xué)生的觀察能力、分析能力、邏輯思維能力,培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的熱情和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.基于我國(guó)對(duì)物理核心素養(yǎng)的界定,物理課堂教學(xué)過程必須從“知識(shí)傳遞”轉(zhuǎn)向“知識(shí)建構(gòu)”.只有在物理概念的建構(gòu)過程、物理規(guī)律的探索過程中,才能讓學(xué)生真切感受物理的思想方法,才能有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

2.3 交變電流的產(chǎn)生

師:工業(yè)上在產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來之后,對(duì)產(chǎn)品的性能特點(diǎn)必須全面了解.為了更好地利用這臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)出來的電,我們需要進(jìn)一步研究這種電流的產(chǎn)生過程.弄清電流大小、方向分別是如何變化的.

師:要研究電流的大小是如何變化的,我們需要什么理論工具?

生:法拉第電磁感應(yīng)定律.

師:要研究電流的方向是如何變化的,我們需要什么理論工具?

生:楞次定律，右手定則.

師:為了簡(jiǎn)單起見,我們將線圈簡(jiǎn)化為單匝線圈，且為了更好地幫助大家建構(gòu)線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)情景,我這里制作了一個(gè)模型教具,可以直觀地展示線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)情況.

生:2位學(xué)生到教室前面幫忙,將細(xì)線拉直,如圖7所示,形象展示了磁感線.

師:出示線圈模型,展示線圈共有4條邊,讓細(xì)線穿過線圈并轉(zhuǎn)動(dòng)線圈,如圖8所示.請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)觀察,線圈有幾條邊在切割磁感線?

生:2條.

圖7 自制磁感線模型

圖8 自制線圈模型

設(shè)計(jì)意圖:耳聞易忘,目睹為實(shí),躬親則明.利用生活中常見的材料,動(dòng)手制作直觀、形象、簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)模型教具,讓學(xué)生身臨其境,變抽象的空間分布為清晰的實(shí)物表象,可豐富他們的感性知識(shí),發(fā)展他們的認(rèn)知能力、抽象思維能力.學(xué)生在參與中突破了學(xué)習(xí)難點(diǎn), 產(chǎn)生了學(xué)習(xí)興趣,提升了關(guān)鍵能力.

師:交流發(fā)電機(jī)一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)過程的示意圖如圖9所示.

圖9

師:實(shí)際中,為了分析方便起見,我們需要把立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖.請(qǐng)同學(xué)們選擇合適的視角把立體圖甲→戊轉(zhuǎn)化為平面圖,并結(jié)合平面圖分析甲→戊這幾個(gè)特殊位置有什么特點(diǎn),填入表格.

生:繪制平面圖并填寫教師課前設(shè)計(jì)好的表格,結(jié)束后相互討論交流,達(dá)成共識(shí).結(jié)果如圖10及表1所示.

圖10

表1

師:從表格可見線圈每經(jīng)過1次中性面,電流方向改變1次.那么一個(gè)周期內(nèi)電流方向改變幾次呢?

生1:一個(gè)周期內(nèi)3次經(jīng)過中性面,所以電流方向改變3次.

生2:因?yàn)閳D甲、圖戊是同一個(gè)位置,一個(gè)周期內(nèi)只能算1次.如果認(rèn)為圖甲位置是一個(gè)周期的起始位置,則圖戊位置就應(yīng)該是下一個(gè)周期的起始位置,所以一個(gè)周期內(nèi)電流方向改變2次.

師:哪位同學(xué)的觀點(diǎn)更合理?

生:生2.

設(shè)計(jì)意圖:通過立體圖與平面圖的結(jié)合,培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力,空間想象能力.表格的設(shè)計(jì)使學(xué)生更清晰地看到在甲→戊幾個(gè)特殊位置磁通量、磁通量的變化率、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流的方向的特點(diǎn),從而總結(jié)規(guī)律,形成并理解中性面、最大面的概念.通過這樣的教學(xué)情境設(shè)計(jì),避免了知識(shí)以枯燥、呆板的形式傳授給學(xué)生,引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知需求,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),逐步提升學(xué)生化抽象為直觀,歸納演繹的科學(xué)思維能力.

圖11 矩形線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)

師:上面我們討論了幾個(gè)特殊位置感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的特點(diǎn),一般情況,線圈在非特殊位置,如圖11所示,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大呢?

設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,單匝線圈從中性面開始,繞垂直于磁場(chǎng)方向的中心軸沿逆時(shí)針方向勻速轉(zhuǎn)動(dòng),角速度為ω.線圈ab、dc邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1,ad、bc邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2,經(jīng)過時(shí)間t，

問題1:線圈與中性面的夾角θ為多大?

問題2:dc邊的線速度為多大?

問題3:dc邊的有效切割速度為多大?

問題4:dc邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大?

問題5:dc邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向如何?

問題6:ab邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與dc邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小關(guān)系如何?方向如何?

問題7:整個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大?

問題8:若實(shí)際線圈的匝數(shù)為N,整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多大?

問題9:若整個(gè)線圈(總電阻為r)和外電阻(阻值為R外)組成閉合電路,整個(gè)電路的總電阻為R,則電路中的感應(yīng)電流為多大? 路端電壓為多大?

師:e、i、u隨著時(shí)間按正弦規(guī)律變化,不同時(shí)刻有不同的數(shù)值,叫做瞬時(shí)值,Em、Im、Um叫做峰值.正弦交流電是應(yīng)用最普遍、最基本的交變電流.

設(shè)計(jì)意圖:了解學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平,圍繞教學(xué)目標(biāo),按一定的次序精心設(shè)計(jì)一組貼近學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的問題串,為學(xué)生提供主動(dòng)參與探索發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì),激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考和積極建構(gòu).在“問題串”的引領(lǐng)下,學(xué)生的思維能夠由表及里,由淺入深,循序漸進(jìn)，可以有效地分解教學(xué)難點(diǎn),同時(shí)提升學(xué)生理論分析的能力.實(shí)施核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué),需要教師轉(zhuǎn)變教學(xué)的價(jià)值觀念,運(yùn)用自己的教育智慧,將冰冷的學(xué)術(shù)結(jié)論動(dòng)態(tài)地、活潑地展示在學(xué)生面前,易于學(xué)生接受,從而提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生在問題的探索過程中真切感受物理的思想方法,逐步形成科學(xué)思維,有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

2.4 交變電流的圖像

師:由前面的表達(dá)式可得到正弦交變電流的電動(dòng)勢(shì)e、電流i和路端電壓u隨時(shí)間變化的圖像,如圖12所示.

圖12 正弦式交變電流的圖像

師:理論探究得到的是按正弦規(guī)律周期性變化的電流,而示波器顯示的電流雖然是周期性變化的,但是不按正弦規(guī)律變化(如圖6所示),這是什么原因呢?請(qǐng)大家分小組討論,形成共識(shí),并匯報(bào)成果.

生: 小組1:手搖發(fā)電機(jī)的線圈是繞在鐵芯上的,而理論分析時(shí)沒有鐵芯.

小組2:理論探究中假設(shè)的磁場(chǎng)是勻強(qiáng)磁場(chǎng),而實(shí)際手搖發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)不是勻強(qiáng)磁場(chǎng).

小組3:理論分析時(shí)假設(shè)線圈是勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的,而手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)很難做到勻角速度.

小組4:理論分析時(shí)用的是矩形線圈,而手搖發(fā)電機(jī)中的線圈并不是矩形的.

師:同學(xué)們通過討論找到了多種可能的原因,那么我們?nèi)绾闻袛嗾业降脑蚴欠裾_呢?

生:通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn).

師:能說說具體的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思嗎?

生:如圖13所示.

設(shè)計(jì)意圖:核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)要求我們?cè)诮虒W(xué)中不斷為學(xué)生提供面對(duì)問題、分析問題、解決問題的機(jī)會(huì),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,使學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)與研究中養(yǎng)成行為習(xí)慣,發(fā)展關(guān)鍵能力[7].創(chuàng)設(shè)理論探究結(jié)果與實(shí)際不一致的問題情境并組織學(xué)生小組討論,有助于培養(yǎng)學(xué)生與他人合作、溝通、交流的能力.通過小組討論交流,學(xué)生找到了引起不一致的多種原因,教師在課堂上不應(yīng)急于提供結(jié)論,而是引導(dǎo)學(xué)生找到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這一科學(xué)方法,來檢驗(yàn)自己的觀點(diǎn)是否正確.課堂傳授的物理知識(shí)學(xué)生終將遺忘殆盡,但解決問題的科學(xué)思維、科學(xué)方法將在學(xué)生心里銘刻深深的印記.這些知識(shí)背后更有價(jià)值的東西有助于學(xué)生今后去正確面對(duì)、決策所遇到的大量的非物理問題,為他們一生的文明、健康,高質(zhì)量的生活奠定基礎(chǔ)[8].

圖13

2.5 作業(yè)

師:交變電流的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展,給全人類帶來了福音.飲水思源,我們忘不了為交流電的發(fā)現(xiàn)做出巨大貢獻(xiàn)的偉人們,課后請(qǐng)同學(xué)們查閱資料,了解交流電之父:尼古拉·特斯拉的生平事跡[9].

設(shè)計(jì)意圖:物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求關(guān)注學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,科學(xué)家們探索、追求真理的事實(shí)與故事,包含著豐富的育人因素.通過對(duì)尼古拉·特斯拉生平事跡的學(xué)習(xí),感受其挫折中前進(jìn)、利益下淡然處之、世界前大愛無疆、生活中幽默樸實(shí)等獨(dú)特的人格魅力;感受其珍惜時(shí)間,任何情況下都不放棄自己熱愛的工作;感受其對(duì)科學(xué)一生不息的追求.[10]以尼古拉·特斯拉獨(dú)特的人格魅力、對(duì)科學(xué)的執(zhí)著精神為榜樣,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,獻(xiàn)身科學(xué)的探索精神,服務(wù)社會(huì)勇于擔(dān)當(dāng)?shù)墓袼仞B(yǎng),為適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ).

3 教學(xué)反思

物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)要求物理課程能夠?yàn)閷W(xué)生在今后工作和生活中面對(duì)未知問題時(shí)提供解決問題的思路和方法,是體現(xiàn)物理課程價(jià)值的必由之路.本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以教學(xué)活動(dòng)為依托,以學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展為指導(dǎo)思想展開.整個(gè)教學(xué)過程中,學(xué)生一直處于動(dòng)眼、動(dòng)腦、動(dòng)手、動(dòng)口的狀態(tài),教師只是提出問題,提供信息并作適當(dāng)?shù)膯l(fā)、點(diǎn)撥,學(xué)生自主探究、參與體驗(yàn)、交流合作、建構(gòu)概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律,最后學(xué)生不僅掌握了知識(shí),也在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到成功的快樂,掌握了科學(xué)的思維方法,發(fā)展了智力,培養(yǎng)了品格,提高了能力.通過對(duì)尼古拉·特斯拉生平事跡的學(xué)習(xí),相信一個(gè)癡迷于科學(xué)研究、挫折中前進(jìn)、利益下淡然處之、世界前大愛無疆、并始終堅(jiān)持從不放棄的科學(xué)家的形象已深深根植在學(xué)生的心靈深處,使學(xué)生的內(nèi)心受到強(qiáng)烈的震撼,以物理學(xué)家的人格魅力和智慧去滋養(yǎng)學(xué)生的心智,為培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意愿及世界前大愛無疆、超越國(guó)界造福人類的責(zé)任感打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

物理核心素養(yǎng)是公民基本素養(yǎng)的重要組成之一,是學(xué)生在物理課程中獲得的終身受益的學(xué)習(xí)成果,教師在課堂教學(xué)實(shí)踐中要積極探索、創(chuàng)設(shè)不同的情境,使學(xué)生在與不同情境的有效互動(dòng)中生成物理核心素養(yǎng).正如德國(guó)存在主義哲學(xué)家、神學(xué)家、精神病學(xué)家卡爾·西奧多·雅斯貝爾斯所言:“教育是人的靈魂的教育,而非理性知識(shí)的堆積.教育本身就意味著一棵樹搖動(dòng)另一棵樹,一朵云推動(dòng)另一朵云,一個(gè)靈魂喚醒另一個(gè)靈魂”.

1 曹義才.基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)表現(xiàn)性評(píng)價(jià)[J].物理教師，2016(7)：9-11.

2 張新華.教學(xué)設(shè)計(jì)視角:關(guān)注學(xué)生的物理核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué),2016(05):7-10.

3 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.物理選修3-2[M].廣州:廣東教育出版社,2007.

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