劉建新 楊亞麗

摘要：文章以初中物理滬科版“科學(xué)探究：電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)”為例，嘗試從五個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)”這一核心問(wèn)題進(jìn)行分解，闡述了用問(wèn)題推動(dòng)有效探究學(xué)習(xí)的具體思路。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究? 問(wèn)題? 線圈轉(zhuǎn)動(dòng)? 電動(dòng)機(jī)? 核心素養(yǎng)

科學(xué)探究活動(dòng)“電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)”先探究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理原理（磁場(chǎng)對(duì)電流的作用）;后又從物理走向生活，滲透STS（科學(xué)—技術(shù)—社會(huì)）理念，探究電動(dòng)機(jī)為何能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。涉及知識(shí)較抽象，對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)情況的分析需要有較強(qiáng)的空間感和動(dòng)態(tài)思維，是電磁學(xué)部分的教學(xué)難點(diǎn)。教師對(duì)于這類難度較大的探究課題要嘗試進(jìn)行課堂“供給側(cè)”改革，善于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，將探究課題進(jìn)行合理的分解，引導(dǎo)學(xué)生有效探究學(xué)習(xí)。

一、由表及里，提出“是什么在轉(zhuǎn)動(dòng)”，解剖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

千百年來(lái)，“蘋(píng)果落地”沒(méi)有多少人覺(jué)得奇怪，但牛頓卻陷入了沉思，發(fā)現(xiàn)了“萬(wàn)有引力”定律。電動(dòng)機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)，似乎不會(huì)引起學(xué)生的興趣，若教師給予恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，在無(wú)疑處設(shè)疑，那么電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)問(wèn)題就可以激發(fā)學(xué)生好奇心，觸發(fā)學(xué)生深度思考。片段設(shè)計(jì)如下：

播放一段電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的視頻。

提出問(wèn)題：關(guān)于電動(dòng)機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)，你有什么想了解的問(wèn)題，或者你最想知道的是什么？

師講述：你不覺(jué)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)很神奇嗎？電燈通電會(huì)發(fā)光，電熱器通電會(huì)發(fā)熱，而電動(dòng)機(jī)通電卻會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。（對(duì)比提問(wèn)的目的是啟發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)象的不同可能與用電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)）

總結(jié)學(xué)生疑問(wèn)，出示第一個(gè)探究活動(dòng)：探究電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果學(xué)生普遍缺乏對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面的思考，那么教師可繼續(xù)做如下引導(dǎo)：

我們只看到電動(dòng)機(jī)的軸在轉(zhuǎn)動(dòng)，那么連在這個(gè)軸上的又是什么裝置呢？輸入電動(dòng)機(jī)的電流在其內(nèi)部流過(guò)哪些元件？

一連串的發(fā)問(wèn)就是要激發(fā)學(xué)生對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的好奇，引導(dǎo)學(xué)生去探究電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

二、化繁為簡(jiǎn)，提出“線圈為什么會(huì)動(dòng)”，探究物理原理

由前面的探究可知，直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部主要由磁鐵和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈組成。線圈由靜變動(dòng)，說(shuō)明其受到了力的作用，學(xué)生會(huì)想到這個(gè)力可能就是磁體對(duì)通電線圈的作用，然后引出本節(jié)課的核心探究?jī)?nèi)容：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用。片段設(shè)計(jì)如下：

（1）師講述：研究表明，通電時(shí)電流會(huì)流過(guò)線圈，轉(zhuǎn)動(dòng)的也是通電線圈。通電前線圈靜止，通電后線圈運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明線圈受到了力的作用，那么這個(gè)力是誰(shuí)施加給線圈的？（學(xué)生多數(shù)會(huì)猜想是磁體或磁場(chǎng)）

（2）學(xué)生活動(dòng)：教師指導(dǎo)學(xué)生拆除電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁體后再給線圈通電，觀察線圈是否會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。（現(xiàn)象表明沒(méi)有磁體時(shí)通電線圈不能轉(zhuǎn)動(dòng)，即通電線圈不會(huì)受到使之轉(zhuǎn)動(dòng)的力。至此學(xué)生意識(shí)到他們的猜想可能是正確的，探究的熱情被瞬間點(diǎn)燃）

（3）師講述：對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，沒(méi)有磁體時(shí)，通電線圈不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明通電線圈轉(zhuǎn)動(dòng)可能是受到磁場(chǎng)的力的作用。線圈又由若干條直導(dǎo)體組成，若磁場(chǎng)對(duì)通電線圈有力的作用，那么磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體也可能有力的作用。一個(gè)有意義的探究課題便呼之欲出，師此時(shí)出示PPT（如圖1所示），引導(dǎo)學(xué)生對(duì)線圈組進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（4）出示課題：探究磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用。

通過(guò)上述思考及實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)對(duì)自己的猜想充滿期待，他們迫切希望發(fā)現(xiàn)真相。通過(guò)對(duì)線圈組的簡(jiǎn)化，將探究“磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用”轉(zhuǎn)化為探究“磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體的作用”，一個(gè)源于實(shí)驗(yàn)觀察、邏輯推理應(yīng)運(yùn)而生的問(wèn)題定會(huì)激起學(xué)生探究的欲望。

三、知識(shí)整合，提出“線圈的運(yùn)動(dòng)為什么是轉(zhuǎn)動(dòng)”，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型

關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”“平衡力”“牛頓第一定律”等知識(shí)。但學(xué)生運(yùn)動(dòng)觀念中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)更多的是平動(dòng)，線圈所做的運(yùn)動(dòng)是在安培力力矩作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)，中學(xué)物理教材中沒(méi)有針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)描述，不容易構(gòu)建一個(gè)受力轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型。所以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建線圈的運(yùn)動(dòng)模型，從理論上分析通電線圈做何種形式的運(yùn)動(dòng)是有意義的操作，課堂也更具有物理味。片段設(shè)計(jì)如下：

（1）師講述：如圖2a所示，線圈邊ab和邊cd的電流方向相反，根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體作用力方向與電流方向的關(guān)系可知，如果線圈ab邊受力方向向上，那么cd邊受力方向向下，這兩個(gè)力對(duì)于線圈的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？引導(dǎo)學(xué)生可將線圈看成學(xué)生較熟悉的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿（輪軸），嘗試畫(huà)出模型圖。

（2）演示：師出示圖2a對(duì)應(yīng)的線圈受力示意圖并標(biāo)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如圖3a所示。

（3）學(xué)生活動(dòng)：要求學(xué)生先分別作出圖2中b、c兩圖線圈所在位置受磁場(chǎng)力示意圖，標(biāo)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向;之后再要求學(xué)生作出下一平衡位置的受力圖（即圖3d），標(biāo)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

（4）提出問(wèn)題：根據(jù)作圖，分析可知線圈在磁場(chǎng)作用力下將如何運(yùn)動(dòng)？

基于學(xué)生掌握的杠桿知識(shí)提出上述問(wèn)題，并通過(guò)分析得出線圈如何運(yùn)動(dòng)（在平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)），合理滲透構(gòu)建模型這一研究物理問(wèn)題的方法，拓展了探究性學(xué)習(xí)的維度。通過(guò)上述活動(dòng)，學(xué)生意識(shí)到科學(xué)探究不僅僅局限在物理實(shí)驗(yàn)層面，構(gòu)建模型、理論分析也是科學(xué)探究的重要手段。此外，引導(dǎo)畫(huà)圖構(gòu)建模型，合理回避了對(duì)物理現(xiàn)象過(guò)多的生活化語(yǔ)言的描述，也為后面換向器的引入做了鋪墊。

四、理論推理，提出“如何讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)”，突破思維瓶頸

結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)模型，引導(dǎo)學(xué)生思考越過(guò)平衡位置的線圈要保持原來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，受力情況應(yīng)怎樣變化（對(duì)應(yīng)邊受力的方向應(yīng)與越過(guò)平衡位之前方向的相反），如何及時(shí)改變受力方向。片段設(shè)計(jì)如下：

（1）師講述：通電線圈越過(guò)平衡位置，想保持原來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以及時(shí)改變線圈對(duì)應(yīng)兩邊的受力方向，那么怎樣及時(shí)改變受力方向？

（2）學(xué)生討論：改變磁場(chǎng)方向或改變電流方向。

分析：師出示圖4，通過(guò)調(diào)換電源兩極位置，可及時(shí)改變線圈中的電流方向。

圖4 改變線圈中的電流方向

（3）提出問(wèn)題：什么樣的裝置才能自動(dòng)、及時(shí)地改變線圈兩端與電源兩極連接位置或者說(shuō)能及時(shí)改變線圈中的電流方向，從而使線圈可持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)下去？

至此，學(xué)生已經(jīng)知道了線圈轉(zhuǎn)動(dòng)以及線圈在平衡位置擺動(dòng)的原因，所以他們自然就想知道電動(dòng)機(jī)憑借什么樣的裝置能使其向某一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，探究性學(xué)習(xí)的熱情進(jìn)一步高漲。為滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需要，接下來(lái)可通過(guò)動(dòng)畫(huà)或教材圖片引導(dǎo)學(xué)生分析換向器的作用，明白了換向器的結(jié)構(gòu)及作用，學(xué)生就會(huì)感受到“技術(shù)”在科學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)踐中的重要性，學(xué)生的這一感受也成了探究性學(xué)習(xí)的一個(gè)附加成果。

五、反思現(xiàn)象，提出“線圈怎么會(huì)不轉(zhuǎn)”，讓核心素養(yǎng)落地

探究完直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理后，讓學(xué)生接通電動(dòng)機(jī)，設(shè)法改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向、快慢，觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并嘗試分析可能出現(xiàn)的故障。片段設(shè)計(jì)如下：

（1）師講述并布置任務(wù)：

通過(guò)學(xué)習(xí)，我們了解了直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。請(qǐng)大家將桌面上的模型電動(dòng)機(jī)（只有一組線圈）接入電路，設(shè)法改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。

（2）學(xué)生交流：

通過(guò)改變電流方向或磁場(chǎng)方向，可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向;通過(guò)改變電流大小或磁感應(yīng)強(qiáng)度，可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。

（3）師演示、引導(dǎo)：

邊演示邊講述：電動(dòng)機(jī)上有一對(duì)磁鐵，取下一個(gè)，電動(dòng)機(jī)還能轉(zhuǎn)嗎（學(xué)生會(huì)看到轉(zhuǎn)速變慢）？利用滑動(dòng)變阻器逐漸減小電流，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)變慢，那么當(dāng)電流很小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)不轉(zhuǎn)的可能嗎？

（4）提出問(wèn)題：

電動(dòng)機(jī)接入電路卻有可能不轉(zhuǎn)，你們認(rèn)為是什么原因？

（5）交流總結(jié)：

從受力角度分析，學(xué)生模型電動(dòng)機(jī)可能不轉(zhuǎn)是因?yàn)檗D(zhuǎn)軸處摩擦力較大，或者是因?yàn)榇艌?chǎng)對(duì)線圈的安培力較小或不受安培力。而安培力較小可能是電流較小、磁鐵磁性較弱等因素造成的，不受安培力可能是電流為0或磁體無(wú)磁性。還有一種特殊情況就是線圈處于平衡位置附近（雖然受安培力，但兩個(gè)力的合力矩較小，通過(guò)前面的受力分析，學(xué)生能夠理解），或者恰好處于平衡位置，線圈也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。那怎么辦呢？（有同學(xué)會(huì)想到可以用手輕輕推動(dòng)線圈，讓其離開(kāi)平衡位置）

（6）提出問(wèn)題：

為了避免電動(dòng)機(jī)通電前線圈恰好處于平衡位置而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象，請(qǐng)給直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提一個(gè)建議，最后的問(wèn)題也是從技術(shù)角度思考電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題，學(xué)生再一次感受到科學(xué)理論與技術(shù)協(xié)同發(fā)展的重要性。通過(guò)思考、推理、分析而獲得的這些問(wèn)題讓科學(xué)探究有清晰的內(nèi)容和目的，也為探究性學(xué)習(xí)輸入不竭的動(dòng)力，問(wèn)題形成的過(guò)程也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的過(guò)程。

結(jié)語(yǔ)

就物理學(xué)科而言，探究性學(xué)習(xí)的目的既包括獲得知識(shí)技能、建立相應(yīng)的物理觀念，又包括關(guān)注情感與態(tài)度等非智力因素的培養(yǎng)。探究性學(xué)習(xí)的載體是一個(gè)個(gè)物理問(wèn)題，只有恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題才能激發(fā)學(xué)生的探究欲望，使學(xué)生樂(lè)意探究、真實(shí)探究，探究性學(xué)習(xí)才會(huì)成為硬核，最終促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]束炳如.義務(wù)教育教科書(shū)·物理·九年級(jí)全一冊(cè)[M].上海：上海科技出版社，2013（11）.

[2]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2000.