呂爭光

(濉溪縣第二中學(xué) 安徽 淮北 235100)

1 研究問題的提出

高中物理中有些論述模棱兩可、存在爭議，特別是涉及物理前沿的知識，我們教師該如何面對，是繞過還是在有可能的情況下帶領(lǐng)學(xué)生探究一番？為拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑，改變教師的思維方式和教學(xué)策略．此文采用行動(dòng)研究法對高中物理中兩道磁通量判斷題目進(jìn)行了課堂探究行動(dòng)研究嘗試，從而解決了此兩道磁通量判斷題目眾說紛紜的爭論．進(jìn)而說明高中物理課堂或課外也要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一些與學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的探究活動(dòng)，從而在真正意義上去提升學(xué)生的分析和判斷及推理、研究、證明的能力．

實(shí)施核心素養(yǎng)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的新型人才，已成為21世紀(jì)教育所面臨的重要任務(wù)．實(shí)施核心素養(yǎng)教育就要倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究式學(xué)習(xí)方式．科學(xué)精神被作為重要的理念強(qiáng)調(diào)，而且列入了新課程標(biāo)準(zhǔn)之中，這勢必對教學(xué)實(shí)踐產(chǎn)生重大影響．教學(xué)研究的重心正從知識傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，從重視結(jié)果向重視過程轉(zhuǎn)變．高中課程標(biāo)準(zhǔn)中提出了“提高科學(xué)素養(yǎng)、在課堂中開展探究性學(xué)習(xí)”的理念，即通過提倡探究式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自主科學(xué)探究能力，加強(qiáng)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識．然而，由于教育環(huán)境，特別是教師觀念還沒有轉(zhuǎn)變，由此又引發(fā)了一系列困惑、疑慮和擔(dān)憂．課堂是實(shí)施核心素養(yǎng)教育的主渠道，建構(gòu)探究式的教學(xué)模式，優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前教學(xué)改革的重要課題．在高中教學(xué)過程中，電磁感應(yīng)這一章，絕大多數(shù)教師都會(huì)碰到這樣兩道有關(guān)磁通量判斷的題目.

【例1】如圖1所示，當(dāng)一個(gè)線圈平面與條形磁鐵的軸線垂直，注意線圈套在磁鐵上，并且沿平行于軸線方向從磁鐵一端移到另一端的過程中，穿過線圈的磁通量是如何變化的呢？

圖1 線圈平面與條形磁鐵軸線垂直

【例2】如圖2所示，水平放置的扁平條形磁鐵，在磁鐵的左端正上方有一線框，線框平面與磁鐵垂直，當(dāng)線框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過程中，穿過它的磁通量的變化是( )

A．先減小后增大 B．始終減小

C．始終增大 D．先增大后減小

圖2 水平放置扁平條形磁鐵，上方有一線框

如果問線圈中的感應(yīng)電流方向，由楞次定律，感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化．因此，只要知道了磁通量的變化，便能判斷出感應(yīng)電流的方向，故歸根結(jié)底還是要判斷出磁通量如何變化．但是這兩道題目每個(gè)教師的看法卻不盡相同．

2 相關(guān)文獻(xiàn)和研究背景

根據(jù)建構(gòu)主義理論看來，社會(huì)發(fā)展某一階段的科學(xué)知識并不意味著終極答案，隨著社會(huì)的發(fā)展，肯定還會(huì)有更真實(shí)的解釋．更為重要的是，任何知識在為個(gè)體接收之前，對個(gè)體來說是沒有什么意義的，也無權(quán)威性可言．所以，教學(xué)不能把知識作為預(yù)先決定了的東西教給學(xué)生，不要以我們對知識的理解方式來作為讓學(xué)生接收的理由，用社會(huì)性的權(quán)威去壓服學(xué)生．學(xué)生對知識的接收，只能由他自己來建構(gòu)完成，以他們自己的經(jīng)驗(yàn)為背景，來分析知識的合理性．在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅要理解新知識，而且對新知識進(jìn)行分析、檢驗(yàn)和批判．

對于例1的情況，各種資料基本上都能予以統(tǒng)一的解釋．畫出條形磁鐵周圍的磁感線分布圖，因?yàn)闂l形磁鐵內(nèi)部的磁感線從S極指向N極，而外部磁感線從N極到S極．且內(nèi)部密集，外部相對較稀疏，在中間最稀疏．故在線圈處于條形磁鐵中間位置時(shí)，在線圈內(nèi)且在磁鐵外這一區(qū)域的磁感線較少，又因?yàn)榉謩e向兩個(gè)相反方向穿過同一個(gè)面的磁通量可以相互抵消．故在線圈處于條形磁鐵中間位置時(shí)磁感線抵消得少，即剩余的磁通量多．因此線圈位于條形磁鐵中間位置時(shí)磁通量大．用這個(gè)理論也很容易便能解釋：當(dāng)線圈套在條形磁鐵上且位于中央位置時(shí)，如將線圈面積擴(kuò)大，則磁通量抵消得多了．故合磁通量將減少；可總結(jié)為環(huán)套磁鐵，合磁通兩邊小，中間大，且環(huán)大合磁通將減小，若環(huán)無限大，則合磁通為零．

但用這個(gè)理論解釋例2題目時(shí)便出現(xiàn)了問題，因?yàn)榇藭r(shí)合磁通已無抵消情況．按照中間磁感線稀疏的結(jié)論，中間的磁通量應(yīng)該最少．然而，不少資料書卻給出了磁通量中間最大，持此種觀點(diǎn)的人認(rèn)為中間的磁感線和線圈平面垂直，而兩邊的不垂直，故中間的磁通量最大．

又查閱了不少資料，不少資料書對此避而不談，而通過網(wǎng)上檢索和收集的資料來看．認(rèn)為線圈位于條形磁體中間位置時(shí)磁通量大和認(rèn)為線圈位于條形磁體中間位置時(shí)磁通量小的都占有較大的比例，且眾說紛紜．為了搞清結(jié)果，決定親自帶領(lǐng)學(xué)生上了一節(jié)探究課，課題為“探究兩種情況磁通量的變化”，以期得到驗(yàn)證．

3 研究的目標(biāo)和重點(diǎn)

建構(gòu)主義認(rèn)為，理想的學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)當(dāng)包括情境、協(xié)作、交流和意義建構(gòu)4個(gè)部分．學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)習(xí)者對所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)．由元認(rèn)知理論可知，元認(rèn)知監(jiān)控是元認(rèn)知的主體，如果學(xué)生具有較高的元認(rèn)知水平，學(xué)生就能有效地對自己的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)節(jié)，能夠提高學(xué)習(xí)的效率．教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)習(xí)者建構(gòu)意義的情境是最重要的環(huán)節(jié)或方面；協(xié)作學(xué)習(xí)的過程就是交流的過程，交流對于推進(jìn)每個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)程，是至關(guān)重要的手段；意義的建構(gòu)是教學(xué)活動(dòng)的最終目標(biāo)，一切都要圍繞這種最終目標(biāo)來進(jìn)行．因此筆者把這節(jié)課的重點(diǎn)放在讓學(xué)生熟練運(yùn)用楞次定律，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的各要素及方法上面．

4 優(yōu)先研究的問題

從哪開始探究呢？經(jīng)過思考，筆者想起了剛學(xué)習(xí)過的楞次定律的研究過程．因?yàn)榇艌龊痛磐坎缓弥苯优袛啵憧赏ㄟ^感應(yīng)電流來間接研究．課本上也正是先判斷出電流表的指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向間的關(guān)系，再通過磁鐵和導(dǎo)體棒、螺線管分別作用使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，由電流表指針偏轉(zhuǎn)進(jìn)而倒推出感應(yīng)電流方向，最后再由右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的磁場，最后再和原磁場比較．總結(jié)出感應(yīng)電流的磁場與引起感應(yīng)電流的磁場(即原磁場)的關(guān)系．最后通過多次實(shí)驗(yàn)后才總結(jié)出感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，即楞次定律．

為此，筆者打算按以下思路進(jìn)行探究：先搞清電流方向與靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向間的關(guān)系，然后讓線圈和磁鐵發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流．再看感應(yīng)電流導(dǎo)致靈敏電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而倒推出線圈中感應(yīng)電流的方向．判斷出感應(yīng)電流的磁場，再根據(jù)楞次定律，即感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化確定線圈內(nèi)磁通量如何變化．這也是楞次定律的具體應(yīng)用，且可以加深學(xué)生對楞次定律內(nèi)容的理解．

5 行動(dòng)研究的具體實(shí)施過程

筆者先帶領(lǐng)學(xué)生研究第一種情況：用試觸法或連接成如圖3所示電路進(jìn)行判斷．

圖3 靈敏電流計(jì)與電源等連成回路.判定

當(dāng)電流從紅色線流入紅接線柱經(jīng)電流表黑接線柱流出時(shí)，靈敏電流計(jì)指針右偏．

再將線圈和靈敏電流計(jì)連成一個(gè)回路，如圖4所示，搞清線圈繞向和流入靈敏電流計(jì)電流而導(dǎo)致的電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系．用紅、黑兩種顏色分別接到紅、黑接線柱上，即從紅色線流入紅接線柱經(jīng)電流表黑接線柱流出而導(dǎo)致靈敏電流計(jì)指針右偏．

圖4 線圈和靈敏電流計(jì)連成的回路

然后研究此時(shí)線圈的兩面．從正面看去，若有電流應(yīng)為逆時(shí)針方向．則由右手定則可知感應(yīng)電流磁場則從背面指向正面，即垂直紙面向外．

開始試驗(yàn)，條形磁鐵水平放置，且左側(cè)為N極．將線圈從條形磁鐵最左側(cè)套上，移向中間，靈敏電流計(jì)指針左偏，電流為順時(shí)針，感應(yīng)電流的磁場向右，原磁場向左增加，或向右減少，深入分析知原磁場只能向左，故原磁場向左且在增加；將線圈從條形磁鐵中間移向右端，則靈敏電流計(jì)指針右偏，則電流經(jīng)過紅接線柱流進(jìn)電流表，線圈電流從正面看為逆時(shí)針，故感應(yīng)電流磁場向左，原磁場向左減少．這與理論解釋符合的很好．

有了第一種探究的思路和結(jié)論，又增加了學(xué)生的自信．筆者又帶領(lǐng)學(xué)生探究第二種情形，需要找到扁平條形磁鐵，故將幾個(gè)條形磁鐵并排放于實(shí)驗(yàn)桌上，將線圈放于條形磁鐵之上，從左端移到中間，靈敏電流計(jì)指針右偏，從紅色線流入靈敏電流計(jì)，此時(shí)電流從正面看為逆時(shí)針，所以感應(yīng)電流的磁場向左，又因?yàn)樵艌鱿蛴?，那么只能是磁通量增大；將線圈從條形磁鐵中間向右移動(dòng)的過程中，靈敏電流計(jì)指針左偏，即電流從黑色線流入靈敏電流計(jì)，電流從正面看為順時(shí)針方向，這種情況下感應(yīng)電流磁場方向向右，又因?yàn)樵艌龇较蛳蛴?，故磁通量減少．所以整體看來，當(dāng)線圈位于條形磁鐵上方且從左向右移動(dòng)的過程中，穿過線圈的磁通量先增大后減少，且中間的磁通量最大．

如此看來，這就和中間磁通量少相矛盾了．如何解釋呢？筆者又引導(dǎo)學(xué)生做了一些理論探究．在圖2中，線圈abcd運(yùn)動(dòng)方向基本和磁感線在同一面，可近似認(rèn)為不切割磁感線，而兩條與條形磁鐵平行的邊切割磁感線的豎直分量，如圖5所示．

圖5 分析用圖

由圖5可知，當(dāng)線圈從條形磁鐵左側(cè)移向中間時(shí)，ad邊向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生的電流方向?yàn)閺膁到c，bc邊向右運(yùn)動(dòng)切割此感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向從c到d．由圖5可知bc邊切割產(chǎn)生的感應(yīng)電流大，故整個(gè)線圈感應(yīng)電流為adcb方向，因此線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向水平向左，又因?yàn)樵艌龇较蛩较蛴?，由楞次定律可知磁通量?yīng)增大，同理當(dāng)線圈從條形磁鐵中間向右移動(dòng)的過程中，磁通量應(yīng)減少．

由實(shí)驗(yàn)和理論分析可知，兩種情況應(yīng)選用不同的模型來處理．然后，筆者又將學(xué)生分組，用此法來繼續(xù)研究，磁鐵、線圈模型中可能出現(xiàn)的另外幾種情況．如線圈平行條形磁鐵從遠(yuǎn)處靠近或遠(yuǎn)離磁鐵等情況．每組同學(xué)有記錄、有總結(jié)，有發(fā)言人．學(xué)生個(gè)個(gè)興趣盎然，討論激烈．最后匯報(bào)時(shí)個(gè)個(gè)充滿自信，體驗(yàn)了研究過程和獲得成功的快樂．

6 結(jié)論與建議

新時(shí)代我們的教育觀念正在轉(zhuǎn)型，即從“物理教學(xué)”走向“物理教育”；我們的課程內(nèi)容正在轉(zhuǎn)型，即從“學(xué)術(shù)形態(tài)”走向“教育形態(tài)”，我們物理教師的教學(xué)方式也面臨轉(zhuǎn)型，即從“知識重現(xiàn)”走向“知識重演” 為此，我們要關(guān)注物理知識的文化取向，開發(fā)物理知識的育人價(jià)值，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的知識為本的物理教學(xué)，走向核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教育．這就要求我們在開展物理知識教學(xué)的同時(shí)，將物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)，化大為小、變虛為實(shí)，自始至終貫穿在教學(xué)活動(dòng)之中，從而使物理教學(xué)過程成為學(xué)生核心素養(yǎng)的形成過程．通過兩道磁通量判斷題目的對比實(shí)驗(yàn)證明這一節(jié)課的教學(xué)嘗試，我們親身體驗(yàn)了未知結(jié)論式探究課堂教學(xué)帶來的變革，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、過程為主線、思維為中心、變式為手段，讓學(xué)生親身實(shí)踐去探索，教學(xué)觀念得到了更新，聽課教師對教學(xué)策略的認(rèn)識也提高了一大步，在新情境下教學(xué)策略運(yùn)用水平得到了極大的提高．這種行動(dòng)研究法使我們不斷地進(jìn)行旨在解決問題的自我反省、為教師成為研究者奠定了良好的基礎(chǔ)．

通過研究，我們更清楚地明確了課程改革的方向，對今后一些未知結(jié)論的問題也敢于大膽嘗試．因此，對于高中物理中某些有爭議的問題，作為教師應(yīng)勇敢面對，帶領(lǐng)學(xué)生去研究．也許因某種情況的制約可能得出錯(cuò)誤或不全面的結(jié)論．但學(xué)生在這一過程中所學(xué)到的科學(xué)研究方法和過程卻可以終身受用．這才是學(xué)習(xí)的真諦之所在．即重在過程、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、享受學(xué)習(xí)，并能體會(huì)到學(xué)習(xí)研究之快樂，才能真正提升學(xué)生的核心素養(yǎng)．