游天下

(慈溪市庵東實(shí)驗(yàn)學(xué)校 浙江 寧波 315300)

通電線圈教學(xué)安排在通電直導(dǎo)線之后，以往的教學(xué)中更多關(guān)注導(dǎo)線的彎曲，沒有從內(nèi)在電流、磁性的關(guān)系進(jìn)行知識(shí)延續(xù).對(duì)于科學(xué)史實(shí)、磁場(chǎng)方向的判定缺少應(yīng)有的質(zhì)疑，停留在被動(dòng)的接受知識(shí).實(shí)驗(yàn)過程指向過于明確，錯(cuò)失很多生成性問題的探究.本文結(jié)合“通電線圈”部分教學(xué)環(huán)節(jié)，從培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、釋疑能力分享一些自身的教學(xué)行為.

1 通電線圈磁性強(qiáng)弱的影響因素

1.1 現(xiàn)狀認(rèn)識(shí)

學(xué)生能較容易地細(xì)說通電線圈磁性強(qiáng)弱的影響因素有電流大小、線圈匝數(shù)、是否有鐵芯.缺少對(duì)線圈的線徑、疏密、鐵芯大小、材質(zhì)等因素的深層次探究.從而對(duì)該結(jié)論的理解深度不夠，探究思維的發(fā)散不足.遇到試題生搬硬套，解決實(shí)際問題的能力得不到有效鍛煉.目前很多試題也缺乏對(duì)學(xué)生深度認(rèn)知能力的考查，部分試題本身就錯(cuò)誤地認(rèn)為只要鐵芯和線圈中電流大小相同時(shí)，線圈匝數(shù)越多，線圈磁性越強(qiáng).對(duì)于科學(xué)方法的考查體現(xiàn)在對(duì)于3個(gè)影響因素控制變量法及轉(zhuǎn)換法的運(yùn)用.探究問題一再重復(fù)，缺乏新意，最后硬生生地成為了一種記憶強(qiáng)化.

1.2 理論分析

多匝通電線圈是由一系列環(huán)形線圈連接形成.每一匝環(huán)形線圈中的電流產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，多匝環(huán)形線圈的磁場(chǎng)由于電流方向一致，磁場(chǎng)強(qiáng)弱得到疊加.但這種疊加對(duì)外顯現(xiàn)出的磁性強(qiáng)弱自然受到線圈長(zhǎng)度的影響.如果多匝線圈在越短的長(zhǎng)度內(nèi)疊加，則在磁極處顯現(xiàn)的磁場(chǎng)就會(huì)越強(qiáng)，反之線圈繞制越疏，則疊加后的磁性越弱.所以從理論角度分析，線圈匝數(shù)對(duì)線圈磁性強(qiáng)弱的影響，需要在單位長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行比較更為合理.鐵芯的插入，能被電流磁場(chǎng)所磁化，相當(dāng)于在電流磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上多了一個(gè)磁體，自然可以增強(qiáng)磁性.

1.3 實(shí)驗(yàn)剖析

電流大小及是否有鐵芯對(duì)通電線圈磁性強(qiáng)弱的影響實(shí)驗(yàn)很常見.筆者嘗試的實(shí)驗(yàn)主要是關(guān)于線圈匝數(shù)及繞制的疏密對(duì)磁性強(qiáng)弱的影響.下面以同一電路，通過改變線圈繞制的疏密及匝數(shù)來探究磁性強(qiáng)弱，部分實(shí)驗(yàn)記錄如下.圖1是在鐵釘上疏繞8匝線圈，多次實(shí)驗(yàn)，平均吸引輕小墊片4枚.而圖2是在鐵釘上密繞8匝線圈，多次實(shí)驗(yàn)，平均吸引輕小墊片8枚.圖3則是在鐵釘上疏繞4匝線圈，多次實(shí)驗(yàn)，平均吸引輕小墊片4枚.圖1，2對(duì)比可知，線圈的繞制疏密程度會(huì)影響它的磁性強(qiáng)弱，單位長(zhǎng)度上越密，磁性越強(qiáng).圖1，3對(duì)比可知，線圈匝數(shù)不同、繞制疏密程度相同，磁性強(qiáng)弱可以相同.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論，當(dāng)其他條件相同時(shí)，單位長(zhǎng)度上線圈的匝數(shù)越多，通電線圈的磁性越強(qiáng).

圖1 鐵釘上疏繞8匝線圈

圖2 鐵釘上密繞8匝線圈

圖3 鐵釘上疏繞4匝線圈

對(duì)于這一問題的描述，部分版本教材做如下表述.人教版物理教材，電流一定時(shí)，外形相同的螺線管，匝數(shù)越多，電磁鐵的磁性越強(qiáng).華師大版科學(xué)教材，單位長(zhǎng)度上的線圈匝數(shù)越多，磁性越強(qiáng).浙教版科學(xué)教材，通電螺線管的線圈匝數(shù)越多，磁性越強(qiáng).筆者認(rèn)為前兩種版本的教材表述更為嚴(yán)謹(jǐn).

2 質(zhì)疑精神及質(zhì)疑點(diǎn)

2.1 質(zhì)疑精神

初中物理核心素養(yǎng)包含3個(gè)維度，6個(gè)方面，18個(gè)要點(diǎn).其中文化基礎(chǔ)這一維度包含科學(xué)精神方面，科學(xué)精神的3要點(diǎn)之一為批判質(zhì)疑[1].全面發(fā)展的人需要必備的文化基礎(chǔ)，不僅僅是單純的從書本上獲得科學(xué)知識(shí)，還包括科學(xué)精神、探究能力和創(chuàng)新思維.如果沒有質(zhì)疑，思維難以得到發(fā)散，發(fā)現(xiàn)問題的能力得不到提升，就難以從書本中獲得超越基本知識(shí)本身的價(jià)值[2].自然界是不斷發(fā)展變化的，人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)也在不斷的進(jìn)步，很多真理都是在質(zhì)疑的探究中不斷得到發(fā)展完善.沒有質(zhì)疑精神的物理課堂，既不能深化對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也不能讓學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到體現(xiàn).因此,我們有必要在備課的過程中，盡可能地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行質(zhì)疑，在質(zhì)疑中強(qiáng)化教學(xué)效果，提升學(xué)生核心素養(yǎng)[3].

2.2 質(zhì)疑安培定則

2.2.1 質(zhì)疑科學(xué)史實(shí)

1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特，在一次演講中偶然發(fā)現(xiàn)當(dāng)一根鉑絲與伽伐尼電池接通后，放在附近的磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，由此反復(fù)研究發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).這一科學(xué)史在各版本的教材中都有介紹.但隨即各教材就介紹用安培定則來判定磁場(chǎng)的方向.此處應(yīng)該要有質(zhì)疑，奧斯特的發(fā)現(xiàn)怎么突然跳到安培定則了呢?教材在此對(duì)安培也沒有詳細(xì)的介紹.

2.2.2 質(zhì)疑磁場(chǎng)方向判定

對(duì)于利用右手判定磁場(chǎng)的方向，學(xué)生應(yīng)該是有疑惑的.判斷直線電流的磁場(chǎng)，用右手握住直導(dǎo)線，大拇指指向電流方向，四指指向就是磁場(chǎng)環(huán)繞的方向.判斷通電螺線管的磁場(chǎng)，四指指向電流的方向，大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極.兩次大拇指指向的含義不同，很多學(xué)生在此后的練習(xí)中也經(jīng)常出錯(cuò).此處該有的質(zhì)疑聲沒有得到解決，這為后面的出錯(cuò)埋下了隱患.平時(shí)教學(xué)過程中，對(duì)于安培定則一、二，教師的教學(xué)目標(biāo)時(shí)常會(huì)定位到能利用安培定則準(zhǔn)確判斷磁場(chǎng)的方向.因?yàn)槟繕?biāo)的確立，在講述安培定則時(shí)就成了介紹一個(gè)類似廣播操的動(dòng)作要領(lǐng)，記住，會(huì)用就好.鮮有的質(zhì)疑聲可能也會(huì)被遏制.

2.3 質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)結(jié)論及應(yīng)用

文中提到的通電線圈磁性強(qiáng)弱的影響因素.很多學(xué)生對(duì)自己的探究結(jié)論深信不疑，教師也很開心，因?yàn)榭偹阃ㄟ^探究得到了想要的結(jié)論.在多年的教學(xué)、聽課、交流過程中，沒有聽到類似的質(zhì)疑，也沒有發(fā)現(xiàn)類似的實(shí)驗(yàn)探究.教材和教師過于明確的指向，往往會(huì)埋沒了學(xué)生的質(zhì)疑.如果遇到試題有類似的探究往往不知所措，難以從更高的層次提升自己的科學(xué)素養(yǎng).電磁鐵在生活生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，對(duì)于電磁鐵的特點(diǎn)，應(yīng)該要引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑鐵芯材料、形狀的選擇等.

3 釋疑能力及方法

3.1 查閱資料 釋疑科學(xué)史實(shí)

有些質(zhì)疑，本身難度不大，往往只是因?yàn)樵搯栴}沒有被拋出，通過查閱資料，相互交流幾乎可以自行解決，形成共識(shí).學(xué)生查閱電磁科學(xué)史，可以找到以下史料.“頓牟掇芥，磁石引針”，人們很早就發(fā)現(xiàn)電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象存在相似性.但是相似并不等于本質(zhì)上有聯(lián)系.17世紀(jì)初，吉爾伯特就斷言，電與磁之間沒有因果關(guān)系，庫(kù)侖也持同樣的觀點(diǎn).1800年伏打發(fā)明了電堆，電學(xué)從靜電走向動(dòng)電，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使人們有可能從各方面研究電流的各種效應(yīng).丹麥物理學(xué)家奧斯特，他信奉康德的哲學(xué)，認(rèn)為自然界各種力可以相互轉(zhuǎn)化，不認(rèn)同電與磁無聯(lián)系的主流觀點(diǎn).他嘗試著從電流方向上尋找磁效應(yīng)，結(jié)果都失敗了，因?yàn)殡娏鲗?duì)磁體的作用不是縱向的，而是橫向力.1820年4月，奧斯特在作有關(guān)電和磁的演講時(shí)，嘗試將磁針放在導(dǎo)線的側(cè)面，正當(dāng)他接通電源時(shí)，他發(fā)現(xiàn)磁針輕微晃動(dòng)了[4].經(jīng)過他之后的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).

奧斯特的發(fā)現(xiàn)立刻引起了安培的注意，使他長(zhǎng)期信奉庫(kù)侖關(guān)于電、磁沒有關(guān)系的信條受到極大震動(dòng).他重復(fù)了電流對(duì)磁針作用的實(shí)驗(yàn)，兩周后就提出了磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流方向的關(guān)系及右手定則的報(bào)告，以后這個(gè)定則被命名為安培定則.他還把導(dǎo)線擰成了螺旋狀，制造了第一個(gè)螺線管，以便認(rèn)識(shí)對(duì)放在它內(nèi)部的磁針的作用.隨后安培又研究了兩平行載流導(dǎo)線的作用規(guī)律，相同方向的平行電流彼此相吸，相反方向的平行電流彼此相斥，提出了分子電流假說.為了定量研究電流間的相互作用，安培設(shè)計(jì)了4個(gè)極其精巧的實(shí)驗(yàn)，得到普遍的電動(dòng)力公式，為電動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)[4].筆者認(rèn)為奧斯特的偉大在于在主流的思想下，還能堅(jiān)持自己的想法，不斷嘗試，最終第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).安培的偉大則是尊重科學(xué)事實(shí)，改變自己最初的想法，認(rèn)同奧斯特的觀點(diǎn)，進(jìn)一步深入研究了電流的磁效應(yīng)，為電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展作出卓越貢獻(xiàn).這段關(guān)于奧斯特和安培的科學(xué)史實(shí)，體現(xiàn)了科學(xué)家們尊重科學(xué)事實(shí)，追求真理，不斷質(zhì)疑，反復(fù)修正的過程.既能幫助學(xué)生釋疑一些科學(xué)發(fā)展過程，更能從科學(xué)家的經(jīng)歷感受到崇高的科學(xué)精神.

3.2 啟發(fā)引導(dǎo) 釋疑磁場(chǎng)方向判定

利用右手判斷通電直導(dǎo)線和通電螺線管的磁場(chǎng)方向，學(xué)生一直存在困惑.教師在處理教材過程中，沒有完成從直到曲的本質(zhì)過渡.基本上利用慣性思維，通電直導(dǎo)線周圍有磁場(chǎng)，彎曲后也自然有磁場(chǎng).介紹方向判定，也以告知操練的形式來鞏固.兩種方法判定實(shí)際上是相通的，解釋難度較大，但我們可以啟發(fā)學(xué)生從通電線圈結(jié)構(gòu)上分解，然后從判定上合成.通電線圈可以分解成多個(gè)環(huán)形電流，一個(gè)環(huán)形電流可以看成多段小直線電流組成.一個(gè)環(huán)形電流方向時(shí)刻在變，電流方向沿環(huán)某點(diǎn)的切線方向.每一段小直線電流可以利用安培定則一判斷出在環(huán)形電流中心軸線上的磁場(chǎng)方向，合成起來就得到了環(huán)形電流中心軸線的磁場(chǎng)方向，再合成所有的環(huán)形電流就得到了通電線圈的磁場(chǎng).引導(dǎo)學(xué)生利用分解、合成，可以從本質(zhì)上理解直到曲的變化，理解判定方法的運(yùn)用，體現(xiàn)了科學(xué)思維的培養(yǎng)[5].

3.3 實(shí)驗(yàn)探究 釋疑實(shí)驗(yàn)結(jié)論及應(yīng)用

結(jié)論的釋疑，需要教師細(xì)心觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn).也許在學(xué)生的操作過程中，就能發(fā)現(xiàn)因線圈繞制疏密所引起的磁性強(qiáng)弱差異.而這些學(xué)生的結(jié)果常不好意思與大家分享，因?yàn)橘|(zhì)疑的勇氣早已被同學(xué)及課本的結(jié)論給壓制，生怕受到老師的批評(píng).這些現(xiàn)象存在的根本原因在于教師不善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，沒有提供分享質(zhì)疑的平臺(tái).久而久之課堂教學(xué)就朝著教師既定的方向進(jìn)行.發(fā)掘質(zhì)疑，創(chuàng)造質(zhì)疑，需要教師形成正確的教學(xué)觀念，重視真探究，關(guān)注探究過程中出現(xiàn)的差異，善于分析解惑.

根據(jù)科學(xué)結(jié)論，工程上制成了電磁鐵.要得到一個(gè)更實(shí)用的電磁鐵，我們又要做哪些方面的考慮呢？如鐵芯要易磁化，為此我們把鐵芯制成條形或蹄形.要實(shí)現(xiàn)電流通斷控制磁性的有無，鐵芯材料消磁要快，為此一般用軟鐵或硅鋼做鐵芯材料.這些問題也是對(duì)課本探究?jī)?nèi)容的深化，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到從科學(xué)結(jié)論到科學(xué)應(yīng)用還需要有更多的考慮.具體過程也可以通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)比較不同材料的性能，釋疑材料的選擇.

當(dāng)然質(zhì)疑絕不是不經(jīng)大腦思考的瞎懷疑，瞎提問，而應(yīng)該是站在更高的立場(chǎng)看待一個(gè)更新的問題.教師要善于提煉、創(chuàng)造質(zhì)疑，引發(fā)更多的探討.在釋疑的過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的能力，查資料，小組討論，請(qǐng)教師長(zhǎng)，在解決一個(gè)問題的過程中學(xué)會(huì)了解決更多的問題.在質(zhì)疑、釋疑過程中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，真正地提升自己的核心素養(yǎng).