朱新梅 孫玉玲 軒銘浩 吳金花

摘 要：目前，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)已經(jīng)成為初中物理教學(xué)目標(biāo)之一。文章借助無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的生活化實(shí)驗(yàn)的案例設(shè)計(jì)，探討了如何利用初中生活化實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，希望能給廣大教師提供一些借鑒。在初中物理教學(xué)中，教師應(yīng)重視核心素養(yǎng)的培養(yǎng)并將之運(yùn)用到教案設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，讓學(xué)生形成正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，為其今后的學(xué)習(xí)和生活打好必要的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);初中物理;生活化實(shí)驗(yàn);無(wú)支架電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：G420? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-9192（2021）36-0021-04

引 言

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才的綜合素質(zhì)提出了新要求。初中生正處于形象思維向抽象思維過(guò)渡的階段，對(duì)物理現(xiàn)象非常好奇。生活化實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程滲透相應(yīng)的物理學(xué)知識(shí)，能使學(xué)生進(jìn)一步理解日常生活中常見(jiàn)現(xiàn)象背后所蘊(yùn)含的物理知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、科學(xué)探究能力及科學(xué)思維能力。

電與磁的關(guān)系是初中物理教學(xué)中一個(gè)非常重要的內(nèi)容，有許多文獻(xiàn)都討論了電動(dòng)機(jī)在初中電磁學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[1]。但是，從培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度來(lái)探討如何利用自制的無(wú)支架電動(dòng)機(jī)進(jìn)行生活化實(shí)驗(yàn)的研究的相關(guān)文獻(xiàn)還比較少。本文借助對(duì)無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)情況的生活化實(shí)驗(yàn)，初步探討了如何在初中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的核心素養(yǎng)。

一、生活化實(shí)驗(yàn)概述及應(yīng)用價(jià)值

生活化實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生在熟悉的生活情境中自己動(dòng)手操作完成有趣的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中潛移默化地提升動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新精神。有學(xué)者指出，生活化實(shí)驗(yàn)具有深度可研究性、低成本可獲得性、教學(xué)靈活性的鮮明特征。借用“借物用物”“自組物件”“自制改進(jìn)”“創(chuàng)造發(fā)明”等進(jìn)階式途徑，利用生活中的物品進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，能讓生活化實(shí)驗(yàn)真正走進(jìn)日常課堂。

如何讓學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)成為物理課程的組成部分，讓學(xué)生將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢碇R(shí)與日常生活的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，讓書(shū)本物理轉(zhuǎn)化為生活物理，讓學(xué)生從生活到物理再到生活，創(chuàng)造一種人性化的教學(xué)環(huán)境，讓初中物理教學(xué)生活化、情境化，成為眾多教育界人士和相關(guān)學(xué)者深入研究的課題。生活化實(shí)驗(yàn)是利用生活中常見(jiàn)的物品進(jìn)行的一類體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性、簡(jiǎn)易性特點(diǎn)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)[2]。有學(xué)者認(rèn)為，在生活化實(shí)驗(yàn)的要求下，初中物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的器材應(yīng)盡可能選自日常生活，從學(xué)生熟悉的生活場(chǎng)景中尋找促進(jìn)實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展的物品，將相對(duì)抽象的物理問(wèn)題以熟悉的物品進(jìn)行直觀展現(xiàn)。如此，學(xué)生才能從認(rèn)知、情感上更認(rèn)可這樣的教學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)的參與度。生活化物理實(shí)驗(yàn)為系統(tǒng)研究基于生活環(huán)境資源來(lái)開(kāi)展的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了一個(gè)窗口，也為以新視角審視物理實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值提供了新的路徑。

借助生活化實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)是一項(xiàng)很有意義的實(shí)踐活動(dòng)，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理觀念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提高學(xué)生觀察、分析、操作等科學(xué)探究能力，從而使學(xué)生形成正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任[3]。

二、基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的生活化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

現(xiàn)代化生活中有很多家電。電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等都離不開(kāi)電動(dòng)機(jī)，然而電動(dòng)機(jī)的工作原理是什么呢？電風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速為什么能調(diào)節(jié)快慢呢？接下來(lái)，就從無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的生活化實(shí)驗(yàn)開(kāi)始對(duì)電動(dòng)機(jī)工作原理的探究之旅吧。

實(shí)驗(yàn)儀器：2節(jié)1.5V電池，10節(jié)紐扣磁鐵，銅導(dǎo)線（如圖1）。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）把銅導(dǎo)線彎曲成不同形狀，如圖2所示。（2）把磁鐵盤吸在電池的負(fù)極，如圖3所示。（3）把不同形狀的銅線的一部分放置于電池的正極，另一部分與電源負(fù)極的磁鐵良好接觸。觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：不同形狀的銅線都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是不同形狀的線圈轉(zhuǎn)的快慢不一樣;有兩條邊的銅線圈比一條邊的銅線圈轉(zhuǎn)得更快，如圖4所示。

因?yàn)橐粭l邊的銅導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性不太容易控制，所以下面的探究實(shí)驗(yàn)都采用兩條邊的銅線圈。

【探究1】線圈為什么能轉(zhuǎn)動(dòng)？

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，線圈的兩端必須與電池的正極和下面的磁鐵接觸良好，另外必須有磁鐵。如果線圈的上端脫離了電池的正極，或者下端沒(méi)有接觸與電池負(fù)極相連的磁鐵，線圈就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這是為什么呢？在電路教學(xué)中，學(xué)生都知道導(dǎo)線是不允許與電池正負(fù)極直接相連的，但是實(shí)驗(yàn)所采用的銅線還是有一定阻值的，所以短暫時(shí)間的連接是可以的。另外，教師可以讓學(xué)生摸一摸轉(zhuǎn)動(dòng)后的線圈，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)線圈有一點(diǎn)發(fā)燙。線圈發(fā)燙是電流熱效應(yīng)的反映，這充分說(shuō)明了當(dāng)線圈的兩端與電池的正極和下面的磁鐵接觸良好時(shí)線圈里通了電。教師要引導(dǎo)學(xué)生思考電路要形成通路的條件，讓學(xué)生加深對(duì)電路各元件接觸良好是形成電路通路的必要條件的理解，否則，線圈里就沒(méi)有電流，線圈就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生形象直觀地認(rèn)識(shí)到磁場(chǎng)對(duì)電流產(chǎn)生作用力的條件，幫助學(xué)生加深對(duì)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力這一物理觀念的理解。另外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生從能量和相互作用的角度來(lái)理解通電線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的本質(zhì)是電池的電能轉(zhuǎn)化為線圈的動(dòng)能。

最新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將物理觀念作為課程的重要目標(biāo)之一。物理觀念是根植于人們的頭腦中的，即使遺忘了物理知識(shí)，但相應(yīng)的物理觀念仍能長(zhǎng)存于學(xué)生的頭腦中，并影響他們對(duì)世界的看法、行為和解決問(wèn)題的方式。所以，在初中物理教學(xué)中，教師要重視物理知識(shí)的學(xué)習(xí)到形成物理觀念的引導(dǎo)，利用生活化實(shí)驗(yàn)探究幫助學(xué)生通過(guò)多方位實(shí)踐和參與來(lái)形成物理觀念。

【探究2】用同樣是兩條邊的線圈，怎樣讓線圈轉(zhuǎn)得更快些？

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用兩節(jié)電池時(shí)轉(zhuǎn)得更快，如圖5所示。這就說(shuō)明了電流越大，線圈所受的磁場(chǎng)力越大。當(dāng)電池節(jié)數(shù)相同時(shí)，磁鐵越多轉(zhuǎn)得越快，如圖6所示。這就說(shuō)明了磁場(chǎng)越強(qiáng)，線圈所受的磁場(chǎng)力越大。通過(guò)這兩組實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生可以直觀地理解線圈所受的磁場(chǎng)力大小與電流大小和磁場(chǎng)強(qiáng)弱是正相關(guān)的。這樣的探究有助于學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力的定量關(guān)系，可以很好地實(shí)現(xiàn)從初中物理定性或者半定量的研究到高中物理定量研究的有機(jī)銜接。這些實(shí)驗(yàn)探究方式有助于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和科學(xué)探究能力的提高。

【探究3】怎樣讓線圈反轉(zhuǎn)？

教師可以讓學(xué)生將磁鐵上下極交換，如圖7所示;也可以將電池正負(fù)極交換，如圖8所示。 這一組探究活動(dòng)說(shuō)明線圈所受的磁場(chǎng)力是有方向的，并且磁場(chǎng)力的方向與電流的流向和磁場(chǎng)的方向都有關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)不變時(shí)，改變電流的方向可以改變線圈所受磁場(chǎng)力的方向，這不僅很好地解釋了初中物理教材上演示的有支架的直流電動(dòng)機(jī)為什么要安裝電刷，還可以采用控制變量的方法演示磁場(chǎng)力的方向不僅與電流方向有關(guān)，還與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。這兩組實(shí)驗(yàn)探究充分說(shuō)明了磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力是有方向的，有利于學(xué)生更好地理解“力的方向是力的三要素之一”這一知識(shí)點(diǎn)，幫助學(xué)生形象直觀地理解力的方向?qū)ξ矬w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的物理觀念的理解。

上述探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以總結(jié)出磁場(chǎng)力的相關(guān)因素：要有磁鐵激發(fā)磁場(chǎng);要有電源且導(dǎo)線要通電;磁場(chǎng)越強(qiáng)或者電流越大，磁場(chǎng)力越大;磁場(chǎng)力的方向和磁場(chǎng)方向與電流流向有關(guān)。

在完成上述探究活動(dòng)后，結(jié)合初中物理教材中直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，教師可以幫助學(xué)生更深刻地理解直流電動(dòng)機(jī)模型的主要部件的功能，從而更熟練地完成直流電動(dòng)機(jī)模型的安裝。結(jié)合上述無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的探究，學(xué)生可以清楚地理解，在直流電動(dòng)機(jī)模型中，當(dāng)磁場(chǎng)固定時(shí)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢與電流大小正相關(guān);當(dāng)磁場(chǎng)方向不變而電流方向改變時(shí)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變。所以，直流電動(dòng)機(jī)中為了保證線圈能夠一直沿單一方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要安裝換向器來(lái)改變線圈中的電流方向。

另外，教師還可以拓展教學(xué)內(nèi)容，告訴學(xué)生生活中常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)一般都是交流電動(dòng)機(jī)，可以不用換向器，而直接利用交流電的特點(diǎn)，保證線圈在磁場(chǎng)中的電流方向會(huì)隨時(shí)根據(jù)線圈的相應(yīng)位置而發(fā)生改變。結(jié)合生活中常用電器的電動(dòng)機(jī)，教師可以提問(wèn)學(xué)生：“電風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)速是怎么來(lái)調(diào)節(jié)的？”然后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合剛才探究實(shí)驗(yàn)中線圈轉(zhuǎn)速變化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)情況進(jìn)行猜想：電風(fēng)扇中磁鐵是固定的，磁場(chǎng)大小和方向也不能改變，所以可以改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸所連線圈的電流大小。教師還可以進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：怎樣改變電流大小呢？是類似于實(shí)驗(yàn)中增加電池節(jié)數(shù)嗎？顯然不是，風(fēng)扇所連接的電壓是恒定的，這在家庭電路中已經(jīng)學(xué)過(guò)了。在電壓恒定的情況下怎么調(diào)節(jié)電流呢？學(xué)生自然就會(huì)想到歐姆定律中電流和電壓的關(guān)系，通過(guò)改變電風(fēng)扇中跟線圈相連的電路中的電阻來(lái)改變線圈中的電流，從而改變線圈所受的電磁力的大小，這樣就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)電風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)速的目的。借助無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)探究，可以直接過(guò)渡到直流電動(dòng)機(jī)模型的課堂教學(xué)內(nèi)容，再拓展到生活中常見(jiàn)家用電器的電動(dòng)機(jī)的使用，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)態(tài)度。

通過(guò)簡(jiǎn)易無(wú)支架電動(dòng)機(jī)的探究實(shí)驗(yàn)和電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的討論，不僅能讓學(xué)生通過(guò)溫故知新掌握融會(huì)貫通的學(xué)習(xí)方法，還可以訓(xùn)練學(xué)生掌握由現(xiàn)象到本質(zhì)的科學(xué)思維方式，培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)。另外，還可以激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)際生活中電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)的好奇，進(jìn)一步引導(dǎo)他們?nèi)チ私馍钪须妱?dòng)機(jī)的工作原理、電動(dòng)機(jī)的研發(fā)歷史、不同電器中電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等，從而踐行從生活走向物理、從物理走向社會(huì)的教學(xué)理念，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的目的。

結(jié)? 語(yǔ)

電和磁的關(guān)系是初中物理一個(gè)很重要的內(nèi)容。由于電和磁的理論內(nèi)容比較抽象，初中物理對(duì)磁場(chǎng)作用于通電導(dǎo)線的作用力的大小和方向的相關(guān)因素不做過(guò)多的定量研究。但是一切電和磁關(guān)系背后的本質(zhì)都可以歸結(jié)到力的作用，所以教師可以利用生活化實(shí)驗(yàn)探究的方法，將電和磁的力學(xué)本質(zhì)豐富多彩地展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生在變化多端的實(shí)驗(yàn)操作中，潛移默化地掌握電和磁的本質(zhì)，讓學(xué)生順其自然地窺探到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后所隱藏的物理觀念。類似這樣的生活化實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，不僅可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，還可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行科學(xué)探索的精神和動(dòng)態(tài)的科學(xué)思維能力，讓他們今后碰到類似的問(wèn)題時(shí)懂得從不同的角度去分析和比較。生活化實(shí)驗(yàn)探究可以作為培養(yǎng)初中生核心素養(yǎng)和有效銜接初高中物理教學(xué)的重要途徑。筆者希望本文介紹的基于核心素養(yǎng)的無(wú)支架電動(dòng)機(jī)生活化實(shí)驗(yàn)的案例設(shè)計(jì)，能給廣大教師提供一些借鑒，讓教師在初中物理教學(xué)中重視對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，并將其運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，尤其在實(shí)驗(yàn)課上培養(yǎng)學(xué)生勇于探究的科學(xué)精神、理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)態(tài)度，為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展和終身學(xué)習(xí)打好必要的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李紅權(quán).新課程背景下高中物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].數(shù)理化解題研究，2021（33）：64-65.

[2]王立武.高中物理實(shí)驗(yàn)的多元化教學(xué)舉措分析[J].基礎(chǔ)教育論壇，2021（32）：23-24.

[3]范忠明.高中物理課堂中演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究[J].文理導(dǎo)航，2021（11）：2.

基金項(xiàng)目：本文系2019年揚(yáng)州大學(xué)科技創(chuàng)新培育基金項(xiàng)目“六夸克態(tài)的結(jié)構(gòu)研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：2019CXJ014）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：朱新梅（1978.10-），女，江蘇如東人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，理學(xué)博士。

孫玉玲（1996.8-），女，吉林榆樹(shù)人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2021級(jí)學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè)研究生在讀。

軒銘浩（1998.3-），男，黑龍江大興安嶺人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級(jí)學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè)研究生在讀。

吳金花（1996.11-），女，貴州凱里人，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2019級(jí)學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè)研究生在讀。