素养提升:基于问题解决的物理实验探究

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

陈金贵 林炳煌

摘   要:本文以“探究感应电流的方向”教学为例,从问题情境、方案创新、实验优化等方面展示学生思维为主要教学环节,阐述在该实验课教学中如何培养学生“科学探究”核心素养的具体优化策略。

关键词:问题解决;实验探究;素养提升

基于问题解决的课堂教学是以问题解决作为中心目标的物理教育活动,尤其是物理实验课,可以在实验探究活动中促进“科学探究”等素养的提升。为改革课堂教学形态,提高教学实效,更应突出对“问题解决”教学与学习过程的设计。

1  基于问题解决旨向“科学探究”素养的教学实践

1.1  案例“探究感应电流的方向”设计的流程:

1.2  创设情境,提出问题

教师演示如图1所示的实验,一根轻杆的两端固定着A、B两只很轻的铝环。A环闭合,B环开口,轻杆可绕中心轴自由转动。

当它们处于静止状态时,让条形磁铁的任一极靠近A环,发现A环会背离该磁极的方向运动;磁极靠近B环时却不会发生这种现象。这究竟是为什么呢?

学生观察实验现象,结合法拉第发现电磁感应现象的过程,联系所学的知识,对现象进行思考、讨论。

教师引导学生发现A环被推斥或被吸引的现象,说明A环中会产生感应电流,感应电流会产生磁场,磁体对电流的磁场会有力的作用。而A环被推斥或被吸引取决于A环中感应电流的方向,那么感应电流的方向遵循什么规律呢?引出课题:探究感應电流的方向。

此教学环节趣味实验引入,巧妙设疑,引发认知冲突,吸引学生注意力并积极思考,营造教学氛围和教学情境,从而使学生形成相应的物理观念。

1.3  形成假设,确定方案

对比图1实验,结合给定的器材设计方案1。

方案1:条形磁铁在相对合环运动时,有吸引和排斥现象,说明感应出电流。把微电流传感器两接线柱分别接在开环的两端,条形磁铁靠近或远离时从屏幕上可以看出也有感应电流产生。通过安培定则或者微电流传感器电流脉冲的方向来确定感应电流的方向。

从方案1的探究中可以获得事实经验:感应电流的效果总是阻碍相对运动(与磁极无关)。教师再引导学生发现在一些情况下,没有相对运动,没有明显的作用效果,也会有感应电流,让学生意识到用阻碍相对运动这种方法的局限性,那么引起产生感应电流的原因是什么?可以从磁通量的变化来考虑问题,接下来是为找寻磁通量与感应电流方向的关系设计了方案2。

方案2:若大线圈不动(相当于环固定),开关S闭合或断开的瞬间,或滑动滑动变阻器,小线圈的磁场在变化,则大线圈中将产生感应电流,通过给定的器材寻找磁通量与感应电流方向的关系。

方案的确定,是深化学生对感应电流概念、阻碍概念的认识。也是基于问题解决展示学生思维为主要课堂教学环节的落实。课堂主要教学活动是以学生为中心进行互动,学生自己思考和讨论,有助于促进学生能力的发展,科学思维素养得以提升。

1.4  实验探究,得出规律

科学探究1:探究感应电流的效果总是阻碍相对运动。学生先按要求连接好电路,通过干电池试触,观察并确定屏幕上的脉冲电流跟电流流入接线柱方向的关系。接下来根据给定的器材(计算机、微电流传感器、数据采集器、数据线、双铝环、开关、导线若干),按方案1要求连接好电路,通过实验探究并填写实验表格1。

学生实验探究感应电流的效果,得到阻碍相对运动,认识到磁场之间的作用,进一步提炼为感应电流的磁场总是起到阻碍“相对运动”的作用。

科学探究2:探寻磁通量与感应电流方向的关系。学生根据给定的器材(计算机、微电流传感器、数据采集器、数据线、学生电源、滑动变阻器、原副线圈、开关、导线若干),按要求连接好电路,根据方案2进行实验探究并填写实验表格2。

学生通过实验探究,借助实验现象入手,从磁通量变化的角度出发,体会阻碍磁通量的变化。让学生用简短的语言总结感应电流的磁场方向遵循的规律。在交流的互动思维活动中,培养学生的归纳能力,得到楞次定律。

2  案例反思与总结

“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素[ 1 ]。本案例是基于问题解决促进物理学科核心素养提升的教学实践,重点体现的是物理实验探究的基本思路和操作流程。在教师的引导下,让学生学会提出科学问题、获取证据、作出解释、表达交流,实现“科学探究”核心素养的落地。

2.1  理解的深度:从原点开始

本节课是在前面所学感应电流的产生条件的基础上进行知识的延伸。本节课从实验创设问题情境,对比实验,增加关于感应电流的效果,体验“阻碍”,认识到磁场之间的作用,这不难理解,重点在于落实“问题、证据、解释、交流”等要素。尤其是通过DIS数字信息系统使探究过程简单、直观、快速有效,通过对图表的分析让学生体会阻碍磁通量的变化,总结归纳得出楞次定律的内容。所以,教师必须引领学生从原点开始,逐渐深入分析,在实践中逐渐感悟,深度理解,把建构物理规律过程中所显现出的思维方法结合起来,才能真正理解本实验的实验原理。

2.2  设计的角度:从学生出发

只有从学生出发,满足其学习需求,激活其认知活动,才能产生源源不断的学习驱动力。教师积极引导学生参与教学过程,激发学生学习兴趣。教师站在学生的立场上,变换思维,根据学生的需求,从学生的视角设计最优方案,崭露科学探究的特性。教学情境设置是为了让学生有能力提出有效问题,再以“问题解决”为核心,亲身经历体验,把学习变成研究,通过阅读、思考、表达、评价等互动环节,把猜想转化为假设。结合给定的器材提出实验方案,设计探究思路,在不断生成问题和科学探究过程中提升物理学科核心素养[ 2 ]。

2.3  实验的厚度:从体验落脚

基于核心素养导向下的实验教学,实验的创新更能体现它的魅力,将无限内化于心!基于问题解决促进核心素养的提升,在于知识体系建立过程。而知识来源于体验,尤其是实验的学习体验,是在探究过程中获得。教师要创立给学生体验学习的条件,提供时间、空间,并给予引导和帮助,让更多学生亲身参与探究。从体验落脚,在问题的生成过程中,让思维进阶,深度思考,提升实验厚度。学生在不断寻找解决实际问题的方案中,理解物理慨念和规律[ 3 ]。实验教学既能培养学生科学探究的能力,又能实现物理学科核心素养的落地。

3  结束语

实验既能提高学生的实践能力,也能提升“科学思维”,更能在实际的情境中培养学生的创新意识。教与学的发展过程,要从实验的厚度,指向学习的深度,从而实现深度的实验教学。教师在课堂教学实践中要积极探索、创新实验设计,使学生在体验科学研究的过程与方法中提升物理核心素养。

参考文献:

[1]包慧军. 基于物理核心素养导向的教学设计研究[D]. 杭州: 杭州师范大学,2018.

[2]肖建华. 实验——创设良好物理学习环境的途径[J]. 中学物理:(高中版),2012(13).

[3]肖建华. 深度思考,让深度学习真正发生[J].湖南中学物理,2019(10).