还原历史本来面目 展示科学探究魅力——谈“电磁感应”的教学设计

雷三林

(浙江省安吉县昌硕高级中学,浙江 安吉 313300)

笔者充分尊重运用史实,对“电磁感应”进行了教学设计并实践,听课学生、教师普遍有耳目一新的感觉,受到他们的认可和好评.

设计思想:秉承素质教育的精神,以史为鉴,充分利用科学史料,向学生展现科学历程,习得科学方法,领悟科学精神,建立科学发展的价值取向.

教学模式流程图(见图1).

图1

1 回顾历史 创设情境

师:19世纪工业革命席卷了整个欧洲.欧洲科学的发展走在了整个人类的前列.1800年意大利科学家伏打(展示伏打照片)制造了伏打电堆(利用化学原理),第一次使人类获得了持续电流.伏打电堆能够提供持续电流,但造价高、电流微弱.人们想有没有其他产生电流的方法呢？1820年丹麦科学家奥斯特(展示奥斯特照片)发现电流可以产生磁场.这个发现震动了整个科学界.

教师演示重现奥斯特实验.

教师质疑:电能生磁,磁能生电吗？

2 重演历史 合作探究

1821年,法拉第(展示法拉第照片)同样思考了这个问题.

(1)初步探究.

师:如果你是当时的法拉第,你会做什么样的实验来验证这个猜想呢？

生:用一个闭合的电路,旁边放上磁铁,用电流表测电路有没有电流产生.

(教师实验演示,结果失败)

教师介绍当时法拉第的想法:用通电螺线管感应出电流.结果同样失败了.

法拉第进行了其他很多的尝试,都遭遇了失败.在日记中写下了“毫无反应”、“不行”等词语,记录了当时艰辛的探索.但法拉第说:“如果实验不能成功,只能说明我还不善于处理它.就是实验不能成功,也应该找出它的原因来.”有一个时期,他的背上总背着一个电磁线圈模型,一有空他就拿出来比划琢磨(图2).

图2

图3

终于有一次他冒出了这样的想法:把线圈A与电源、开关、导线串联,线圈B引出导线形成闭合回路.旁边放一个小磁针.闭合或断开开关时,如发现小磁针偏转,则说明有感应电流产生.(图3)

教师演示法拉第当年实验.学生说出观察到的现象:闭合或断开开关时,发现电流表指针偏转.

教师追问:电流稳定时呢？

生:不会偏转.(观察实验)

1831年的8月29日,法拉第终于发现了感应电流,经历了整整10年的探索.那我们不禁要想:为什么他前面的实验会失败呢？

(2)进一步实验.

生1:可能是开始没铁芯？

教师去掉铁芯,演示实验.依然有感应电流.

生2:是否有可能是电生电啊？不一定是磁生电？

教师用磁铁插入线圈,演示实验.依然有感应电流.

教师总结:控制原电路电流有无能够产生感应电流;将条形磁铁插入和拔出螺线管能够产生感应电流.它们的共同点是什么在变化？

生:磁场.

师:这样我们就明白了为什么感应电流总是产生在开关闭合、断开瞬间,因为那个瞬间磁场发生了变化.

(3)拓展思考.

师:这10年间其他的科学家有没有一些发现呢？

生:克拉顿当年用条形磁铁插入、拔出线圈也做过类似实验.为了防止小磁针被条形磁铁磁化,他把小磁针和线圈放在两个房间,他把磁铁插入线圈后再跑到另一房间看小磁针是否偏转.当他跑到另一个房间的时候,小磁针已经不偏转了.结果,他没有发现电磁感应现象.

教师在表示惋惜时问:有没有办法挽救啊？

生:找个助手在另一个房间看就行了.

教师感慨:为什么他不找呢？

生:他不知道会发生在闭合、断开瞬间啊！

师:贝弗里奇说过“做实验的时候,如果我们仅注意那些预期的事物,就很可能错过意料之外的现象.而这些现象,尽管开始时令人不解,却最可能导致意想不到的重要事实的发现.”

3 形成规律 总结提升

(1)初步结论.

1831年11月法拉第在向英国皇家协会递交的实验报告中第一次提出了电磁感应现象的定义:置于磁场中的闭合电路因磁场变化而在电路中产生电流的现象叫做电磁感应现象.

(2)提出新概念.

学生总结感应电流产生的各种情况:①变化的电流;②运动的磁体;③变化的磁场;④磁场中运动的导体;⑤运动的稳恒电流(法拉第当年补充).

师:开始电磁感应现象就是这样描述的.但一个物理结论这样叙述好吗？为什么？

生:不好,不够简洁.

师:我们知道物理学有简单、普适之美,一定可以从纷繁的物理现象中找到统一性进行概括.物理学每遇到新问题就会促使新概念的产生.请大家看图片4.

由于两线圈处磁场强弱不同穿过它们平面的磁感线条数也不同.我们定义物理学一个新概念——磁通量.

穿过闭合电路磁感线的多少叫穿过这个闭合电路的磁通量.

图4

图5

请学生判断图5中磁通量的大小变化.上图圆形弹性线圈收缩,下图矩形线圈在旋转.

师:有了磁通量的概念,大家猜想穿过这个闭合电路的磁通量怎么样就可以产生感应电流呢？

生:变化.

师:那我们就试试从这个角度解释上面的5种情况.

教师展示图片6(运动的磁体)、展示图片7(磁场中运动的导体),请学生解释,强调哪个构成闭合回路.

师:我们成功解释了运动的磁体、磁场中运动的导体产生感应电流的情形,那么变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流呢？我们自己实验并解释.

学生实验操作并解释看到的现象.

学生总结:不管什么原因,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,该回路就一定有感应电流产生.

图6

图7

4 联系生活 运用规律

(1)结合生活.

师:我们身处在地磁场之中,如图8.能否利用地磁场发电呢？如果能,也说明了地磁场的存在啊！

教师拿出导线绳和电流表构成闭合回路,请学生思考怎么样才能发电呢？

生:摇绳！

师:那我们试试吧.学生上下、左右摇绳实验.

图8

(2)结合生产.

师:地磁场很微弱,虽然产生了感应电流,但能让灯泡发光吗？

生:不能.

师:想要有实际应用价值,那怎么办呢？

生:增强磁场.

教师拿出发电机模型,与电流表连接,摇动手柄演示(图9).教师展示世界上第一台发电机的图片(图10).

法拉第做此实验时,当时在场的一位贵妇人取笑他:“先生,你发明这个玩意有什么用呢？”法拉第平静地问:“夫人,新生的婴儿又有什么用呢？”

后来,这个新生的婴儿成长为巨人,开辟了我们电气化时代.我们今天享受电给我们带来各种便利的时候,不能忘记了这位伟大的科学家.

图9

图10

5 实践后的体会和几点建议

利用史学内容创设问题情境,发展学生独立思考和判断的能力,这样的教学模式能达到以下几个效果.

(1)可以让学生发现:物理概念是科学家们为了描述规律方便人为引入的,而不是先天存在的.是可以为他们理解、接受、运用的,甚至他们也可以自己定义概念.

(2)可以让学生体会:成功的经验固然重要,失败的教训更应该总结.让学生真正体验那种通过峰回路转百折不挠的探索终于登上豁然开朗的峰顶时的喜悦,以及他们成功后不睦功名、甘于淡泊的崇高人格.

(3)可以让学生了解:任何一项重大发现都依赖于科学家群体的努力.正是有这样一批精英才推动了社会的发展,一些在现在看来是错误的理论其实在当时是很进步和了不起的,从而树立正确的价值观,有助于学生历史唯物主义和辩证唯物主义思想的形成.

笔者经过具体实践认为要注意以下几点.

(1)物理学史的运用不能简单贴标签,而要将内容和教学有机地融合在一起.不能简单介绍物理学史,要用它来引发学生的思考,从而促进学生掌握科学方法,提高科学思维能力.

(2)物理学史取材和处理要达到两个要求:第一.取材要能启发学生对新问题产生自己的思考.第二.教师要引导学生顺着科学家的思维脉络去体验当时人们是怎么思考这个问题的.

(3)要用历史唯物主义和辩证唯物主义的观点看待一些在现在看来是错误的理论,展示和说明它先进可取的一面,从而给学生一个完整、全面的认识.要启发、引导思维的发展变化,从而促进学生思维的严谨性.通过冲突会话和实验探究使学生逐步养成敢于质疑、善于交流、勤于动手、乐于合作的良好科学态度和习惯.