在物理实验教学中培养学生的理解能力*——以“互感和自感”的教学为例

在物理实验教学中培养学生的理解能力*
——以“互感和自感”的教学为例

许卫国吴敏亚

(江苏省锡山高级中学江苏 无锡214174)

*江苏省教育科学“十二五”规划重点资助课题“中学物理实验的校本化研究”阶段成果,立项编号：B-a/2013/02/017

摘 要：以“互感和自感”教学案例的形式阐述了在物理实验教学中培养学生理解能力的具体措施，包括创设实验情境，加强实验体验，经历实验流程，关注实验应用等.

关键词：物理实验理解能力具体措施

收稿日期：(2015-01-23)

目前，学校正在推进以理解性学习来变革现有课堂教学的校本教研活动，以此达到促进教学方式改变，关注智慧生成的教学目标.理解性学习是和机械学习、死记硬背的学习相对立的概念，是指“学生通过分析、比较、概括、联想或直觉等思维方法，获得对概念的深刻性理解及恰当运用知识的能力”[1]，它的认知意义在于把握事物的本质和规律.中学物理实验所具备的教学功能成为在物理课堂教学中实施理解性学习的重要切入点.

1创设实验情境 奠定理解基础

情境学习是理解性学习的基本要求，教师在实际的教学中用实验创设与教学内容相适应的场景或氛围，其目的在于引起学生强烈的情感体验和思维活动.它将学习任务镶嵌在有意义的真实情境中，激发学生的学习兴趣，使其产生解决问题的欲望，为知识的理解打下基础.

在“互感和自感”教学中设置的两个情境示例如下.

图1　无源亮灯装置

(1)无源亮灯.将可拆变压器接交流电源，把连有灯泡的线圈套在铁芯上，灯泡会发光,实验装置如图1所示.

学生们专注地观察着教师的演示，当教师手持无电源的灯泡亮起来时，学生发出了惊讶的喊叫声.

(2)断路放歌.将手机用耳机线与小线圈相连，音箱与另一大线圈相连，小线圈放入大线圈之中，音箱中传出手机中正在播放的歌曲，当手持手机回路远离(靠近)音箱回路时，声音会变轻(变响),电路图如图2所示.

图2　“断路放歌”电路图

随着小线圈靠近(远离)大线圈，音箱的声音变得响亮(轻柔)，这时学生们响起了热烈的掌声.

学生已经进入了教师设置的情境氛围中，此时教师应及时提出问题，为学生的思维指明方向：(1)无源的灯泡为何亮起？流过灯泡的电流从何而来？(2)两个独立的回路中，手机中播放的歌曲是如何“传”到音箱中的？

学生们能围绕问题和心中的疑问用自己所学习的电磁感应知识分析上述现象，提出自己的推断和猜想，并在小组内相互交流.

由上述两个情境实例可以看出，实验可以创造出相应的情境氛围，激发学生学习的主动性，提升学生对物理学习的兴趣和学习动机；可以集中学生的注意力，培养学生的观察能力.梁启超曾说：暖和和的阿特(art)与冷冰冰的赛因士(science)的共同的母亲是观察自然.所以观察能力是让学生实现从现象到本质推理和概括的前提，是提高学生理解能力的基础.从认知角度看，教师所创设的实验情境能联系学生头脑中的先前知识，促使学生运用先前的知识去建构新的理解.

2加强实验体验 深化理解层次

没有体验，所学的东西就不深刻，就显苍白.体验实验就是让学生参与到实验中，这能使学生的观察活动具有更明确的指向性,注意力更集中，从而捕捉到事物典型的、具有本质的特征.它旨在关注实验者的主体感受，重视学生亲身体验真实的物理情景而建构物理规律的过程 .理解性学习的主要途径是学生参与到一系列的学习活动中去，在参与的过程中开动脑筋，去感、去悟、去思考，从而加深对所学知识的掌握和应用.

在“互感和自感”的教学中安排如下体验.

体验“千人震”：如图3所示，实验器材包括一节电动势为1.5 V的新干电池、几根导线、开关和一个自感系数较大的线圈.几位做这个实验的学生手拉手成一串，将电池、线圈、开关用导线按图示方式连接，接通电路，过一会儿再断开．

图3　“千人震”电路图

上来体验的是两位跃跃欲试的男生和两位有害怕心理的女生，但看到只有一节干电池，又增强了参加体验的胆量.

随着开关的闭合，他们悬着的心放了下来，当开关断开的瞬间，他们发出尖叫的同时也甩掉了手中的导线.这时教师给他们提出了要求：(1)请把你们的体验告诉同学们.(2)你为什么会有这种被电击的感觉？(3)你认为被电击的强烈程度会与什么因素有关？

强烈的身心体验促使学生调用头脑中的相关知识思考所体验的实验，从而加深了对自感现象的理解.

在评课阶段，有些教师认为这个体验活动可以去掉，这样可以节省出来至少5 min的时间.笔者坚持认为，学生的体验是必要的，来自于学生自己的体验是难得的，这是学生真实地、“近距离”地接触物理知识.因此，教师在组织教学时，要设计一些“做”的活动体验，从学生“第一手”的经验出发，考虑怎样充分调动学生的眼、耳、口、鼻等感官使其深入参与到体验中来，让学生通过自己的感觉器官直观、形象地体验物理过程，教师及时地提出问题引导学生的思维方向，帮助学生从感官体验上升到理性思维，把感官认识升华为“物理见识”.

3经历实验流程 引导学生思考

根据哈佛大学教授帕金斯等人的观点，真正的理解是人们能用已有的知识去创造性地思考和行动，以一种灵活的、对思维要求很高的方式去进行理解性操作[2].实验探究，是指学生经历物理实验教学的全过程，是新课程理念的基本要求，也凸显了科学研究的特点.它有利于学生学会科学的探究方法，形成初步的科学探究能力，养成实事求是的科学态度等，为培养学生的创造力打下基础.学生要在纷繁的现象中发现规律，就应该以头脑中的知识为参照系，根据现象提出问题和猜测，设计实验，运用各种思考和推理方式，得出结论.这与理解性教学的观点是吻合的.

学生在学习通电自感规律的实验探究活动中经历了以下流程：

第一,教师提出问题：互感现象的特点是A线圈中电流的变化引起B线圈中产生电磁感应现象.如果一个线圈的电流发生变化(增加或减小)，线圈能否在自身的回路中产生感应电动势？ 让学生先独立思考并作出判断，然后在小组内交流各自的观点.

第二，统一学生提出的问题和猜测：自身电流变化→线圈自身内部磁场变化→线圈自身内部磁通量变化→电磁感应现象发生.

第三，设计探究通电自感规律实验：探究通电自感电动势对电流变化的影响.

问题引导：该如何设计实验电路,使我们能观察到这个线圈中产生的电磁感应现象呢?选择什么测量器材更便于观测呢?

图4　线圈直接接入电路 图5　线圈串联灯泡接入电路

该问题对学生来说思维的台阶较大，笔者采取了合作学习的方式.大部分学生都能想到把线圈直接接入电路(如图4).有的小组提出了质疑：该电路并不能观察到线圈由于电流的变化对自身的影响，应通过与其串联的灯泡的亮度变化来显示其影响(如图5).

有小组提出了更完善的方案：应再并联一个电阻和灯泡串联的支路，通过对比两只小灯泡的亮度变化来显示线圈对本支路的影响，实验现象会更明显(如图6).

图6　线圈和电阻并联接入电路

第四，进行实验操作，分析、讨论实验结果，得出自感规律.

你从实验中看到延迟现象的原因是什么?大家分析一下，谈谈自己的看法.

教师借助数字化实验的便捷来帮助学生理解自感的规律(如图7)，并提出问题引导思考：对比闭合S的瞬间两次电流图像有什么不同？并解释原因.

图7　利用数字化实验对比有无线圈电路两种电流图像

按照课程标准的要求，本实验属于定性的探究实验，教师在设计时能从学生的实际认知出发，引导学生参与了实验的设计过程和操作过程，转换了学生的学习方式，增加了学生学习的主动性和积极性，有利于学生探究技能的形成和创新思维的发展.另外，本设计将DIS与原有的实验设计整合，拓展了数字化实验系统在教学中的探究功能，也突破了自感电动势方向这一难点.

4关注实验应用 拓展学生理解

物理知识的最终归宿是应用它去解释自然现象并能动地改造自然.现代社会的许多技术都来自物理实验，因此物理实验教学能联系实际，并能应用于实际，能很大程度上体现从生活走进物理，从物理走向社会的理念，有利于增强学生学以致用的意识[3].用学过的物理知识去解决一些生活、生产中的实际问题,会使那些概念、规律焕发出生命力，学生也会在物理知识的应用中强化对它们的理解.

在“互感和自感”的教学中师生共同分析了一些应用，如表1所示.

表1　互感和自感的应用

在我们身边有很多互感和自感的现象，在课堂上要尽量创造条件重现这些现象，让学生关注物理与社会的联系，同时也能增强学生的社会责任感.本节课笔者给学生演示的实验有：延时继电器、模拟电磁灶打火、含有电感的电路在断开时会产生电火花.给学生布置的课外探究作业是，动手连接日光灯电路并能让其正常发光.

综上所述，站在提高学生理解能力的高度，谈物理实验教学的实施，既突出了物理教学的高效性，又体现了物理学科教学的特色.因此在教学过程中，我们应关注物理实验教学的研究，在教学设计和教学过程中设计出更加精美、巧妙的实验，充分体现和优化其功能.同时，应该鼓励并引导学生在学习和生活中自制实验仪器，这对改变学生的学习方式，帮助他们掌握科学方法，提高他们的科学探究和实验设计能力等具有重要的作用，也使得今后的中学物理实验及实验教学在内容和方式上有更大的创新和发展，为物理学科的理解性教学提供切实可行的抓手.

参 考 文 献

1王均霞，吴格明.“理解性教学”研究的哲学反思. 河北师范大学学报(教育科学版)，2012(8)：73

2姚晓慧. 大卫·帕金斯的理解性教学思想透视.外国教育研究，2011(1)：13～17

3中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准(实验). 北京：人民教育出版社2003.4