以工匠精神指导高中物理实验教学——以“楞次定律”中的演示实验为例

丁 骏

(江苏省口岸中学，江苏 泰州 225321)

·教材与教法·

以工匠精神指导高中物理实验教学
——以“楞次定律”中的演示实验为例

丁 骏

(江苏省口岸中学，江苏 泰州 225321)

针对目前高中选修物理学生人数的大幅减少,笔者采用向内看的办法发现由于部分物理教师缺乏创新和精益求精的精神,造成物理课的枯燥、乏味,目前已经成为学生选修科目的鸡肋．以物理实验为切入口,笔者提出以工匠精神研制物理实验,充分利用新思维、新技术、新材料对物理实验进行升级、改造、优化．让物理实验充满生命力,以此激发学生学习物理的兴趣,增进学生学好物理的内在动力．本文以“楞次定律”一节中的几个演示实验为例来说明．

物理实验； 工匠精神； 楞次定律

2016年3月5日李克强总理作政府工作报告时说:要鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产,培育精益求精的工匠精神．所谓工匠精神,就是指工匠对自己的产品精雕细琢，精益求精、追求更完美的精神理念;就是追求卓越的创造精神、精益求精的品质精神、用户至上的服务精神．当今社会心浮气躁,追求 “短、平、快”(投资少、周期短、见效快)带来的即时利益,从而忽略了产品的品质灵魂．在物理教学中也有一定的体现,比如部分教师总是喜欢用视频实验或者实验动画代替真实的物理实验或者集成模块实验,或者用传统实验一教到底,面对新思维、新技术、新材料的出现充耳不闻.这样的做法是让物理教师省时省力,但是却造成物理课堂变得枯燥、乏味,让许多学生对物理失去学习的兴趣和动力．所以不仅对于企业来说需要工匠精神,对于高中物理教师更需要工匠精神,才能在长期的教学中不断更新教学观点、改造教学流程、提升实验水平和效果．在追求卓越的过程中打造最优质的物理课堂,生动体现学生至上的服务精神．下面以我校进行物理同课异构活动中,几位教师在准备“楞次定律”一节中几个演示实验的过程为例来说明．

1 “差不多精神”造成课上的卡壳

图1

所谓“差不多精神”是指凡事不追求精准,只图个大概的意思．在探究感应电流规律实验时,我们教师常用的是实验室中绕制好方向的螺线管、条形磁铁、灵敏电流计示教仪.这个实验从笔者上高中的时候教师就是这么做的.A教师在试上这节课的时候,就听到有学生说到:我们又看不到导线的绕制方向．A教师就借用投影仪放大给学生看,由于漆包线的反光作用,学生对于螺线管的绕制方向还是没有看清楚．课后笔者和A教师就思考如何改进,后来做了如下改进,利用现在市场出售的钕铁硼强磁铁、灵敏电流计(小型)、横截面积为10 mm2的铜导线制作的螺线管．利用教室里的投影仪进行放大,效果很明显．为了便于操作,让实验室使用的条形磁铁和强磁铁组合起来.这样便于让强磁铁插入自制的螺线管中(如图1所示)．A教师在第2次试上探究感应电流磁场方向时出现了尴尬的结果.教学安排是这样的,由于钕铁硼强磁铁没有标识N极和S极,A教师就利用手头上的条形磁铁和强磁铁的组合体给学生看,问学生:如何判断出强磁铁的N极和S极,学生的回答是:根据同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引，可以判断出强磁体的N极和S极.根据这一理论可以知道和条形磁铁N极相接触的强磁铁一端是S极,那么另一端就是N极．A教师听到学生这样的回答感到非常高兴,当时夸奖了这位学生,并用准备好的红色纸片在强磁铁的一段标注为N极,接着就用这个强磁铁进行探究实验,探究的结果出现了当强磁铁插入时产生的感应电流磁场和原磁场一致,当强磁铁抽出时产生的感应电流磁场和原磁场方向相反．这一现象与理论正好相反．笔者和同听课者不知问题出在哪里,大家都在积极的讨论,课上的学生也在积极讨论．最后A教师匆忙地换用常规器材进行探究和讲解,可以说这是课前没有对实验的每个环节进行演练的结果．现在的问题是:到底在哪个环节上出了问题？从理论上看是正确的:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引．操作也没有问题．下课后笔者和A教师在办公室反复试验,发现强磁铁的两端都能够与条形磁铁的某一端相吸．原来由于强磁铁的磁性太强,接触后造成普通条形磁铁在强磁铁面前主要体现铁的特性,几乎感受不出条形磁铁的磁性产生的作用．怎么解决这个问题呢?其实很简单,只要用细线将其中一个磁铁悬挂起来,两个磁铁不要接触,就可以判断出钕铁硼磁铁的磁极了,或者使用带塑料外壳的小磁针就可以直接判断强磁铁的磁极了．

从这个案例中可以看出,我们在自制演示实验操作时,一定不能投机取巧,一定要用专业的知识、严谨的态度进行审视每一个操作步骤,确保每个流程都经得起推敲,确保不出现科学性错误,一定要体现专业、严谨、一丝不苟的工匠精神．这样才能更好地培养学生的科学态度．

2 专注态度让演示实验生活化

图2

落磁实验是一个引人注目的实验,在许多公开课教学中都能看到它的身影,达到了吸引学生注意、引起学生思考的一个好效果.通常采用的材料是:直径略小于管口的钕铁硼强磁铁3片,铜管或铝管一个,实验操作一般是对比实验,让强磁铁通过铜管和相等长度的纸管,观看下落时间的差异,应该说现象非常明显．B教师在准备“楞次定律”实验时,特地从网上买了两根铜管做落磁实验,效果很不错,但是总感觉这个实验离学生太远,笔者一直致力于演示实验的校本化、生活化．总想如果学生能够利用身边的器材做高中物理演示实验那该多好,如果让每位学生买铜管,那是比较浪费的,一根内径为28 mm外径35 mm长度为60 cm的铜管市场价要160元．买回来除了做物理实验外,其他几乎没有用处．这个问题笔者和同事们交流,思考有没有其他材料可以代替铜管.某日中午上班,C教师告诉笔者一个意外的发现,不一定用铜管做落磁实验,利用身边常见的器材就可以做落磁实验了,就是在准备“楞次定律”演示实验中到超市购买的铝箔纸,C教师现场演示了一下,虽然没有铜管下落的时间长,但是用肉眼是能观察的出来,如果用与铝箔纸卷等高的纸筒做对比实验(如图2所示),纸管和铝箔管的长度均为30 cm,内径均为3 cm．铝箔管外层的铝箔长5 m,宽30 cm.将它们放到底端离桌面约15 cm等高处,让两个等重的强磁铁同时从不同的管中下落,从图2中可以看到当相同的磁铁通过纸管下落到桌面上时,通过铝箔管的磁铁才刚刚到达铝箔管的下端,实验现象很明显.如果下落比较快造成学生看不清实验现象,可以采用让学生听声音的办法让学生感知下落的时间的差异,或者采用手机中的录音功能让学生通过数字来直接比较快慢.有条件的可以采用手机中的慢放功能,让学生直接看到下落的时间差．笔者经过多次尝试发现如果采用钕铁硼强磁铁(直径25 mm,厚度2 mm)4片至10片下落的时间比较长,经测量使用6片或者8片钕铁硼强磁铁下落30 cm长铝箔管时间达到1 s,这时的实验效果是最好的．在尝试中笔者发现使用铝箔纸(家庭烧烤用)的好处有这样几点:一是材料很容易买到;二是可以根据实验的需要改变铝箔纸的厚度、直径、长度和包裹的形状和层数;三是由于质量较轻便于携带;四是可以容易的在铝箔管的侧面开一条缝,做闭合导体和不闭合导体的对比实验;五是可以将这一演示实验变成学生家庭实验．物理教师的这一改变可以起到引导学生关注生活中的日常用品,思考并判断这些用品能否为物理实验所使用,让学生意识到物理来自于生活又服务于生活． 从而让学生感受物理的亲切和魅力．

从这个案例中可以看出,自制实验中对实验的材料的选择,不仅从专业的角度进行分析、筛选,更要关注学生的视角和生活化程度,不断提升演示实验的生活化水平,一定要体现耐心、专注、坚持的工匠精神．这样才能更加有利于认识科学本质．

3 注重细节让意外化为生成

图3

如图3所示是讲解“楞次定律”一节常用的双环实验,其中左边的铝环是闭合的,右边的铝环是开口,当条形磁铁插入或抽出闭合的铝环时,会发现铝环会绕着支架转动,当条形磁铁插入或抽出不闭合铝环时,会发现铝环不会绕着支架转动．为了增强实验效果,D教师采用了市面上卖的圆形钕铁硼强磁铁(直径和一元硬币的直径相等),实验效果非常明显.在实验的过程中出现了意外现象.当用强磁铁插入和抽出开口铝环时,发现铝环也会绕着支架转动,而且转动现象非常明显.笔者和D教师感觉如果这样直接在学生面前做演示,会得不出想要的实验结果.物理组的其他教师有的认为是插入和抽出时空气的流动造成铝环的转动,有的认为可以将圆柱形钕铁硼强磁铁组合横着放置这时靠近和离开开口铝环就看不出铝环绕着支架转动．这样做演示实验以及这样解释,可能学生不会反驳,因为学生没有做过这样的实验,但是这样做却违反了实事求是的实验原则,是教学中的一种欺骗行为．笔者和D教师在办公室决定一探究竟,首先排除了由于空气的扰动造成的转动,采用的方法是用强磁铁缓慢插入和抽出的时候也会看到双环的转动,用和强磁铁等直径的一元硬币柱体快速和缓慢插入和抽出,看不到铝环的转动．其次要弄清转动的原因,采用了实验探究的方法,先发现问题,然后猜想与假设、实验验证等环节,认为可能有两种原因,一是认为由于采用强磁铁会不会在铝环开口处出现放电现象,如果出现放电现象,那么就会出现环形电流;二是认为在正对人的这一窄面上形成无数个小的环形电流造成的实验现象．对于以上两种猜测分别做了验证,对于第一种情况,采用将开口环的两端距离拉得更大,为防止放电形成环形电流,在开口端中间加绝缘物体,当用强磁铁插入和抽出的时候还是能够发现整个铝环会围绕着支架转动,这样就排除了开口端放电形成环形电流的缘故;对于第二种情况,进行了如下的尝试,如果会形成许多环形电流造成铝环的转动,那么用条形磁铁正对着靠近的时候,应该会发现铝环的转动,在试验中没有发现这一现象．对于开口端用强磁铁插入和抽出的时候铝环转动的原因没有找到．还是另一个试验引起了大家的思考,在一个斜放置的铝板上让与一元硬币相同大小的钕铁硼强磁铁和一元硬币从同一高度释放,会发现强磁铁下落得慢,硬币下落得快,原因是强磁铁在铝板上产生涡流阻碍了强磁铁的下落．这个实验给了大家启发,认为开口铝环转动的原因就是由于当强磁铁插入和抽出的时候在铝环的侧面产生了涡流,所以造成铝环的转动．(注:铝环的侧面比较宽)．实验证实确实如此．这个实验还让大家理解了为什么实验中的铝环是又薄又宽的形状,这样做的目的有利于形成较大的环形电流．当然在研制这个实验的过程中也走了一些其他弯路,比如探究是否由于开口端是否放电问题,开始想到用二极管和验电器或者静电计等等,其实这样一做就构成了闭合回路,也就是闭合的环,是一种错误的做法．这一研究更加深入地理解了双环实验,其实当条形磁铁插入和抽出闭合环的时候,不仅形成了大的环形电流,在闭合铝环的侧面也形成小的涡流,只是由于条形磁铁的磁场较弱,看不出实验现象．D教师将这个实验探究过程搬到课堂上时,激起了学生极大的好奇心和求知欲,每个学生都在思考和猜想产生现象的原因．通过这个实验更好地让学生理解了量变引起质变的道理,进一步掌握抓住主要因素忽略次要因素的思想方法．

从这个案例中可以看出,我们教师在研制自制实验中要注重细节,对于细节或者微小现象要不惜花费时间和精力,孜孜以求,反复论证实验,对实验现象采用严格理论解释,不达要求绝不轻易拿到课堂上糊弄学生．一定要体现精益求精的工匠精神．这样才能更好地培养学生的物理观念．

4 追求卓越让实验充满生命力

图4

在平时的教学中,我们会发现许多物理实验所使用的器材大部分相同,比如与打点计时器有关的实验就有很多——探究牛顿第二定律的实验、探究功和能关系的实验、研究匀变速直线运动的实验、验证机械能守恒定律的实验等等,教材中这些实验告诉我们对于同一个实验装置我们要最大限度地挖掘潜力,不能死搬教条,让实验作用和效果最大化．在人民教育出版社2008年出版的《物理3-2教师教学用书》第18页就有“跳环”实验．实验装置如图4所示,将J2425型教学用可拆变压器的条形铁芯竖直放置,把一轻质铝环套在其上,接通交流220 V电源的瞬间,铝环上跳．实验注意事项是:由于通过线圈的电流较大,通电时间不要超过30 s．由于教师参考用书上没有给出具体的操作步骤和流程,E教师作了各种尝试,首先将红色线圈的0-1400匝直接接到带有按钮开关的插座上,当按下按钮开关瞬间会看到铝环明显的跳起来,跳到比较大的高度．由于采用的是220 V电压,笔者和E教师认为这样的操作是非常危险的,稍有不慎就会触电,不适宜让学生上讲台操作,经过多次尝试可以作如下改进.使用学生电源的交流电压最大挡16 V,输出电流采用3 A,通电瞬间也能够看到铝环向上跳动.这样改进有利于实验的安全,可以让学生操作实验．对于直接接220 V电压可以看到铝环跳得很高这一现象,E教师作了反向思考,如果将铝环从上端放置会看到什么现象呢?经过多次实验尝试,找到了制成磁悬浮实验的方法:用220 V交变电流,将铁芯竖直放置在红色线圈的上方,两根导线的一端连接红色线圈中的200-1400匝效果是最好的,另一端直接接在带按钮开关的插座上,先接通电源,然后放置铝环(铝环的规格是直径为6.1 cm、高1.4 cm、壁厚2.2 mm、内径5.65 cm),就可以看到铝环处于悬浮状态．磁悬浮实验是教材中没有的,这一现象可以帮助学生理解磁悬浮列车悬浮的基本原理．在30 s以内停止实验,让学生摸一下铝环,学生可以感知到铝环是热的,这时可以追问学生,铝环中的热量从何而来?环中电流如何产生?能量如何转化? 这样一来就对“跳环”实验进行了多维度的改进、拓展、延伸．使得“跳环”实验的“生命力”得到升华．

从这个案例中可以看出,物理教师心中要时刻装着实验设计的基本原则,还要有开阔的思维素养,要不断提升实验的安全性和拓展实验的应用范围,在研制实验中无论是实验设计还是实验步骤等都不断完善,一定要体现学生至上的工匠精神．这样才能更好的培养学生的物理思维．

德国哲学家雅思贝尔斯说:“教育就是一棵树摇动另一棵树,一朵云推动另一朵云,一个灵魂唤醒另一个灵魂”．不管现在还是未来,不管国家还是世界,都一直渴求越来越多的杰出工匠出现,才能造出越来越多的优质产品.要达到上述目标,就需要我们教师在平时的物理教学工作中体现追求卓越、精益求精、淡泊名利的工匠精神,具体体现在打磨好教学的每一个环节、研制好每一个学生实验和演示实验、设计好每一节课的课前导入,让物理课直观、有趣、激思起来,让上物理课成为学生的一种期待,让物理成为学生毕业后难忘的课程.学生通过长时间的耳濡目染和教师的言传身教,工匠精神一定会潜入学生的内心深处,成为当代学生的普遍追求.这不仅进一步促进了学生物理核心素养的养成和发展,还为我们国家培养出越来越多的“大国工匠”夯实基础．

1 彭前程.物理选修3-2教师教学用书(第3版)[M].北京： 人民教育出版社,2008.

2 陈熙谋,吴仁祖.普通高中课程标准实验教科书(选修3-2)(第1版)[M].北京： 教育科学出版社,2006.

本文系全国中学物理规划课题“高中物理教材校本化和自主课堂建设的实践与研究”和江苏省教育科学“十二五”规划重点课题“自主课堂教学环境下的高中物理教材校本化实践研究”(课题批准号:B-b/2015/02/178)的阶段性成果．

2017-05-23)