旧调重弹——“用教材教” 让学科核心素养落地——以“交变电流”为例

肖建华

(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

物理学科的核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的关键成分．新课程标准认为物理学科核心素养是由“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”和“科学态度与责任”组成．在教育理念不断更新、教育模式竞相登台的今天,重提“用教材教”似乎有点不合时宜,属于旧调重弹．面对层出不穷的新理念新模式,教育工作者更要保持一份理智和理性,要尊重常识传承常识．如何“用教材教”就是一个永远值得研究也研究不完的课题,具有永恒的价值．

“教教材”和“用教材教”是两种截然不同的教材观．“教”教材,考虑的出发点是传授,是强调如何把书本知识传递给学生,是以知识为本位的;用教材“教”,立足点是放在学习对象身上,注重教学行为与学习行为的同步相谐,是以学生为本位的,注重知识传授中的能力培养．前者是教书,后者是教人．有些教师对“用教材教,而不是教教材”这一观点,认识上出现了偏差,甚至干脆撇开教材．教材上的实验不用,例题习题不用,自己信手编写,概念的叙述不严谨,规律的推导不流畅,破坏了教材的完整体系和叙述结构．那么,如何根据学生的实际能力和认知水平,驾驭教材,活用教材,赋教材以活力,使教材丰满起来,充满灵性,更好地落实物理学科核心素养呢?下面以人教版《物理》选修3-2中第5章“交变电流”第1节“交变电流”为例,展示笔者对“用教材教”让物理学科核心素养落地的尝试与思考．

1 情境的设置

引入课题时教材设置了两个实验情境．演示实验1:用电压传感器(或电流传感器)观察电池提供的电压(或电流)和学生电源交流挡提供的电压(或电流)的波形．通过图像对比,了解什么是交变电流．演示实验2:把两个发光颜色不同的发光二极管并联,注意使正负极的方向不同,连接到教学用发电机两端,转动手柄,两个磁极之间的线圈随着转动,观察发光二极管的发光情况,再进行物理建模,并加以分析．

笔者的尝试:根据课本上的“做一做”栏目“摇绳能发电吗”,结合本节课的教学内容、教学目标、学生的实际能力和水平,设计了如下的实验情境:如何用自制的长约50 cm、宽约35 cm的大线圈产生电流?如何观察到线圈中产生的电流的特点?学生们展开了热烈的讨论:利用地磁场,转动线圈能产生电流;连接电流传感器能观察电流的特点．

两个学生上台演示,转动线圈没有产生电流．怎么回事?一石激起千层浪,学生们进入了白热化的讨论:为什么会没有电流?是转速太慢?还是学生站的位置不对?地磁场究竟是怎么分布的?应该怎样转动线圈才能产生感应电流……原来,只有当线圈中的磁通量发生变化或者线圈的部分导体切割磁感线时,才会产生感应电流．

两位演示的学生根据地磁场的分布调整好了站立的位置,再转动线圈,终于通过电流传感器,观察到了大小方向都在变化的电流．直流电、交变电流概念的构建水到渠成,同时又发现了新的疑问:产生的交变电流大致体现了周期性,线圈在地磁场中转动为什么会产生周期性变化的电流?但变化得很不规律,主要是什么原因造成的呢?……

笔者的思考:为什么不像教材中那样直接观察干电池和学生电源的交流挡产生的电流,构建直流和交流的概念?不直接用教学发电机和二极管观察现象进行物理建模及分析?因为,这样的情景设置虽然同样能构建物理概念和物理模型,但其中能生出的具有启发学生思维的问题不够多．课程标准要求“提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,发展独立获取知识的能力”,而这种能力就是物理学科素养的核心．

我们通过用自制的大线圈利用地磁场产生电流的实验情境,让更多的学生参与到产生电流的整个过程中,期间会出现更多可发现问题、提出问题、引发更深层次思考并寻求解决方案的机会,让学生在动态生成中充分理解了概念,也为构建发电机模型和进一步的深入分析打下了坚实的基础,同时极大地激发了学生的学习本节内容的积极性和兴趣,培养了学生的科学思维和科学探究的能力,让物理学科核心素养落到了实处．

2 交变电流的产生

这部分涉及两部分内容:物理建模和交变电流产生的原因分析．

物理建模的过程就是把实际的情境或问题,通过抓住主要矛盾忽略次要矛盾,将其简化为容易分析和研究的物理模型．如何构建交流发电机的模型?学生结合上述演示实验展开充分的讨论,达成以下几点共识: (1) 在小范围内地磁场可看成匀强磁场．(2) 多匝线圈可简化为单匝线圈．(3) 矩形线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动,如图1(甲)所示．

笔者的做法:交变电流产生的分析,采用了教材上由感性到理性,由定性到定量,逐步深入的讲述方法．为了更好地培养学生的发现问题、分析问题并能解决问题的科学思维能力,笔者进行了分组讨论．学生讨论交流后认为:

(1) 研究整个周期比较困难,先定性选择几个特殊的位置,进行分析研究，如图1所示．

(2) 把三维空间(立体图)转换为二维截面图(平面图)会使问题研究变得更为简单,思路更加清晰．学生分头画出这几个特殊位置的平面图,在平面图的基础上进行后续的分析．

在后续的分析讨论环节中,笔者采用了问题链的方式引导学生,具体设置了如下问题:

(1) 如图1(教材上的图5.1-3)所示,根据学生画出的对应的平面图,分析矩形线圈由甲转到乙的过程中,AB中的电流向哪个方向流动?由丙转到丁的过程中呢?

图1

(2) 当线圈转到什么位置时线圈中没有电流?转到什么位置时电流最大?判断的依据是什么?最大电流如何计算?这些位置的磁通量和磁通量的变化率等有什么特点?

(3) 大致画出通过电流表的电流随时间变化的曲线,从E流向F的电流为正,反之为负,在横坐标上标出线圈到达甲、乙、丙、丁几个位置时对应的时刻．

笔者的思考:关于交变电流产生的分析,笔者领会了教材编写者的设计意图,遵循一般的认知规律,由定性到定量、由特殊到一般、由浅入深、层层递进．只是在物理建模和分析讨论的过程中,通过合理的实验情境和有梯度的问题设置,让学生自己发现问题,引起强烈的思维冲突,教师适时抓住动态生成的问题,从高悬念向低悬念逐渐过渡,层层递进,逐渐找到接近“发展区”的结合点,最大限度地调动学生的思维和学习自觉性,使学生能够生动活泼、主动地发展,达到了预期教学效果,让物理学科核心素养落到实处．

3 交变电流的变化规律的推导

关于交变电流规律的推导,教材上只有两句话:“学生电源中的交变电流似乎是在按照正弦式函数的规律变化”,“对于教学用发电机,根据法拉第电磁感应定律可以导出,它的电动势E随时间的变化规律为E=Emsinωt”．这样的叙述,显然不能满足不同层次学生的实际需求．

笔者的尝试:根据自制大线圈实验中观察到电流以及画出的电流随时间变化的曲线,能做出初步的判断:产生的电流具有周期性,而且有可能是正弦式函数．当然这只是一种猜想,还需要有力的证据．学生会自主发现:如果能得到线圈转动过程中任意时刻的电动势(或电流),就能获得是否是正弦式函数的有力证据．

图2

学生共同设置问题情境:匀强磁场磁感应强度为B,匀速转动角速度为ω,AB、CD边长为L1,AD、BC边长L2,设线圈从图1中甲位置(中性面)开始计时,经过时间t,如图2所示,则

(1) 线圈平面与中性面的夹角是多少?如何用ω表达?

(2)AB边的速度多大?

(3)AB边的速度方向与磁场方向夹角多大?有效切割速度多大?

(4)AB边产生的感应电动势多大?

(5) 线圈中的感应电动势多大?

本环节通过问题链的方式,引导学生进行理论推导,再推广到n匝线圈,逐步得出公式E=Emsinωt.如果仅仅到此为止,那么对于学有余力的学生来说,就会造成极大的资源浪费．

于是可以抛出问题:以上的推导是从导体棒切割磁感线的角度推导的,而产生感应电动势的根本原因是通过线圈的磁通量发生变化．如何利用磁通量和更具有普适性的法拉第电磁感应定律推导出任意时刻的感应电动势?

笔者的思考:对于规律的推导,一定要根据学生的实际能力和水平,分层次因材施教．第一层次,从特殊到一般,通过分析平面图,动手绘图(速度分解图),和精心设计的问题链,给予学生充分自主探究的时间,进行理论推导．这样的处理,有利于培养学生解决复杂问题的能力．若直接给出结论,把功夫花在练习上,短期效果也许不错,但绝不利于学生学科素养的提升．第二层次的推导确实比较困难,因为要涉及到导数的知识．但现在的中学数学课本中,已经有导数方面的知识,学生会求相关函数的导数,因此通过求导的方法来处理这个问题,既简洁又严谨,不失为一种好方法,况且运用数学解决物理问题的能力也是学科素养的一个重要方面．这样的设计,不仅兼顾到了不同认知水平的学生,真正做到了因材施教,也有助于学生多角度地深刻理解交变电流的产生及变化规律,有助于知识的联系和整体把握,同时还开阔了学生的思路,有利于更好地落实物理学科核心素养．

4 习题的处理

前文说到不少教师撇开教材蔑视教材,其中最受冷遇的恐怕就是课本上的习题．总是觉得课本上的习题过于简单,高考又不会考,迷信各种教辅资料上的“神题”,结果“神题”做不来,课本中习题又不做,造成基础知识网络千疮百孔．实际上课本中不乏值得研究的具有启发性的好题．

图3

笔者的思考:物理课程目标强调:“经历科学探究过程,认识科学探究的意义,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,验证物理规律;通过物理概念和规律的学习过程,了解物理学的研究方法,认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用．”

物理习题不是不精彩,而是教师和学生都急功近利,造成学生眼高手低,忽视基础,对课本题目不屑一顾．我们试图剖析习题的思想和方法,让教师看到习题在解决教学疑难点时所起的“铺路搭桥”的作用,更让学生看到“平凡中的不平凡”,在平凡中提炼出不平凡的思想方法．通过对复杂问题的研究,发现其实就是诸多基础知识和基本思想方法的连缀和应用,环环相扣．如果有一个概念理解不清、一处信息提取不出或掌握不准确,就会出错．让学生真正认识到基本概念、基本规律、基本思想方法在物理学习中的重要性．

“用教材教”不是模式也不是方法,而是一种理念．如何在课堂上渗透这种理念,仁者见仁、智者见智．但应关注一个核心,就是充分发挥教材的范本作用,创造性地使用好教材,把编写者的智慧和意图,在新课程理念的指导下,因材施教地落实到对学生物理学科核心素养的提升上．

参考文献：

1 马素贞.树立正确的教材观[J].新课程(中学),2014(12):147.

2 刘庆高.浅谈中学物理学科核心素养[J].中学物理教学参考,2016(3):21.