发现式教学在物理磁学教学中的应用

李晓莹 黄树清

摘   要：对于物理学科来说，培养学生善于发现问题、积极进行科学探索的能力与意识，比学生单纯记背每一个物理知识点更具长远意义。发现式教学是各学科教学中广泛采用的教学方法，能有效发展学生的逻辑思维能力和自我效能感。本文从发现式教学的指导思想出发，在其基本步骤的指导下，得到切實可行的安培力教学设计。

关键词：教学设计;发现式教学;安培力

引言

“发现法”是美国教育学家、心理学家布鲁纳提出的一种教学方法，不仅是一种教法，也是一种学法[ 1 ]。布鲁纳认为，“发现法”是学生在学习情境中通过主动探索来寻找获得问题答案的学习方式，在发现的过程中教师要为学生提供必要的指导[ 2 ]。发现式教学的指导思想是教师通过设计问题情境，以学生为认识的主体，启发学生思考，从而发现事物的本质及规律[ 3 ]。其基本步骤可以概括为：创设情境;鼓励猜想;检验假设;验证结论;总结问题。

《普通高中物理课程标准（2017版）》中提到：“科学探究能力的培养，应渗透在物理教学的整个过程。无论是物理知识的教学，还是物理问题的解决，都要引导学生发现和提出问题，根据解决问题的需要收集和选择有用信息，基于证据和逻辑对问题作出合理解释[ 4 ]。”这启示着教师在教学中，应该创造适当的问题情境，训练学生的思维能力和科学探索能力，让学生经历发现知识的过程。发现式教学的思想正能满足这种需要。磁学部分知识是高中物理学习的重点和难点，本文以安培力教学为例，从发现式教学的指导思想和基本步骤出发，为发现式教学融入物理教学提供一种可行的思路。

1  应用发现式教学的教学设计

由于课本中的实验（通电导线在U型磁铁的作用下发生一段位移）在之前“磁场”的学习时已经出现过，现象较简单，不易引起学生的兴趣。本文采用另一个安培力教具（成品如图1，组成部件如图2）进行教学，该教具由一个拧成心形的铜线圈（如图3）、正极凹陷的干电池（用钉子和锤子将正极轻轻砸凹，以便固定线圈）和几个钕磁铁组成（如图4）。本节教学设计旨在充分利用作为引入的演示实验，使其贯穿整节课堂，维持学生较高的学习兴致的同时，让学生以“研究实验，发现真理”的方式，学习系统的知识，发展科研相关能力。

图1  教具成品                           图2  线圈组成

（a）                                       （b）

图3  线圈细节图

图4  电池与钕磁铁俯视图

1.1  设置情境，提出学生感兴趣的问题

[环节要求] 情境的创设和呈现是发现式教学过程的首要环节[ 5 ]。发现式教学要求教师创设有益于学生进行发现学习的问题情境和课堂氛围，利用学生对物理现象的好奇，引导学生提出或教师提出具有一定思维含量的有效问题，为后续学生进行发现学习创造优质土壤。

[教学片段1]

实验操作：（1）将钕磁铁吸在电池负极，（可以找一个平整的铁盖，将磁铁吸在铁盖上，便于拿下讲台供学生观察）;（2）将心形线圈轻放在电池上，观察现象。

实验现象：心形线圈开始顺时针转动（俯视）。

提出问题：为什么线圈会转起来？

学生回答：因为受到力的作用。

师：没错，我们学过牛顿第一定律，知道力是改变物体运动状态的原因。线圈会从静止到开始转动，一定是受到了某个力的作用。

学生产生疑问：这个力并不是我们之前学习过的力，那这个线圈受到了什么力的作用？

教师介绍安培力：线圈是受到了安培力的作用。安培力是指通电导线在磁场中受到的力，认真观察的同学就能发现线圈接触到了电池的正负极，并且处在钕磁铁产生的磁场中。

继续提出问题：为什么线圈受到安培力之后不是向左、向右或是向上、向下地被“弹开”，而是开始旋转？为什么是顺时针而不是逆时针？

[环节意义]

利用线圈被轻放后自己转动起来的现象，调动学生学习动机，让学生以问题解决的思路展开学习，既引导学生回顾旧知，又能让学生思考是什么力使线圈转动，进而向学生介绍安培力。通过情境的创设和问题的引导，可以让学生在一种积极愉悦的心境下学习，启发学生如何针对现象提出问题，有效培养学生的观察能力和质疑能力。

1.2  根据实验，鼓励学生思考问题原由

[环节要求] 发现式教学赋予教师“学生学习的引导者”角色，在学生意识到问题存在之后，引导学生深入思考问题，根据实验条件和已有知识经验对问题进行尝试解答或猜想。不同的学生对同一个问题的思考方向肯定会不同，教师需要有较好的时间把控和对学生注意力把控的能力，及时对学生的回答进行点拨与反馈，重视学生的错误解答。

[教学片段2]

思考的问题一：为什么线圈受到安培力之后不是向左、向右或是向上、向下地被“弹开”，而是开始旋转？

学生回答：通过受力分析可知，线圈没有向上或向下运动，说明竖直方向线圈受力平衡;线圈绕着电池旋转，说明有力作用在心形线圈的一侧或两侧。

思考的问题二：为什么是顺时针而不是逆时针？安培力的方向可能由哪些因素决定？

引导学生思考：力的方向与力的性质和概念密切相关。例如，弹力是形变物体要恢复原状时对接触的物体产生的力，因此弹力总是由接触面指向物体能够恢复原状的方向;重力是地球对其表面附近物体的引力，是二者之间万有引力的分力，因此忽略地球自转时，可看做重力总是指向地心。

学生猜想：安培力的定义是通电导体在磁场中受到的力，因此线圈受到的安培力方向可能与线圈中电流的方向、线圈所处在的磁场方向有关;又因为物理量的大小不能影响物理量的方向，所以与线圈的形状、电流大小、磁场大小无关。

[环节意义] 许多学生对物理现象的兴趣容易停留在对实验现象上，而没有进一步思考以探求其原因的心理倾向。经过这个环节的教学，培养学生积极探索的兴趣，启发学生如何进行合理猜想，掌握科学推理的方法，为下一步验证猜想做好铺垫。

1.3  设计实验，实践上验证作出的猜想

[环节要求] 物理是基于观察与实验的学科，实验是猜想与真理之间的重要桥梁。在发现式教学过程中，在学生对问题原由做出猜想之后，教师要引导学生设计能够验证猜想的实验，让学生经历实验验证的过程，及时给学生提供必要的指点。

[教学片段3]

思考问题：要怎么验证我们的猜想（电流方向、磁场方向与安培力的方向有关）。

设计实验：若是保持其他条件不变，电流方向的改变导致线圈的旋转方向改变，就能证明电流的方向与安培力的方向有关;同理，也能证明磁场的方向与安培力的方向是否有关。列出实验表格（如表1）。

表1  实验表格

进行实验，得到实验结果。

[环节意义] 控制变量法是学生初中就学习并要求掌握的重要实验方法。本环节要求学生根据问题条件检索已学的实验方法，能想到大概的实验设计思路。环节难度适中，挑战性和胜任力同在，有利于维持学生学习动机、对训练学生科学设计实验以得到问题答案的能力和意识有重要意义。

1.4  理论教学，为发现过程提供理论支持

[环节要求] 有效的发现式教学需要一定学习资料的支撑，要避免学生过重的信息加工负担[ 5 ]。发现式教学主张教师在引导学生发现的同时也要对学生进行知识的讲授，为学生发现的过程提供理论帮助，方便学生确定问题的原由。让学生发现能够发现的，讲授学生能够理解的，减少学生的畏难心理，保证教学的质量和效率。

[教学片段4]

师：实验结果告诉我们：安培力的方向与磁场的方向有关系，也与导线中的电流方向有关。而科学家当然不止步于知道安培力的影响因素，他们还总结出了安培力方向与电流、磁场方向的关系——左手定则，以判断具体情况中安培力的方向。

介绍左手定则，并运用左手定则判断两道简单的例题（如图5）。

图5  运用左手定则判断安培力方向例题

再分析实验：安培力为什么让线圈绕着电池旋转？

教师指导学生先将实验中电流I及磁场B方向标出，用左手定则判断线圈上M、N点（如图6）的安培力F方向，并讲解答案（如图7）。

[环节意义] 在教学中渗透科学家们锲而不舍只为真理的精神，能够让学生在快速获取科学家得到的结论的同时，感受科学探索的精神、价值与意义。用简单例题检测左手定则的掌握后，回归对实验现象的分析，让学生体会运用所学解决疑难的成就感，提升学生进行发现学习的热情。

1.5  总结学习，理解掌握知识应用情境

[环节要求] 发现式教学不只是一种讲课方式，更应该是属于学生的一种学习方式，教师要尽可能让学生掌握这种发现式的学习方法，简单回顾问题解决的过程，引导学生将所学的课本知识和发现学习方法应用到相似的物理或非物理的场景中去，帮助学生建立比较稳定的运用知识主动发现的心理倾向。

[教学片段5]

师：在前面的学习中，通过心形线圈受力开始转动的现象，学习了安培力的定义;通过研究线圈旋转的方向，学习了影响安培力方向的因素和左手定则。类似研究安培力方向的方法，是不是能验证安培力的大小与哪些因素有关呢？

生：可以，由于磁场、电流、导线长度都具有大小，可以通过更换磁铁、更换电池，更换线圈，以改变磁场、电流以及导线长度大小，记录时间和旋转圈数以比较线圈旋转的快慢。

教师简单介绍安培力大小的影响因素的研究方法，让有兴趣的学生课后实验，并介绍安培力计算公式。

[环节意义] 发现式教学的应用不只为了让学生获得物理学已经发现的知识，更为了让学生获得独立进行科学发现的能力，去发现人类还未发现的知识。随着学生能够主动应用发现学习，学生的独立思考能力和逻辑思维能力得到发展，主动进行发现学习、科学探索便能逐渐成为他们终生学习的人生态度[ 2 ]。

2  结束语

这个飞速发展着的社会要求人们拥有终身学习的能力。教育应该给学生们带来的，不是在校时“做了多少题”，更需要培养学生在实际生活中能够“解决多少问题”的能力。发现式教学能在保证系统知识学习的前提下，让师生模拟科学发现过程[ 6 ]，发展学生的多维能力，培养学生尊重科学、热爱科学的态度与价值观，从而实现提升教育教学质量的目的。最后，没有一种教学方法是“普适”的，教师应当注意根据不同学科性质、教学内容、学生程度等方面的特点合理选用不同教学方法，让教学方法真正服务于教与学。

参考文献：

[1] 陈忠煜.在物理教学中应用探究发现法[J].福建教育学院学报，2004（3）：69-70.

[2] 齐春霞，王培三，梁晓露.“发现教学法”在初中化学教学中的应用[J].安徽化工，2020，46（6）：133-136.

[3] 陳兰莉，郭新峰，王生钊.布鲁纳的发现法在物理教学中的应用研究[J].海峡科技与产业，2016（7）：142-143.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 周中云.试论发现式学习的有效途径[J].教育探索，2004（7）：32-34.

[6]金守强.“发现法”在物理教学中的应用[J].沈阳师范学院学报（自然科学版），2000（1）：71-73.