實驗為橋大任務(wù)驅(qū)動大單元教學的思路探討 論文

實驗為橋，大任務(wù)驅(qū)動大單元教學的思路探討摘要：基于“新課程”的教材改革背景下的高中物理新教材的編寫注重學科核心素養(yǎng)在知識中的整體架構(gòu)和學生的整體學習體驗，大任務(wù)驅(qū)動是大單元整體教學模式的重要一環(huán)，而實驗教學是物理課堂重要的組成部分。筆者結(jié)合新教材特點以電磁感應相關(guān)創(chuàng)新型實驗搭橋從而高效推動“電磁感應與電磁波初步”的單元教學。本文為大單元整體教學模式下實驗教學方面做了有益的實踐和探索，以供各位同仁參考與研討。關(guān)鍵詞：大單元教學，大任務(wù)驅(qū)動，創(chuàng)新實驗，自制手機無線充電器。引言：新教材的使用已經(jīng)有段時間，很多教師都在不斷探索新教材提出的大單元整體教學模式應該如何實行。我們很多時候把整合的側(cè)重點都放在知識體系上，但是實驗教學是物理課堂極其重要的組成部分。實驗教學該如何進行單元整合呢？本文從實驗為橋的角度，就以我們熟知的“電磁感應與電磁波初步”這一單元為例，探討如何以大任務(wù)驅(qū)動大單元教學。筆者進行了多方面請教和參考，并設(shè)計了一系列創(chuàng)新型實驗，尤其是“探究法拉第電磁感應定律”這一實驗的創(chuàng)新點和成果都很明顯。本文的思路已經(jīng)被筆者多次應用到了實際教學中，取得不錯的教學成果。一、大任務(wù)串聯(lián)起單元教學內(nèi)容“電磁感應與電磁”這一單元是必修模塊的最，在力學和電學的礎(chǔ)上，落實課程標準的要求，內(nèi)容跨度大，但線索清晰。從電和磁之間的聯(lián)系講到電磁感應，再到電磁場、電磁波。對于學生來說能否掌握本章的核心素養(yǎng)不應該是只會解答相關(guān)習題，他應該能做一個東西出來，這個東西應該是能夠為學生的生活服務(wù)，讓他感受到物理課堂是真正地學以致用。所以我結(jié)合高中生的生活特點提出了這樣的一個本單元的大任務(wù)，那就是制作一個手機無線充電器，并成功的為手機充電。再來看看課程標準的相關(guān)具體要求如下：通過實驗，認識磁場，了解磁感應強度，會用磁感線描述磁場；體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用；通過實驗，了解電磁感應現(xiàn)象，了解產(chǎn)生感應電流的條件。為了更好的實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)教學的目的，我從單元整體上設(shè)計了如下的任務(wù)群：1.探究如何描述磁場的強弱和方向。2.探究法拉第電磁感應定律。3.查閱資料并動手探究變壓器原副線圈電壓大小影響因素。4.最后實現(xiàn)大任務(wù)自制手機無線充電器，大任務(wù)的成功就可以反應學生能夠熟練掌握并應用電磁感應相關(guān)知識，也意味著學生在大單元整體教學模式下獲得了物理核心素養(yǎng)的整體提升。二、實驗為橋，推進大任務(wù)驅(qū)動1.探究如何描述磁場的強弱和方向我們都知道磁場的強弱和方向通過磁感應強度這個物理量來描述，但是對學生來說，它是很抽象的，看不見也摸不著。傳統(tǒng)教學中通常都是理論類比電場向?qū)W生介紹磁感應強度，我認為這是不夠的，電荷之間的受力特點學生在初中實驗課上是見過的，而通電導線在磁場中的受力學生并沒有細致地觀察和探究。如果只是淺顯地向?qū)W生灌輸磁感應強度的概念，首先學生對知識點的掌握就比較模糊，更不要說深入理解磁感應強度的物理意義了。為了更好的實現(xiàn)高中物理核心素養(yǎng)的提升，我設(shè)計了下面的實驗：圖1，圖2實驗中判斷通電導線受力方向是依靠一個拆除外殼的電流表，而定量確定通電導線受力大小的是力的傳感器，改變磁感應強度是通過一對弱磁鐵和一對強磁鐵來實現(xiàn)的。力的傳感器連接著計算機，由計算機直接得出結(jié)果并生成圖像，再通過圖像分析總結(jié)磁感應強度的定義。為了在實驗中培養(yǎng)高中物理核心素養(yǎng)科學探究能力，通過任務(wù)鏈加分組實驗的形式在課堂中推進本實驗。問題鏈設(shè)置如下：（1）磁場的作用對象為磁體和通電導線，探究磁場的大小采用哪個作用象更好？（2）類比電場，在相同磁場中通電導線受到的作用力與哪些因素有關(guān)？（3）用哪個物理量定量描述通電導線？（4）通電導線在磁場中受力與電流成線性關(guān)系，斜率有何意義？（5）磁感應強度B與通電導線在磁場受到的力F成正比？（6）磁感應強度B與電流元IL成反比？圖3（實驗裝置圖）強磁鐵磁場，斜0.9777N/A普通磁鐵磁場，斜0.5486N/A圖4（實驗結(jié)果圖）當學生處理完所有的任務(wù)鏈中的問題后，他自然對磁感應強度的定義B=F/IL有了詳細而深入的理解。這個實驗的設(shè)計意圖是通過問題鏈的形式激發(fā)學生的探究欲望，促使他們運用已有知識，通過類比、分析、交流、總結(jié)，主動構(gòu)建新的知識，同時深化對電磁相互聯(lián)系的認識。2.實驗探究法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定律在高中物理具有重要地位，同時學習它也有一定的難度，而一個成功的演示實驗對于學生深入理解該定律的幫助不言而喻。課本中的實驗只能做一個定性的探討，讓學生理解感應電流產(chǎn)生的條件，但是在解決具體問題時，僅僅只有定性分析是不夠的，也不能滿足高中物理核心素養(yǎng)對我們這節(jié)課提出的科學思維和科學探究方面的要求。在這里我設(shè)計了一個創(chuàng)新型實驗去探究法拉第電磁感應定律，做好這個實驗也是推進大任務(wù)驅(qū)動的關(guān)鍵所在。下面我來具體介紹下這個實驗：本實驗從教材原始實驗著眼，積極思考和探索，從自制線圈改變匝數(shù)、利用減速電機配合調(diào)速器控制磁鐵運動的時間、電壓傳感器配合計算機測量感應電動勢的圖像、同屏軟件展示實驗過程四個方面入手，克服“法拉第電磁感應定律”演示實驗操作難、效果差、難以得出結(jié)論等困難，獲得出色效果。教材利用電壓表配合自由落體運動分別改變線圈的匝數(shù)、磁鐵的強度得出了感應電動勢與線圈的匝數(shù)以及磁通量的變化率之間定性的關(guān)系，由于該實驗成功難度極大，教師在教學中往往以視頻或課件模擬代替演示實驗，影響教學效果。實際實驗在演示過程中存在很多困難，使得操作難、效果差、難以觀察、學生不能分析歸納結(jié)論。下面是我對實驗困難做的總結(jié)并提出的改進基本思路。（1）教材中的實驗使用磁鐵做自由落體運動，導致磁鐵通過線圈的速度大，電壓表記錄感應電動勢的時間很短，來不及觀察。該實驗設(shè)法控制磁鐵的速度從而使實驗清晰且具有說服力。（2）教材中磁鐵通過線圈的速度難以求出，導致不能獲得感應電動勢和間的定量關(guān)系，教材只是要求學生對這一關(guān)系有定性的認識即可，不利于培養(yǎng)學生的科學探究能力。該實驗設(shè)法將速度的關(guān)系定量處理從而得出在磁通量的變化量一定時感應電動勢與時間成反比。（3）教材中對怎么控制磁通量的變化量不變沒有做處理，現(xiàn)實實驗很難得絕對勻強的磁場來控制磁通量的變化量不變，該實驗進行了大膽地思維創(chuàng)新通過每次實驗均比較最大電動勢來巧妙解決這一問題。（4）教材中使用電壓表測量感應電動勢，電壓表偏轉(zhuǎn)時間極短且不夠準確，學生只能獲得一般的定性感受，不利于培養(yǎng)學生的科學思維。該實驗用更先進的電壓傳感器配合計算機來解決這個問題。（5）實驗儀器體積不大導致不能讓所有同學都觀察清楚，該實驗用智慧課堂中的同屏軟件成功解決了這一問題。針對實驗存在的困難，為了達到良好實驗效果，讓學生可以在課堂實時觀察，筆者從以下幾方面具體進行了創(chuàng)新和改進。（1）用減速電機將磁鐵以合適的速度勻速拉上去，能夠確保同一次實驗鐵通過線圈的速度相同，且讓電壓傳感器有足夠長的時間記錄數(shù)據(jù)。（2）用調(diào)速器控制磁鐵的速度，可以定量的分析圖5（實驗裝置圖）（3）現(xiàn)實實驗很難獲得絕對勻強的磁場來控制磁通量的變化量不變，我通過每次實驗均比較最大電動勢來巧妙解決這一問題。（4）用電壓傳感器和計算機配合可以將每一時刻的感應電動勢準確測量來并通過計算機以圖像的形式直觀地呈現(xiàn)出來。圖6（200匝），圖7（400匝）使用200匝（圖6）和400匝（圖7）的線圈，讓同樣的磁鐵以相同速度經(jīng)過線圈，分別得出它們的最大電動勢，發(fā)現(xiàn)最大電動勢和匝數(shù)成正比。圖8（速度v）圖9（速度v/2）讓同樣的磁鐵分別以v（圖8）和v/2（圖9）經(jīng)過同一個線圈，再次測出它們的最大電動勢，發(fā)現(xiàn)最大電動勢和速度成正比即與運動時間成反比。此時磁通量的變化量是一定的，即可得到感應電動勢和磁通量的變化率成正比。（5）當實驗效果明顯的時候，如何將實驗過程分享給學生觀察成為關(guān)鍵，因為實驗本身器材體積不是很大而且實驗時間也比較短暫，學生往往看不清楚整個過程導致沒有很好的理解實驗的原理?？紤]到現(xiàn)有智能手機拍攝效果好且具備投屏功能，用手機或平板等拍攝，同時用智慧課堂的同屏軟件將實驗過程無線同屏到大屏幕。學生可以實時觀察分析，效果明顯。本實驗在實際教學中取得非常出色的效果，全體學生都能夠清晰準確的觀察到不同情況下電壓傳感器所記錄的最大感應電動勢，從而總結(jié)出法拉第電磁感應定律即閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比、與線圈匝數(shù)成正比；加深了學生學習物理的熱情，培養(yǎng)了他們繼續(xù)學習電磁學的興趣，同時鍛煉了物理核心素養(yǎng)中科學思維和科學分析的能力。這個實驗將來可以將超強磁鐵換成電磁鐵效果會更好，可以通過連續(xù)改變電流改變磁場強弱，獲取更多數(shù)據(jù)研究電動勢和磁場強弱的關(guān)系。3.查閱資料并探究變壓器原副線圈電壓大小影響因素因為制作無線手機充電器必須有明確的電流電壓信息，一般市面上的手機充電器輸出電壓大約5V，輸出電流大約2-6A，所以我們自制的手機無線充電器必須要有明確的數(shù)據(jù)支撐，否則充電會引起手機的損壞。而要想定量控制無線充電器的輸出電壓那就要學生掌握變壓器的相關(guān)理論知識。在這里對于學生的要求比較拔高，筆者采取了這樣的方式：首先引導學生查閱資料，利用法拉第電磁感應定律，推導電壓與匝數(shù)關(guān)系，再利用不同電壓比的變壓器，進行拆解，猜想電壓與匝數(shù)關(guān)系，初步得出變壓器輸入電壓與于原副線圈匝數(shù)比，最后由學生分組自制線圈進行實驗驗證。4.最后實現(xiàn)大任務(wù)自制手機無線充電器在前面三個實驗的基礎(chǔ)上，學生掌握了磁感應強度、磁通量等磁場的相關(guān)物理知識，并通過探究法拉第電磁感應定律實驗明確了感應電流產(chǎn)生的原理和感應電動勢的定量計算依據(jù)，并且利用變壓器的工作原理實現(xiàn)了定量控制輸出電壓。這時他們已經(jīng)有了制作手機無線充電器的理論儲備，再選擇合適的直流變交流和交流變直流集成模塊，學生就可以成功地制作出手機11）。接下來用我們自制的手機無線充電器12、圖13、圖14、圖15。圖11（自制無線手機充電器）圖14圖12圖13圖15圖16表3（使用自制手機無線充電器）大任務(wù)的成功完成（圖16）就意味著“電磁感應與電磁”這一單元最重要的電磁感應部分內(nèi)容的教學是成功的。通過實驗為橋?qū)⒑诵乃仞B(yǎng)所要求學生掌握的物理概念例如磁感應強度、磁通量、產(chǎn)生感應電流的條件等依次明確和深化；在學生親自參與實驗過程中他們的科學思維、實驗探究能力得到了鍛煉和提升；同時手機無線充電器的制作成功離不開學生的創(chuàng)新探究和合作共享，這是他們一次科學態(tài)度和責任的有效教育。三、總結(jié)和反思筆者基于大單元整體教學模式為“電磁感應與電磁波初步”這一單元設(shè)置了一個大任務(wù)，為了完成這個大任務(wù)，又通過四個實驗任務(wù)群層層遞進，應該說以實驗為橋?qū)崿F(xiàn)了大任務(wù)驅(qū)動大單元整體教學。從學生反饋來看效果是比較理想的，學生對物理概念的掌握既有了廣度也有了深度，當大任務(wù)完成后大家都迫不及待地想給自己的手機充電，這無疑增加了他們學習物理的興趣，陶冶了他們的科學情操。筆者也有一些反思，其一是一個單元的大任務(wù)想要完成，一般來說部分實驗或者部分內(nèi)容就會超出所學范圍，如果回避的話，往往大任務(wù)驅(qū)動就很難具有連貫性，所以這一塊的困難還要求授課老師多方面多角度來處理好。再有就是實