物理文化背景下的中学物理课堂教学初探

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  摘 要:物理学是一门以实验为基础的探究性学科,在物理学的发展过程中,蕴含了丰富的物理文化。我国中学课程标准提出了物理学科核心素养,在实际的中学物理教学过程中,核心素养的四个方面是不可分割的。我们要在课堂教学中充分融入物理学的文化,以物理文化为指导设计物理课堂教学,来培养学生的“科学态度与责任”。本文以物理规律中的法拉第电磁感应定律为例,详细说明了在课堂教学过程中物理文化的渗透,从而为物理教师在课堂教学中渗透物理文化提供参考。
  关键词:物理文化;课堂教学;法拉第电磁感应定律
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2018)11-0008-4
  1 物理文化的含义
  目前我国学者对物理文化的研究与定义各有不同,可见物理文化是一个庞博的领域,涉及内容也是各方面的。继解世雄学者提出物理文化概念后,物理文化这个名词更成为研究的热点,解世雄学者将物理文化定义为:物理文化是世界历代物理学家在创建物理学的过程中,发现、创造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理语言符号、价值标准、科学精神、物理儀器设备以及约定俗成的工作方法的总和[1]。
  1.1 物理文化的教育价值
  物理文化对物理教育的价值在于物理文化侧重于强调物理学的历史性、整体性、思想性以及人文性,侧重物理学家对真善美的追求,并且全面表现出物理学的社会价值,而这些正是我们目前物理学科教育中所欠缺的和长期被忽略的。
  (1)物理文化教育有利于学生了解知识的来龙去脉,能够从物理学家探索物理理论、规律、概念的过程中体会物理学家们刻苦钻研的精神,学习细致入微的观察方法。
  (2)物理文化教育能够培养学生发现美的品质,将传统物理课堂与文学结合,培养学生的美育、美德。
  (3)物理文化教育能够拉近学生与当代科技的距离,使学生消除迷信思想,不依赖权威。
  (4)物理文化教育能够使学生从整体上全面了解物理学科,有助于形成正确的人生观与科学观。
  (5)物理文化渗入到课堂教学中有利于学生对所学知识有根本上的认识,从而更好地理解和掌握知识。
  1.2 课堂教学中渗透物理文化的方法
  (1)物理学史的引入
  在课堂教学过程中,根据法拉第发现电磁感应的历史过程,及时渗透有关法拉第发现电磁感应的实验过程,减少学生建构知识和学生认知过程的困难。
  (2)建立适当的物理学习环境
  物理学习环境包括课堂教学环境、课堂心理环境。课堂教学环境是教学活动的物质基础,课堂教学环境应充分体现物理文化。例如,教室的空间布局,座位编排等。本文在课堂教学中安排学生以前后桌为小组进行实验探究与讨论学习,从而营造出轻松愉悦的课堂氛围。课堂心理环境是指课堂中师生的态度、体验、情感,教学中要建设相对稳定的课堂心理环境。本文在课堂教学中主要是教师以鼓励和表扬的方式与学生彼此建立信任的教学关系。
  (3)展望物理前沿
  利用物理学不断探索与追求的特点,在课堂中引入或发掘当代物理前沿的内容,激发学生对物理科技前沿的探知兴趣,本文主要列举电磁感应定律在日常生活中的具体应用。紧密联系现代生活,使学生感受到科学、科技、社会、环境之间的紧密联系。
  2 物理文化渗透课堂的教学设计案例
  为了实现中学物理教学的核心素养,只是注重知识的掌握和积累是远远不够的,不仅要实现“物理观念”“科学思维”“科学探究”,“科学态度与责任”的实现更是重要。因此,物理课堂中融入物理文化教育,不仅是在创设课堂情境这个环节,在整个课堂教学中的各个环节都要体现物理文化的渗透。
  2.1 分析教材
  “法拉第电磁感应定律”是电磁学的核心内容,它既是教学的重点,又是教学的难点。从知识的发展角度来看,它既与电场、磁场和恒定电流有紧密的联系,又是学习交流电、电磁振荡和电磁波的重要基础;从能力的发展角度来看,它既能在与力、热知识的综合应用中培养学生综合分析的能力,又能全面体现能量守恒的观点。根据中学生好奇心强的心理特点,教学中应着重揭示法拉第电磁感应定律及其公式E=n■的建立过程,向学生展示法拉第等人建立公式的艰苦经历,培养学生形成正确的科学态度,形成对科学和社会的责任感,养成科学的研究方法。通过向学生展示电磁感应在实际生活与现代科技中的应用,让学生理解科学、技术、社会、环境之间的紧密关系,展望未来科技的发展,培养与激发学生对物理科学不断探索的精神。
  2.2 以物理核心素养为基础设计教学目标
  (1)物理观念
  通过本节课的学习,学生应该知道感应电动势的含义,理解法拉第电磁感应定律的内容和表达式,会运用法拉第电磁感应定律解释自然现象和解决实际生活中的问题。
  (2)物理思维
  通过法拉第电磁感应定律的建立,进一步定量揭示电与磁的关系,培养学生类比推理的思维能力和通过观察、实验寻找物理规律的能力;通过设计实验,使学生能够从定性和定量两个方面进行科学推理、找出物理规律、形成结论,并能解释自然现象和解决实际生活中的问题;通过对公式E=n■的理解,学会对公式的初步应用,提高推理能力和综合分析能力。
  (3)科学探究
  通过探究实验,使学生可以分析感应电动势的大小与磁通量变化快慢之间的关系,培养学生的实验观察能力;通过法拉第电磁感应定律的探究实验,使学生具有科学探究意识,能在学习中发现问题并提出合理猜测与假设,具有分析论证的能力,会使用各种方法和手段分析、处理实验数据,描述、解释探究变化的趋势,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。
  (4)科学态度与责任
  通过介绍法拉第电磁感应定律的建立过程,培养学生形成正确的科学态度,养成科学的研究方法。通过本节课的学习,使学生具有学习和研究物理的好奇心与求知欲,能主动与他人合作,尊重他人,理解科学、技术、社会、环境之间的紧密联系,具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。   2.3 新课引入
  教师活动1 教师通过PPT向学生展示课前搜集好的资料:1791年法拉第出生在离英国伦敦不远的纽因格顿一个铁匠的家中,他有九个兄弟姊妹。由于家境贫穷,法拉第幼年并没有受到完整的初等教育。十四岁那一年,法拉第在一间书店学习书本订装技术。这份工作给予了他很多阅读的机会,他尤其喜欢读物理学和化学方面的书。这一经历让年轻的法拉第决定献身科学事业。后来,他在皇家学院的化学家戴维身边得到一份工作。1831年是法拉第作出重大发现的一年,他发现了电磁感应现象,这个现象的发现奠定了日后电工业发展的基础。
  学生活动1 学生展示课前搜集到的资料:法拉第也是一位淡泊名利的人,在法拉第连年取得科学成果的日子里,他不断收到各种诱人的建议。高达他现收入十二倍的工资在诱惑他,各种不同的职务在等着他,英国贵族院要授予他以贵族封号,皇家学院聘请他为学会主席,但是法拉第一概予以谢绝了。
  问题1 早在一百多年前,法拉第就已经知道,通过电动势就可以计算出电流的大小,那么影响感应电动势大小的因素是什么呢?
  教学设计说明:该环节从本节课的教学内容出发,以物理核心素养中的科学态度与责任为基础,给出法拉第的亲身经历,激发学生的学习兴趣,让学生了解物理学史,使学生更清楚地认识物理学家,从而学习科学家的探索精神,培养学生正确的价值观与科学觀。
  2.4 新课讲解
  教师活动2 教师拿出课前准备好的实验器材:电流计、线圈、条形磁铁和导线,连接成如图1所示的实验,将条形磁铁插入线圈中让学生仔细观察,多做几次实验。
  问题2 在线圈插入磁铁的过程中除了观察到有电流产生,电流的大小有没有变化,跟电动势的大小有什么关系?
  学生活动2 学生经过认真观察后会发现电流计的指针偏转,说明电流大小变化了,即电动势大小也变化了。
  问题3 电动势大小是如何变化的?与哪些因素有关?如何设计本实验?
  学生活动3 学生以前后桌为小组进行讨论,并给出实验设计方案。
  教师活动3 对各小组提出的实验方案进行点评,表扬并鼓励学生的想法,与学生共同总结出探究影响电动势大小因素的实验方案。最后,给出法拉第当时探究电磁感应定律的实验方案供学生参考。
  教学设计说明:此环节的教学过程主要运用建立良好的课堂环境的策略在课堂教学中渗透物理文化,学生以前后桌为小组进行讨论交流,可以有效激发学生的课堂参与度,使每个学生都能发言。教师给出法拉第当时探究电磁感应定律的实验过程,还原了科学家的探究实验过程,引入物理学史,使学生能够切身感受科学探究过程,对学生掌握物理知识有很大帮助。
  最终确定的实验方案如下:
  实验器材:电流计,不同规格的磁铁,匝数不同的线圈,导线若干。
  实验方法:
  (1)按图2所示的装置将相同的磁铁以不同的速度从同一位置插入同一个线圈中,观察并比较电流计指针的偏转情况。
  (2)按图2所示的装置换用磁性不同的条形磁铁分别从同一位置以相同速度插入同一个线圈中,观察并比较电流计指针的偏转情况。
  (3)按图2所示的装置用一个条形磁铁从同一位置以相同的速度插入匝数不同的线圈中,观察并比较电流计指针的偏转情况。
  学生活动4 学生按照已经设计好的实验方案进行实验,教师提醒大家,所有的实验过程都是历经重重困难的,我们要学习法拉第的科学探究精神,不放弃,多进行几次实验,从而得到普遍规律。
  学生分组进行实验(1):任取一个条形磁铁、电流计、线圈、导线,连接好电路,分别将条形磁铁缓慢与快速插入线圈中,观察并记录。
  教师活动4 师生共同总结:穿过磁通量变化相同,穿过越快,时间越短,产生的感应电动势越大,即在ΔΦ相同的情况下,所需的Δt越小,产生的E越大。
  学生活动5 学生分组进行实验(2):取两个不同规格的磁铁、电流计、线圈、导线,连接好电路,分别将两个条形磁铁以相同的速度插入线圈中,观察记录。
  学生以小组为单位进行总结,得出结论:插入线圈的速度相同,即所用时间相同,但穿过线圈的磁通量变化不同,电流表的偏转角不同,即产生的感应电动势大小不同。说明感应电动势的大小还与磁通量的变化有关,即在Δt相同的情况下,ΔΦ越大,产生的E越大。
  学生活动6 学生进行实验(3):取一个条形磁铁、电流计、导线、两个匝数不同的线圈,连接好电路。分别将条形磁铁以相同的速度插入两个线圈中,发现线圈匝数多的电流计指针偏转角度大一些。总结得出结论:磁通量变化ΔΦ相同,时间Δt相同,匝数n越多,指针的偏转角越大,产生的感应电动势E越大。
  教师活动5 让每个小组派一个学生发言,总结出他们组得出的结论,并鼓励学生踊跃发言。
  经过学生的补充发言,教师带领学生总结出影响感应电动势大小的因素:当穿过线圈的磁通量变化量与时间之比越大,即磁通量的变化率越大时,线圈中产生的感应电动势就越大。
  学生活动7 学生在教师的带领下总结出如下结论:
  (1)内容:电路中感应动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
  教学设计说明:该教学环节主要从实验探究的方法去实现本节课知识点的学习,在教学实验过程中通过建立适当的物理学习环境的方法渗透物理文化,营造轻松愉悦的课堂环境,建立良好的师生关系,拉近教师与学生的距离,使学生减少学习物理的抵触心理,从而更好地理解所学知识。
  2.5 列举实例,展望物理前沿
  教师活动6 教师通过PPT向学生展示法拉第电磁感应定律在日常生活和现代科技中的应用:发动机、变压器、汽车车速表、磁带录音机、电磁炉、磁悬浮列车的原理都是利用电磁感应,电磁感应定律的发现使人们将机械能转化为电能成为可能,人类因此迎来了电气时代。
  教师通过PPT和小视频的形式向学生展示法拉第做的探究实验以及发现电磁感应的全过程,最后带领学生再次复习本节课所讲的影响感应电动势的因素,加深学生的理解和记忆。
  教学设计说明:本教学环节体现了展望物理前沿的方法,通过向学生介绍电磁感应定律在生活与科技中的应用,使学生能够清晰明了地感受物理知识就在自己身边,展望科技的发展,并且能够激发学生对物理学的探究精神。
  3 后 记
  我国目前中学物理教育提出了物理学科核心素养的培养,但基于传统的教学模式以及考试的压力,在实际教学过程中教师往往重视知识的学习与掌握,对学生“科学态度与责任”的培养有所忽略。物理文化课堂教学并非只是知识的学习,更是一种思维方式和认识路径,承担着文化传承的教育功能[4],将物理文化融入课堂教学可以很好地体现这类功能。
  参考文献:
  [1]谢世雄.物理文化简论[M].重庆:西南师范大学出版社,1996:1-12.
  [2]冯杰.高中物理探究实验及案例教学设计[M]. 北京:北京大学出版社,2011:4.
  [3]李新乡.物理教学论[M].北京:科学出版社, 2009.
  [4]汪明.物理文化课堂教学的思考与实践[J].物理教师,2017,38(5):32-35.
  (栏目编辑 赵保钢)
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