實(shí)驗(yàn)為橋大任務(wù)驅(qū)動大單元教學(xué)的思路探討 論文

實(shí)驗(yàn)為橋，大任務(wù)驅(qū)動大單元教學(xué)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(xué)科核心素養(yǎng)在知識中的整體架構(gòu)和學(xué)生的整體學(xué)習(xí)體驗(yàn)，大任務(wù)驅(qū)動是大單元整體教學(xué)模式的重要一環(huán)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課堂重要的組成部分。筆者結(jié)合新教材特點(diǎn)以電磁感應(yīng)相關(guān)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)搭橋從而高效推動“電磁感應(yīng)與電磁波初步”的單元教學(xué)。本文為大單元整體教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面做了有益的實(shí)踐和探索，以供各位同仁參考與研討。關(guān)鍵詞：大單元教學(xué)，大任務(wù)驅(qū)動，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，自制手機(jī)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(xué)模式應(yīng)該如何實(shí)行。我們很多時候把整合的側(cè)重點(diǎn)都放在知識體系上，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課堂極其重要的組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)該如何進(jìn)行單元整合呢？本文從實(shí)驗(yàn)為橋的角度，就以我們熟知的“電磁感應(yīng)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(xué)。筆者進(jìn)行了多方面請教和參考，并設(shè)計了一系列創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，尤其是“探究法拉第電磁感應(yīng)定律”這一實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)和成果都很明顯。本文的思路已經(jīng)被筆者多次應(yīng)用到了實(shí)際教學(xué)中，取得不錯的教學(xué)成果。一、大任務(wù)串聯(lián)起單元教學(xué)內(nèi)容“電磁感應(yīng)與電磁”這一單元是必修模塊的最，在力學(xué)和電學(xué)的礎(chǔ)上，落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，再到電磁場、電磁波。對于學(xué)生來說能否掌握本章的核心素養(yǎng)不應(yīng)該是只會解答相關(guān)習(xí)題，他應(yīng)該能做一個東西出來，這個東西應(yīng)該是能夠?yàn)閷W(xué)生的生活服務(wù)，讓他感受到物理課堂是真正地學(xué)以致用。所以我結(jié)合高中生的生活特點(diǎn)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(jī)無線充電器，并成功的為手機(jī)充電。再來看看課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)具體要求如下：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識磁場，了解磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，了解產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。為了更好的實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)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(qiáng)弱和方向。2.探究法拉第電磁感應(yīng)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(shí)現(xiàn)大任務(wù)自制手機(jī)無線充電器，大任務(wù)的成功就可以反應(yīng)學(xué)生能夠熟練掌握并應(yīng)用電磁感應(yīng)相關(guān)知識，也意味著學(xué)生在大單元整體教學(xué)模式下獲得了物理核心素養(yǎng)的整體提升。二、實(shí)驗(yàn)為橋，推進(jìn)大任務(wù)驅(qū)動1.探究如何描述磁場的強(qiáng)弱和方向我們都知道磁場的強(qiáng)弱和方向通過磁感應(yīng)強(qiáng)度這個物理量來描述，但是對學(xué)生來說，它是很抽象的，看不見也摸不著。傳統(tǒng)教學(xué)中通常都是理論類比電場向?qū)W生介紹磁感應(yīng)強(qiáng)度，我認(rèn)為這是不夠的，電荷之間的受力特點(diǎn)學(xué)生在初中實(shí)驗(yàn)課上是見過的，而通電導(dǎo)線在磁場中的受力學(xué)生并沒有細(xì)致地觀察和探究。如果只是淺顯地向?qū)W生灌輸磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念，首先學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握就比較模糊，更不要說深入理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理意義了。為了更好的實(shí)現(xiàn)高中物理核心素養(yǎng)的提升，我設(shè)計了下面的實(shí)驗(yàn)：圖1，圖2實(shí)驗(yàn)中判斷通電導(dǎo)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(dǎo)線受力大小的是力的傳感器，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度是通過一對弱磁鐵和一對強(qiáng)磁鐵來實(shí)現(xiàn)的。力的傳感器連接著計算機(jī)，由計算機(jī)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(yīng)強(qiáng)度的定義。為了在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)高中物理核心素養(yǎng)科學(xué)探究能力，通過任務(wù)鏈加分組實(shí)驗(yàn)的形式在課堂中推進(jìn)本實(shí)驗(yàn)。問題鏈設(shè)置如下：（1）磁場的作用對象為磁體和通電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線？（4）通電導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度B與通電導(dǎo)線在磁場受到的力F成正比？（6）磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流元IL成反比？圖3（實(shí)驗(yàn)裝置圖）強(qiáng)磁鐵磁場，斜0.9777N/A普通磁鐵磁場，斜0.5486N/A圖4（實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖）當(dāng)學(xué)生處理完所有的任務(wù)鏈中的問題后，他自然對磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義B=F/IL有了詳細(xì)而深入的理解。這個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計意圖是通過問題鏈的形式激發(fā)學(xué)生的探究欲望，促使他們運(yùn)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(rèn)識。2.實(shí)驗(yàn)探究法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律在高中物理具有重要地位，同時學(xué)習(xí)它也有一定的難度，而一個成功的演示實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生深入理解該定律的幫助不言而喻。課本中的實(shí)驗(yàn)只能做一個定性的探討，讓學(xué)生理解感應(yīng)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(xué)思維和科學(xué)探究方面的要求。在這里我設(shè)計了一個創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)去探究法拉第電磁感應(yīng)定律，做好這個實(shí)驗(yàn)也是推進(jìn)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(shí)驗(yàn)：本實(shí)驗(yàn)從教材原始實(shí)驗(yàn)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(jī)配合調(diào)速器控制磁鐵運(yùn)動的時間、電壓傳感器配合計算機(jī)測量感應(yīng)電動勢的圖像、同屏軟件展示實(shí)驗(yàn)過程四個方面入手，克服“法拉第電磁感應(yīng)定律”演示實(shí)驗(yàn)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(yùn)動分別改變線圈的匝數(shù)、磁鐵的強(qiáng)度得出了感應(yīng)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(shí)驗(yàn)成功難度極大，教師在教學(xué)中往往以視頻或課件模擬代替演示實(shí)驗(yàn)，影響教學(xué)效果。實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(xué)生不能分析歸納結(jié)論。下面是我對實(shí)驗(yàn)困難做的總結(jié)并提出的改進(jìn)基本思路。（1）教材中的實(shí)驗(yàn)使用磁鐵做自由落體運(yùn)動，導(dǎo)致磁鐵通過線圈的速度大，電壓表記錄感應(yīng)電動勢的時間很短，來不及觀察。該實(shí)驗(yàn)設(shè)法控制磁鐵的速度從而使實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致不能獲得感應(yīng)電動勢和間的定量關(guān)系，教材只是要求學(xué)生對這一關(guān)系有定性的認(rèn)識即可，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。該實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)實(shí)驗(yàn)很難得絕對勻強(qiáng)的磁場來控制磁通量的變化量不變，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽地思維創(chuàng)新通過每次實(shí)驗(yàn)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(yīng)電動勢，電壓表偏轉(zhuǎn)時間極短且不夠準(zhǔn)確，學(xué)生只能獲得一般的定性感受，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。該實(shí)驗(yàn)用更先進(jìn)的電壓傳感器配合計算機(jī)來解決這個問題。（5）實(shí)驗(yàn)儀器體積不大導(dǎo)致不能讓所有同學(xué)都觀察清楚，該實(shí)驗(yàn)用智慧課堂中的同屏軟件成功解決了這一問題。針對實(shí)驗(yàn)存在的困難，為了達(dá)到良好實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生可以在課堂實(shí)時觀察，筆者從以下幾方面具體進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)。（1）用減速電機(jī)將磁鐵以合適的速度勻速拉上去，能夠確保同一次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖）（3）現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)很難獲得絕對勻強(qiáng)的磁場來控制磁通量的變化量不變，我通過每次實(shí)驗(yàn)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(jī)配合可以將每一時刻的感應(yīng)電動勢準(zhǔn)確測量來并通過計算機(jī)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(yùn)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(yīng)電動勢和磁通量的變化率成正比。（5）當(dāng)實(shí)驗(yàn)效果明顯的時候，如何將實(shí)驗(yàn)過程分享給學(xué)生觀察成為關(guān)鍵，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)本身器材體積不是很大而且實(shí)驗(yàn)時間也比較短暫，學(xué)生往往看不清楚整個過程導(dǎo)致沒有很好的理解實(shí)驗(yàn)的原理?？紤]到現(xiàn)有智能手機(jī)拍攝效果好且具備投屏功能，用手機(jī)或平板等拍攝，同時用智慧課堂的同屏軟件將實(shí)驗(yàn)過程無線同屏到大屏幕。學(xué)生可以實(shí)時觀察分析，效果明顯。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中取得非常出色的效果，全體學(xué)生都能夠清晰準(zhǔn)確的觀察到不同情況下電壓傳感器所記錄的最大感應(yīng)電動勢，從而總結(jié)出法拉第電磁感應(yīng)定律即閉合電路中感應(yīng)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(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，培養(yǎng)了他們繼續(xù)學(xué)習(xí)電磁學(xué)的興趣，同時鍛煉了物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維和科學(xué)分析的能力。這個實(shí)驗(yàn)將來可以將超強(qiáng)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(qiáng)弱，獲取更多數(shù)據(jù)研究電動勢和磁場強(qiáng)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?yàn)橹谱鳠o線手機(jī)充電器必須有明確的電流電壓信息，一般市面上的手機(jī)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(jī)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(jī)的損壞。而要想定量控制無線充電器的輸出電壓那就要學(xué)生掌握變壓器的相關(guān)理論知識。在這里對于學(xué)生的要求比較拔高，筆者采取了這樣的方式：首先引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，利用法拉第電磁感應(yīng)定律，推導(dǎo)電壓與匝數(shù)關(guān)系，再利用不同電壓比的變壓器，進(jìn)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(xué)生分組自制線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4.最后實(shí)現(xiàn)大任務(wù)自制手機(jī)無線充電器在前面三個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生掌握了磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)定律實(shí)驗(yàn)明確了感應(yīng)電流產(chǎn)生的原理和感應(yīng)電動勢的定量計算依據(jù)，并且利用變壓器的工作原理實(shí)現(xiàn)了定量控制輸出電壓。這時他們已經(jīng)有了制作手機(jī)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(xué)生就可以成功地制作出手機(jī)11）。接下來用我們自制的手機(jī)無線充電器12、圖13、圖14、圖15。圖11（自制無線手機(jī)充電器）圖14圖12圖13圖15圖16表3（使用自制手機(jī)無線充電器）大任務(wù)的成功完成（圖16）就意味著“電磁感應(yīng)與電磁”這一單元最重要的電磁感應(yīng)部分內(nèi)容的教學(xué)是成功的。通過實(shí)驗(yàn)為橋?qū)⒑诵乃仞B(yǎng)所要求學(xué)生掌握的物理概念例如磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件等依次明確和深化；在學(xué)生親自參與實(shí)驗(yàn)過程中他們的科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究能力得到了鍛煉和提升；同時手機(jī)無線充電器的制作成功離不開學(xué)生的創(chuàng)新探究和合作共享，這是他們一次科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的有效教育。三、總結(jié)和反思筆者基于大單元整體教學(xué)模式為“電磁感應(yīng)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(shí)驗(yàn)任務(wù)群層層遞進(jìn)，應(yīng)該說以實(shí)驗(yàn)為橋?qū)崿F(xiàn)了大任務(wù)驅(qū)動大單元整體教學(xué)。從學(xué)生反饋來看效果是比較理想的，學(xué)生對物理概念的掌握既有了廣度也有了深度，當(dāng)大任務(wù)完成后大家都迫不及待地想給自己的手機(jī)充電，這無疑增加了他們學(xué)習(xí)物理的興趣，陶冶了他們的科學(xué)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(shí)驗(yàn)或者部分內(nèi)容就會超出所學(xué)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(shí)