重视知识建构 研究自制实验
程宏亮 冯志雯
摘 要：建构主义者有两个基本认识，一个是新知的学习必须建构在已有知识之上，另一个是自主建构是最有效的学习途径。文章以自制扬声器实验器材为例，着重分析初中物理教材知识的建构体系，以及该自制实验器材对知识建构体系的补充途径。
关键词：初中物理;知识建构;自制;实验器材
人教版九年级物理下册，第二十章“电与磁”第4节“电动机”一节中，通过实验探究归纳了通电导体在磁场中受力与电流方向和磁场方向有关，并以此结论分析了电动机的工作流程和原理。在现实生活中，电动机的应用非常广泛，高铁、地铁、新能源汽车，甚至大型的军舰都采用电动机作为提供动力的装置。所以，将电动机作为“通电导体在磁场中受力的作用”这一物理原理的应用实例是理所当然的。这也拉近了物理知识与生活的距离，符合“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课标理念。但在生活中，还有很多实际应用都与通电导体在磁场中受力这一原理有关，学生如果更早地建构了电动机线圈在磁场中转动的知识，就会很难理解通电导体在磁场中的其他运动方式，而对该物理原理的认知片面。这样的片面认知就会对接下来电磁感应物理概念的学习造成了很大的困扰，因为从学生学习的角度来看，电动机模型和发电机模型的基本构造极为相似。而电动机和发电机的工作原理本身就是互为可逆的电磁互生，这会进一步影响学生对这两个物理知识的认知。鉴于此，在教学过程中必须首先建立完整的通电导体在磁场中受力作用的知识体系，才能利于学生对电和磁知识的整体构建。
建立完整的通电导体在磁场中受力作用的知识体系在教材编写中体现得非常充分，人教版教材在本章章末的“科学世界”栏目介绍了扬声器是怎样发声的，至此，通电导体在磁场中受力至少有三种运动状态，即可能滚动、转动、振动。如图1、图2、图3所示。
图1是研究通电导体在磁场中受力原理的基本模型，学生既可以体验实验探究过程，也易于观察实验现象，所以得到实验结论比较容易。图2是电动机工作原理的示意图。学生认知比较困难，特别对于平衡位置线圈受力时的运动状态，以及换向器的工作原理，学生更是由于思维的抽象而极难掌握。但人教版教材能够从学生认知规律和物理实验教学的本质出发，设计了“想想做做”小小电动机，如图4，通过问题“让线圈转起来”引导，学生“用小刀刮两端引线的漆皮”的实践，自主建构平衡位置受力运动状态和换向器原理的知识，突破难点。最后，教材还具体完整地展现了电动机的工作流程，符合学生具体运算阶段的认知习惯。如图5。
图3是扬声器发声的工作原理示意图，在教材的“科学世界”栏目中出现。学生前期建构的通电导体在磁场中受力滚动、转动的知识与图3中的振动存在差异，这是造成学生认知困难的原因之一。更困难的是，学生没有学习图2电动机原理时的问题引导、实验体验、具体归纳分析的认知过程。所以，要让学生建构完整的通电导体在磁场中受力知识体系，就必须创建完整的认知情境，而最有效的认知情境就是学生自制扬声器装置。
扬声器是把电信号转换成声信号的一种装置，图3是扬声器的构造示意图，它主要由固定的永久磁体、线圈和锥形纸盆构成。当线圈中通有电流时，线圈受到磁铁力的作用而运动;当线圈中电流的方向相反时，线圈向相反方向运动。由于通过线圈的电流是交变电流，它的方向不断变化，线圈就不断地来回振动，带动纸盆也来回振动，扬声器就发出了声音。将原理转化为应用还要通过实验器材的自制，自制扬声器装置的操作如下：
一、 自制扬声器所需的器材
一个一次性的纸杯;一枚大铁钉，长度要超过纸杯的高度约5厘米;一段细漆包线，两端刮去绝缘层，长度大约50厘米;一个可装两节5号干电池的电池盒，带连接正负极的导线;一块音乐芯片，在音乐门铃、废弃的玩具、音乐贺卡上都可获得;一块小磁铁。
二、 制作方法
1. 把漆包线按同一个方向缠绕在铁钉上，由于被磁化的大铁钉两端磁性最强，漆包线要尽量缠绕在铁钉的顶端。
2. 音乐芯片的第1、2接线柱为电流输入，第3、4接线柱为电流输出。将电池盒的正负极导线连在音乐芯片的第1、2接线柱，缠绕在大铁钉上的线圈连接音乐芯片的第3、4接线柱。经过音乐芯片读取，IO口的高低电平以及延迟产生不同的频率电流，变频电流输出到漆包线线圈。
3. 把小磁铁放在纸杯口处，大铁钉穿过杯底被小磁铁吸引固定在杯底。
三、 使用效果
闭合电池盒开关，缠绕的铁钉漆包线线圈成为通电螺旋管，它与小磁铁相互作用，上下振动，纸杯的作用是共鸣箱，放大线圈上下振动频率，得到响度可闻的音乐。
四、 自制扬声器装置的评价和反馈
自制扬声器不仅设计简单，学生易于制作，而且在使用时效果非常明显。使用时，有响度、音色和很好的乐音产生，学生学习内驱力能够迅速被激发，主动进行知识建构。在教师的引导下，自制扬声器装置可以让学生体验到很多旧知，比如小纸杯振动明显，说明声音依靠振动产生。在装置中，振动的能源来自电池的电能转化得到的机械能，说明声音的能量其实是一种机械能。再比如，学生在缠绕漆包线线圈时，缠绕在大铁钉顶部是为了使用磁体上磁性最强的部分，条形磁铁的磁极在磁体两端。
但对这些旧知的验证，并不是该自制实验器材的意义。该自制实验器材的最大意义在于首先完善了学生知识构建的过程，让学生能够从通电导体在磁场中受力滚动、转动构建到上下振动，再到其他复杂的运动状态。第二，该自制实验装置设计简单，效果明显，能够打开学生自主知识建构的大门，达到最理想的学习效果。第三，在通电导体在磁场中受力上下振动这个知识层面，该自制实验器材能够补充教材不够充分的教学环节。实验器材的自制过程，就是设计情境，自主探究，归纳分析总结实验规律的过程，同样也是知识内化的过程。
总之，物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是一个很大的概念，自制实验器材是物理实验概念中最重要的组成部分。自制实验器材教学追求提升学生实验探究能力，追求学生的知识整体构建，追求学生学会研究问题的方法。最终的追求，就是为造就国家未来的“创造型”“实用型”人才作出实质性基础性的贡献。
参考文献：
[1]物理课程教材研究开发中心.物理（九年级全册）[M].北京：人民教育出版社，2012：133-141.
[2]王燕紅.初中物理实验的改进与创新[J].物理教师，2017（9）：47-49.
[3]中华人民共和国教育部制定.义务教育初中科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2011：2-5.
作者简介：程宏亮，冯志雯，广东省深圳市，广东省深圳市坪山实验学校。
