感生电场的探究式教学设计
付静
摘? 要 探究式教学是目前国际上最受推崇的一种以教学为主导、学生为主体的互动式教学模式。吉林建筑科技学院成立了探究式教学研究小组，以“感生电场”一课为例，开展探究式教学模式研究与实践。经小组研究讨论，并由主讲教师按照“感生电场的提出、感生电场的特点、感生电场的应用”这条主线进行讲授，课堂采用探究式教学模式，同时在课堂中穿插了实验演示、互动交流等环节，实现理论与实验相结合，营造了活跃、生动的课堂氛围，为探究式教学更好地发展奠定了基础。
关键词 探究式教学;感生电场;教学设计;实验演示
中图分类号：G642? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）12-0124-04
Abstract Inquiry-based teaching is currently the most respected interactive teaching model in the world. The school has set up an inquiry-based teaching research group. Taking the class of “sensing electric field” as an example， it has carried out research and practice of inquiry-based teaching mode. After discussion and discussion by the group， the lecturer conducted the lecture according to the main line of “the introduction of induced electric field， the characteristics of induced electric field， and the application of induced electric field”. The classroom adopts the inquiry teaching mode and inter-spersed experiments in the classroom. Demonstration， interactive communication and other aspects have realized the combination of?theory and experiment， creating an active and vivid classroom atmos-phere. It laid the foundation for better development of inquiry tea-ching.
Key words inquiry teaching; induced electric field; instructional design; experiments demonstration
1 引言
近几年来，各高校为了提高教学水平，不断探索、改革教学模式、形式和手段。探究式教学是一种师生互动式教学模式，它将教师的教学与学生的研究性学习融为一体，具有研究性、创新性等特点，是目前国际上最受推崇的一种互动式教学模式[1-2]。因此，深入开展、研究探究式教学模式的教学设计、教学形式和教学效果，对提高高校教学水平，培养高层次创新应用型人才具有十分重要的意义。
為此，吉林建筑科技学院物理教研室于2010年成立探究式教学研究小组，致力于教学模式的改革与实践研究，先后取得很多研究成果。本文以感生电场一课为例，从教学设计、教学过程、教学效果、教学反思等四个方面，深入探讨探究式教学模式，希望各位老师互相借鉴、共同探讨。
2 探究式教学模式的内涵
所谓探究式教学模式，就是教师引导性地教，学生探究性地学，以学生为主体，自主学习和合作探究相结合的教学模式。探究式教学模式的具体做法就是教师把所要讲述的内容分成若干个问题、项目或设计，引导学生通过自主学习和合作探究的方式，一一解决问题。在解决问题的过程中，学生在获取知识的同时，激发求知欲，培养学习自主性和创新能力，提高探究技能。探究式教学真正体现了以人为本的主体性原则，进一步诠释了学生才是教学的主体。
3 感生电场的探究式教学设计[3-5]
教学任务? 感生电场属于电磁感应部分的内容之一，学生之前已经学习过高等数学的微积分和大学物理中的电学、磁学的相关知识，并了解了电磁感应的概念。电磁感应现象的发现，是电磁学领域最重大的成就之一，为电工学和电子技术学奠定了基础，为人类获得巨大而廉价的电能和进入无线电通信的信息时代开辟了道路，而感生电场是电磁感应的重要内容之一，是工科学生必须掌握的物理知识。为此，选择吉林建筑科技学院电气自动化专业一年级学生作为实验班，该专业的学生将来从事的是与电气工程有关的电力电子技术、研制开发等领域，因此，对于感生电场的理论与应用的学习，对于提高学生的专业技能和创新创业能力是必不可少的。
教学目标
1）知识技能。
①了解感生电场的来源：变化的磁场产生的。
②掌握感生电场的特点，即电场线是闭合的;掌握感生电场的环路定理和高斯定理表达式，以及感生电场和静电场的区别。
③了解感生电场的几种效应，即热效应、机械效应、趋肤效应;了解感生电场在工程技术和生产生活中的应用;了解磁悬浮列车的起动、制动原理。
2）能力指标。
①能利用感生电场的环路定理和高斯定理解决具体的题目，加深学生对感生电场基本概念和定理的理解。
②会利用感生电场的几种效应分析磁悬浮列车起动与制动、电子感应加速器和电磁加热过程中的原理，使学生了解感生电场在电气自动化工程中以及生产生活中的应用，提高学生综合运用知识的能力和解决实际问题的能力。
③利用课堂实验演示现象，并通过分组讨论环节，使学生掌握知识的同时，提高探究能力，培养科学精神。
教学策略和教学流程设计
1）教学策略。本节课采用以教师为主导、学生探究式学习为主体的教学原则，教师在课堂上只讲本节课的几个相关重要知识点，讲解过程穿插物理学史和实验演示，激发学生的学习兴趣，然后利用事先设定的具有针对性的问题，让学生通过分组讨论的形式进行探究式学习。为激发学生参与思考与讨论的积极性，设小组积分制，最先讨论出正确答案的，给予一定的积分奖励。课程结束前评选出本节课最佳小组表现奖和最佳个人表现奖。
2）教学流程设计。
①利用生活中常接触到的实验现象作为引课，激发学生的求知欲。
②教师穿插有趣的物理学史讲解麦克斯韦如何提出了感生电场的概念，激发学生的学习兴趣。随后，教师给出几个有针对性的问题，学生分组进行讨论，并归纳总结感生电场的几个特点，以及它和静电场的区别。此环节充分体现学生为主体的教学原则，学生通过互动讨论，获取知识的同时，培养语言表达能力、探究能力、归纳总结能力和创新能力。
③教师利用演示实验讲解感生电场的几个重要的应用，让学生直观地感受感生电场的存在。最后仍然利用演示实验现象，给学生留下课后讨论的问题，培养学生的探索精神和创新意识。
4 感生电场的探究式教学过程
课题的引入? 教师利用涡旋电流产生热量的演示实验，模拟电磁炉烧水的过程，如图1所示，通电后，在短短的几秒钟内水槽中的水就沸腾了。利用这个神奇的小实验激发学生的学习兴趣，引出本节课的主要内容。
讲解感生电场的来源? 教师引入物理学史，讲解麦克斯韦是如何提出感生电场的概念的。麦克斯韦做了一个实验，他在一个磁场中垂直地放入一个环形线圈，当磁感应强度发生变化的时候，发现线圈中会有电流流过。于是，麦克斯韦想：“是什么力量推动了电荷作定向运动，形成了电流呢？是静电场力吗？不是。是洛伦兹力吗？也不是。”于是，在1856年的时候，麦克斯韦大胆地提出一个假设，那就是变化的磁场一定是产生了一个新的电场，推动电荷做运动。麦克斯韦后来把这种新的电场就叫感生电场。正是由于感生电场的提出，使人们对于电磁学的研究在19世纪达到一个巅峰，也使人们从蒸汽机时代迈入信息化、电气化时代。
伴随着这个生动的小故事，跟随科学家的脚步，重温科学发展的历史，感受新理论提出的震撼力量，培养学生严谨的科学态度和勇于创新的精神。
探究感生电场在工程技术和生活中的应用? 为了提高学生理论联系实际的能力，这部分内容没有把感生电场的特点和应用分开讲，而是结合在一起，根据感生电场的特点探讨其应用。因此，这部分内容的重点是总结感生电场的特点和理解感生电场的应用原理。为了加深学生对感生电场的理解，同时切实提高学生的探究能力以及解决问题的能力，采用的是启发式、探究式与讨论式相结合的混合式教学方法。
首先由教师利用启发式教学，引导学生归纳总结感生电场的特点：感生电场是由变化的磁场产生的;感生电场的电场线是闭合了（涡旋形状，因此也称涡旋电场），环绕磁感线的;感生电场对电荷有力的作用;等等。并探讨感生电场与静电场的区别与联系，如表1所示。然后根据感生电场的特点，指出其在工程技术上的应用。
1）电子感应加速器。如图2所示，N和S是圆形电磁铁的两极，在两极中间装有环形真空室，电磁铁在频率为每秒约数十周的强大交变电流的激励下，在环形真空室区域产生交变磁场，这交变磁场又在环形真空室内产生很强的涡旋电场。由电子枪注入环形真空室中的电子，既在磁场中受到洛伦兹力作用而在环形室内沿圆形轨道运动，又受涡旋电场的作用沿轨道切线方向而加速。电子感应加速器主要应用在工业上用于γ探伤和医学上用于治疗癌症。
2）涡电流的热作用。这部分内容是本节课学生参与度最高的一部分，也是学生最喜欢、表现最活跃的部分。为了激发学生的学习兴趣，首先选择的例子是生活中常见的家用电磁炉，学生分组讨论家用电磁炉为什么要选择金属器皿，而不能用玻璃制品。对最先回答出正确答案的小组和个人给予相应的积分奖励。
其次，呼应课前做过的演示实验，如图1所示，要求学生仍然进行分组讨论：在这个实验中，涡电流是如何发挥其作用的？对表现好的小组和个人仍然给予相应的积分奖励。有了前面的基础，学生能很快地分析出涡电流的热效应在此处的应用原理。
3）涡电流的机械效应。课堂氛围持续升温，教师接着用实验演示了涡电流的机械效应。如图3所示磁阻尼演示仪，在两块电磁铁N和S极的中间留有一定的空隙，让一个单摆从中穿过做往复运动。在单摆的末端，教师选择两片不同的铜片，一片是完整的，一片是被切成很多条状沟的。教师首先让学生猜测哪个铜片会停得更快？待学生思考几秒钟后，教师分别把两个铜片挂在单摆的末端，做了同样的摆动实验。结果很明显，整片的铜片很快停了下来，而另一片停的时间会长很多。学生这时很好奇，都在积极地思考：为什么会出现这样的现象？接着仍然是分组讨论，并由学生公布自己所在小组的讨论结果，教师只负责引导和点评。
布置课后讨论作业? 经过前面的讨论，学生意犹未尽，所以课后讨论，教师仍然采用实验演示的方法引出题目。如图4所示，教师先介绍磁驱动演示仪器的结构，然后让学生猜想：金属盘会不会跟着这个磁铁一起转动？学生此时的表现仍然很积极，迫不及急地将自己的想法表达出来。然后，教师接通电源，让磁铁发生转动，演示磁驅动的实验现象，学生都惊呼不已。教师宣布今天的作业，课后讨论：为什么金属盘会跟着磁铁一起转动？让学生带着问题离开课堂。
5 教学效果的检测
为了给出一个综合性的教学效果评价[6]，教师专门为感生电场一课设计了测试题，题目从每年的期末考试题中抽取，也是为了与以往学生的期末成绩进行比较。试题内容包括基础概念题和应用题，形式上有选择题、填空题、判断题和简答题。同时，利用问卷调查检测学生对于探究式学习的认可程度。
测验结果? 测验在本实验班进行，人数为80人，题目数量是四道，时间为40分钟，测验成绩分布如表2所示。
对比历年期末考试时学生在感生电场部分的分数，此次测验学生的成绩明显偏高。测试结果表明，探究式教学与传统教学相比，对学生提升成绩有非常积极的效果。
问卷调查结果? 对实验班的学生进行问卷调查，对“探究式教学法是否让你学到了更多的知识”持“同意”观点的学生占80%，持“不同意”观点的学生只占10%。对“在探究式教学中，你是否有更好的参与感”持“同意”观点的学生占90%，持“不同意”观点的学生仍只占10%。这可能有两个原因，一个是学生理论基础不同，课上不一定能完全跟住教师的思路;另一个是学生长期以来习惯于传统填鸭式的学习方式，不适应探究式的学习方法。
6 教学反思
本节课采用以教师引导为主线、学生探究式学习为主体的教学方法，营造了一个师生互动、生生互动的学习氛围，充分体现了以人为本的原则，进一步诠释了学生才是教学的主体。在探究式学习的课堂上，学生表现出惊人的参与感，多数学生能更加主动地思考问题，积极地参与讨论，勇敢地表达自己的观点。探究式学习过程在使学生获取课本知识的同时，不断产生新的思想，提高了探究能力，培养了解决问题的能力、严谨的科学精神和勇于创新的能力。通过本次教学，笔者也总结了几点感想，与大家分享，希望得到广大前辈同行的指教。
教学内容的难度要符合学生的认知程度? 物理学科本身是一门逻辑性非常强的课程，重视知识的内在规律性、系统性和严谨性，导致很多学生根深蒂固地认为物理难学。因此，教师在进行教学内容设计时，一定要根据学生的理论基础来编排。偏难的内容会影响学生的自信心，从而影响学生在课堂上的参与程度，渐渐地失去学习的兴趣，收到适得其反的效果。
探究式教学一定要与启发式教学相结合? 教学中要不断地设置悬念，当学生的好奇心被激发，思维才更活跃，更愿意参与思考与讨论。比如在本次教学中，设计了几个悬念：课前做了一个利用涡电流烧水的实验;两个不同的铜片穿过磁场时摆动不同的实验;磁驱动的演示实验。这几个实验一次次地吸引了学生的眼球，激发了学生更大的求知欲。
理论与实验相联系? 在本次教学中选择了三个有代表性的实验，并且演示了神奇的实验现象，使学生感受到感生电场这样一个抽象的物质是真实存在的，增强对理论的直观感受。通过探究式教学，让学生感觉到这样抽象的理论，在实际的工程技术中是有很多应用的，培养了学生的科研精神和创新思维。
参考文献
[1]许健松.高校探究式教学模式的创新与拓展[J].中国大学教学，2018（11）：35-37，42.
[2]刘健西，林炜.大学探究式课堂教学的实践与探索：内涵、形式与评价[J].中国大学教学，2018（4）：30-33.
[3]韓仙华，蒋敏，王晓，等.大学物理教学设计：方法、能力、素质的综合训练[M].北京：国防工业出版社，2006.
[4]许健松，郑长焰.基于创新创业人才培养的大学课堂教学探究[J].高等农业教育，2017（5）：58-61.
[5]韩筠.创新教与学推动新时期高校教学改革[J].中国大学教学，2017（6）：11-14.
[6]邱文教，赵光，雷威.基于层次分析法的高校探究式课堂教学评价指标体系构建[J].高等工程教育研究，2016（6）：138-143.
[7]李慧，曲亮生，王玉良，等.光的偏振性教学设计[J].物理与工程，2017（3）：56-62.
