物理（心得）之物理教学中如何培养学生的可持续发展的能力

物理（心得）之物理教学中如何培养学生的可持续发展的能力

物理论文之物理教学中如何培养学生的可持续发展的能力 ‎ ‎　　联合国教科文组织开展了国际合作项目——环境、人口、可持续发展教育（简称EPD）。目的是为了全面提高中学生学习质量和他们的整体素质，明确提出将培养人的主体精神和培养人的可持续发展思想作为EPD教育项目的最高实验目标和育人目标，将主体教育思想和可持续发展教育思想共同确定为实施EPD教育项目的指导思想和基本理念，将主体教育、可持续教育的衔接和融合确定为实施EPD项目的推进策略，并且制定了构建“主体探究—综合渗透”的课堂教学模式，使整个课堂教学始终贯穿 “主体探究、综合渗透、合作活动、创新发展” 的原则。‎ ‎　　在这样一个教学改革的大环境下，物理教学也要根据本学科的特点，探索新型的课堂教学模式，使物理学的教育能让每一名学生都能有不同层次的收获，从而全面提高学生的整体素质，培养他们的可持续发展的能力。下面是笔者教学实践中，EPD理念的物理教学探索的案例分析。‎ ‎　　一、通过“研究性学习”的方式，培养学生的科学探究精神 ‎　　“研究性学习”这种学习方式，通过课题研究的形式，始终贯穿 “主体探究、综合渗透、合作活动、创新发展”‎ ‎ 的原则，为学生的自主学习提供了十分宽松的氛围，学生在课题研究中所获得的收获，远远超出了课题研究本身取得的成果。‎ ‎　　电磁感应一章结束后，课本上有一个阅读材料——寻找“磁单极子”。这是一个很好的科学探究的素材，于是，我把它设计成了一个科学探究的课题研究：寻找“磁单极子”实验的分析。让学生在课题研究的过程中体会科学家们在遇到问题时是如何进行科学探索的，更重要的是，通过课题研究这种方式，使学生在主体探究、合作学习的过程中培养他们的科学探究精神。‎ ‎　　案例一：课题研究——寻找“磁单极子”实验的分析 ‎　　人们早就发现电和磁有很多相似之处。‎ ‎　　1931年，著名的英国物理学家狄拉克从理论上预言了存在着只有一个磁极的粒子——磁单极子。根据磁单极子的理论，电和磁之间的相似将更加完美。理论的动人前景，吸引了一批物理学家，用各种方法去寻找磁单极子。1982年，美国物理学家卡布莱设计了一个寻找磁单极子的实验，他设想，如果有一个的磁单极子从上而下穿过（如图１所示）的超导线圈，可以检测到超导线圈上的电流，也证明了“磁单极子”的存在。为什么超导线圈检测到电流就可以证明发现了“磁单极子”呢？如果“磁单极子”穿过超导线圈，超导线圈中电流应该怎样变化呢？‎ ‎　　针对上述课题研究，设计了三个问题探究。‎ ‎　　问题探究1：一条形磁铁通过一个普通线圈的过程，试分析线圈中产生的感应电流如何随时间变化？‎ ‎　　问题探究2：一条形磁铁通过一超导环的过程，试分析超导环中产生的感应电流如何随时间变化？‎ ‎　　问题探究3：假如“磁单极子”穿过一超导环的过程，试分析超导环中产生的感应电流如何随时间变化？‎ ‎　　经过学生的共同探索，终于找出了问题的答案。‎ ‎　　普通的磁铁都有一个Ｎ极和一个Ｓ极，当一条形磁铁通过一个普通线圈的过程，通过线圈中的磁通量先正向增加后正向减小，磁通量随时间变化的图线如图２（甲）所示，根据法拉第电磁感应定律可推得这过程线圈中产生的感应动势随时间变化的图线如图2（乙）所示，由于普通导线存在电阻，根据欧姆定律可推得线圈中电流变化与感应动势随时间变化完全同步。‎ ‎　　条形磁铁靠近超导线圈的过程，由于在线圈中产生的感应电流产生的磁场与条形磁铁的磁场同名极相斥（如图3所示），所以该过程是不断地克服安培力做功的过程，由于超导线圈没有电阻，所以没有电热损耗，克服安培力所做的功完全转化成了超导线圈的电磁能，因此，条形磁铁靠近超导线圈的过程，线圈中的电流不断增加；当条形磁铁远离超导线圈的过程，超导线圈中感应电流产生的磁场与条形磁铁的磁场仍然同名极相斥，该过程是安培力对外做功，线圈中贮存的电磁能又重新转化成机械能，因此，条形磁铁远离超导线圈的过程，线圈中的电流又将不断减小。由于靠近过程和远离过程完全对称，所以，结束超导线圈中电流又恢复为零，全过程中超导线圈中电流随时间变化的图线如图4所示。‎ ‎　　由于“磁单极子”只有一个磁极，在穿过超导线圈的过程中，穿过超导线圈的磁通量先正向增加后反向减小，磁通量随时间变化的图线如图5所示。而从能量角度看，“磁单极子”靠近超导线圈的过程由于同名极相斥（如图6所示），所以必须不断地克服安培力做功，当远离超导线圈的过程由于异名极相吸，继续要克服安培力做功。因此，全过程都是克服安培力所做的功转化成了超导线圈的电磁能的过程，超导线圈中的电流始终不断增大，当“磁单极子”离开后，这个电流被永远地“记忆”在超导线圈中（全过程中超导线圈中电流随时间变化的图线如图7所示）。所以，只要在超导线圈中检测到了这个“记忆”电流，也就意味着探测到了“磁单极子”的存在。‎ ‎　　通过上述的课题研究，学生们得到了深刻的启示：科学家研究的尽管是物理学最前沿的问题，但是他们研究问题的方法并不是深不可测的，有时与我们所学习的东西非常接近。科学家与我们学生的区别在于，科学家是用他们学到的知识来研究问题，而我们学生则更多的在用我们学到的知识来研究题目。尽管两者只差一个字，但问题的性质就有了本质的区别。所以，在平时的学习中我们必须注意：研究问题比单纯地做题目更重要。只有真正在研究问题的过程中，学会了处理问题的思想方法，当接触到实际问题时，我们才会创造性地用学过的知识去研究问题、解决问题。‎ ‎　　二、应用“探究性学习”的方式，培养学生独立研究研究问题的能力 ‎　　探究性学习是一种以问题为中心的新型的学习方式，学生通过发现问题——提出猜想——探索解决问题的方法——对问题探究的过程中获取知识。探究性学习强调：（1）学习必须从学生已有的经验出发；（2）学生必须有亲身体验、自主参与的过程；（3）学习的过程把培养学生探索世界的积极态度贯穿始终。‎ ‎　　案例二：“向心加速度”的教学设计。‎ ‎　　“向心加速度”是人教版普通高中课程标准实验教科书物理第二册第六章第七节的内容。教材中向心加速度的推导用到了矢量运算的法则，在向心加速度公式推导结束后，提出了这样一个问题：向心加速度公式推导是解决圆周运动的一个核心问题，当年牛顿推导出向心加速度公式后，把这个结论应用到天体运动的规律中，从而发现了万有引力定律，然而当年牛顿是用运动合成和分解的思想导出向心加速度公式，你想尝试一下吗？‎ ‎　　用运动合成和分解的思想，则匀速圆周运动可以看成是：切线方向匀速直线的和径向的向心运动的合运动。应用这种思想也可以顺利地推出向心加速度的公式。作为矢量运算推导的一种补充，有助于培养学生多角度分析问题研究问题的良好习惯，对进一步深化对向心加速度的理解也有一定的帮助。以下是应用运动合成和分解的思想推导向心加速度的具体过程：‎ ‎　　如图8，一质点以速度V作半径为R匀速圆周运动，设在一段很短的时间Δt内，质点从A运动到C，转过的角度为Δθ。从运动的合成和分解的角度看，这个过程质点同时在作两种运动：切线方向A→B在作匀速直线运动，径向B→C在作向心运动。‎ ‎　　在Δt时间内，径向的向心运动的位移S=OB－ＯＣ。如图9所示。‎ ‎　　所以，向心加速度的公式为： 。‎ ‎　　当学生用自己的方法推导出了向心加速度的公式，而且与当年牛顿使用的方法完全一致，学习成功带来的快乐更坚定了他们独立研究问题的信心。‎ ‎　　三、通过“以问题为中心”的教学中，培养学生的自主创新的精神 ‎　　“以问题为中心”的教学，就是要引导学生大胆地提出问题，善于在生活中发现问题，在解决问题的过程中培养自主创新的精神和解决实际问题的能力。‎ ‎　　案例三：“触电保护器”的设计 ‎　　随着电网连接到了千家万户，电在给人们生活带来方便的同时，也带来了各种各样的安全隐患，频繁的触电事故的发生，威胁着人民群众的生命安全。如何发明一种“触电保护器”，在触电事故发生时可以自动断开电源？这个问题引起了许多发明家的思索。你能根据电磁感应原理设计一种“触电保护器”吗？‎ ‎　　这是一个来源于日常生活中的一个实际问题，尽管已经被发明家解决，但是，通过对来源于日常生活中的实际问题的思考，有助于培养学生的自主创新的精神，养成善于发现问题、解决问题的良好习惯。‎ ‎　　学生们通过对变压器工作原理的分析后，终于找到了答案。‎ ‎　　变压器工作时，当原线圈中的电流发生变化时，在铁芯中产生一个变化的磁场，从而在副线圈中产生感应电流。‎ ‎　　如图10所示，如果将绕组A用火线和零线双股平行绕在变压器的铁芯上，其左右分别与220V交流电源和用电器相连，绕组B是一个单股线圈。那么，当电路正常工作时，绕组A中火线和零线的电流始终等值反向，所以铁芯中的磁通量恒为零，绕组B中没有感应电流。当人的手不小心与相线（火线）接触时，由于一部分电流从人体流到了大地，使相线与零线中电流产生了一个差值，导致在铁芯中产生一个变化的磁场，因而在副线圈B中产生了一个感应电流，这个感应电流经过放大后再去控制继电器J，使电路自动切断，避免了触电事故的发生。所以“触电保护器”的工作原理是一个差值变压器。‎ ‎　　在这基础上，让学生进一步查阅有关“漏电保护器”的数据，培养他们治学严谨踏实的习惯。‎ ‎　　漏电保护器具有动作灵敏，切断时间迅速的性能。当人体直接触及220V 带电体时，漏电保护器迅速以0.1 秒的时间快速切断电路。 这时流过人体（一般人体电阻为1 000Ω左右） 的触电电流为 A = 220 （mA） ，其电击量为： 220（mA） ×0.1 （S） = 22mA·S 　　在住宅建筑电气设计时，设计者为用户所安装的漏电保护器选择了额定动作电流小于、等于30mA ，动作时间为0. 1 秒。 当发生接地故障时，只要有漏电电流产生，就会在漏电电流 30mA 时，漏电保护器就立刻动作，切断了电源回路。同时，30mA 的电流在0. 1 秒时间内作用于人体不会危及生命安全。‎ ‎　　“漏电保护器”的发明大大降低了触电事故的发生。‎ ‎　　对生活中、学习中碰到的问题进行深入的思考是发明创造的源泉，这种发明创造对于个人而言体现了一种自主创新的精神，而对人类却带来了巨大的福音。‎ ‎　　四、通过对“能源、环境”问题的教学，培养学生可持续发展观的认识 ‎　　“能源、环境”问题，是二十一世纪人类面临的一个十分严肃而紧迫的问题，人类在大力发展生产力的同时，造成严重的环境污染和能源的紧缺，作为二十一世纪的接班人，对于构建人类的可持续发展的环境，必须有充分的认识。在平时的教学中，应该对学生进行这方面的教育，结合物理教学的实际，渗透这方面内容的教育。‎ ‎　　案例四：风力发电机 ‎　　一风力发电机，风车的截面积为S，已知空气的密度为ρ，空气的流速为V，若气流经过风车后其动能全部转化成了电能，则：‎ ‎　　（1）气流对风车平面的冲击力为多少？‎ ‎　　（2）该发电机的电功率为多少？‎ ‎　　对冲击力和电功率计算分别要应用了动量定理和能量守恒的知识，这部分内容涉及到高中力学的主干知识。‎ ‎　　解：（1）对时间t秒内通过风车的空气应用动量定理：‎ ‎　　Ｆt＝ΔＰ＝mΔＶ＝ρＳＶ2t　，所以，　Ｆ＝ρＶ２Ｓ ‎　　（2）根据能量守恒，因为风车发电的过程是空气的动能转化为电能的过程，所以风车产生的电功率就是单位时间内气流减少的动能，表达式为：‎ ‎　　Ｐ＝W/t ＝mv2/2t＝ρＳＶ３／２‎ ‎　　传统的教学，把主要的精力放在物理规律应用的辨析上，把学生在解题过程中的各种错误进行归纳分析，然后总结出应用了动量定理和能量守恒解决这类问题的注意点。‎ ‎　　然而，在实际的教学中，我从风力发电这个物理问题出发，让学生查阅了有关我国风力资源的情况，比较用传统能源发电与风力发电的优缺点，写出我国西部实施风力发电的可行性报告。‎ ‎　　在进行这类研究时，有些知识往往超出了自己的能力范围，但是，正是与学生的一起学习探索中，体会到了实施《环境人口与可持续发展教育（EPD）项目》研究的迫切性和重要性。‎