基于物理核心素養導向的實驗情境教學
——以“楞次定律”的教學為例

朱順明 蔣建明

(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

《普通高中物理課程標準修訂稿》內部征求意見稿中指出:物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質．物理核心素養主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等4個方面的要素構成,其中科學探究又包括問題、證據、解釋、交流與合作等要素．它要求學生能基于事實得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．因此優化實驗教學推動學生學會思考積極研究勇于創新,這有助于提升學生的學科核心素養．

筆者在“楞次定律”一節的教學中,積極創設實驗情境,引導學生探究分析和交流總結,提升學生科學思維能力和探究能力．

1 設置情境實驗,激發求知欲望

教師利用身邊的器材設計簡單的實驗,從而為學生創設需要解決的真實環境.這樣可以使學生產生認知沖突激發求知欲．只有在真實情境中的自主探究,才能體現學生的探究能力和科學素養．

“楞次定律”是人教版高中物理選修3-2第4章第3節的內容,教科書通篇都是規律教學,先是理論探究得出楞次定律,然后安排規律的應用．盡管課文內容結構合理思維嚴謹,但卻不能調動學生學習的熱情,學生感覺不出判斷出感應電流的方向的目的和意義．為此筆者在課前設置演示實驗,有效調動了學生學習的熱情,構建富有生命力的生長課堂．

圖1

創設情境,激趣導入:(跳環實驗)將J2425型教學用可拆變壓器的條形鐵芯豎直放置(如圖1),一輕質鋁環套在鐵芯上,接通220V的交流電源瞬間看到鋁環向上跳．提出問題:鋁環向上跳說明鋁環受到向上的力．到底是什么力呢?引出課題．

2 挖掘實驗共性,巧妙探究本質

圖2

實驗設計要有利于學生知識的建構,要能簡化所要研究的問題情境．學生可以通過掌握的基本知識和技能以及運用科學的方法達到解決問題的目的．教材中對于楞次定律的探究是從條形磁鐵相對螺線管運動的實驗出發,利用“感應電流的磁場”作為中介,列表歸納得出定律．此探究過程涉及原磁場方向、感應電流方向、線圈繞向、感應電流的磁場方向、磁通量的變化等諸多因素,由此帶來教學邏輯的繁冗,實驗探究的混亂．為此筆者選擇“線圈小車”實驗(圖2)作為基本出發點和突破口,創設實驗情境進行探究規律．

合作探究,建構新知:將鋁環看作很多匝的閉合線圈．把線圈固定在玩具小車上,當磁鐵插入線圈,看到什么現象?前進．拔出時又是什么現象?改變磁鐵的極性,再做同樣的實驗(圖3)．插入—前進;拔出—后退(圖4)．可見無論是N極插入還是S極插入都是前進,拔出都是后退．

圖3圖4

實驗操作實驗現象相互作用力線圈的磁場方向與原磁場方向磁通量的增減N極插入前進排斥相反增加拔出后退吸引相同減少S極插入前進排斥相反增加拔出后退吸引相同減少來拒去留增反減同阻礙

根據實驗現象記錄表(表1)分析得到從相對運動角度是“來拒去留”的現象,從磁通量變化角度是“增反減同”的規律．至此從一般現象到特殊規律我們概括出最為簡潔的“阻礙”兩個字．這符合物理學追求簡潔美的思想．即感應電流的磁場阻礙原磁通量的變化．

3 創設實驗環境,學生躬行知事

實驗是物理研究的重要手段,它借助物理現象體現物理規律,在現象和理論之間搭建橋梁,幫助學生建立和理解概念和規律．在課堂教學中教師可以創設實驗環境,讓學生親身實踐,這有助于增強學生的問題意識,學習科學方法,培養創造性思維．

實驗驗證,強化理解:若已知感應電流的磁場,根據右手螺旋定則可以判斷出感應電流的方向．感應電流的方向真的是這樣的方向嗎?我們在線圈上接兩個發光二極管(左藍右紅)(圖5),它們是并聯反接(圖6)．根據二極管的單向導通性,通過發光情況可以直接判斷出感應電流方向．若是藍燈亮說明線圈中的電流是逆時針,若是紅燈亮說明線圈中的電流是順時針．

圖5圖6

學生填寫表2.

表2 磁鐵與線圈的實驗記錄

4 精設實驗問題,提升探究能力

通過特定的實驗情境,能使物理問題與學生的原有認知結構中的經驗發生聯系,激活現有的經驗去“同化”和“順應”學習活動中的新知識,賦予新知識以意義,導致認知結構的改建或重建．在設計問題時,那些與學生已有知識密切聯系的問題最能激起學生探究的欲望．對于重難點的內容,教師要鋪設一些臺階,設計有層次和梯度的問題,從而引導和鼓勵學生積極探究．

圖7

問題1.若將磁鐵豎直穿過線圈,請問兩發光二極管的發光情況是什么?(學生通過實驗探究(圖7),教師通過手機慢動作拍攝得出結論)

問題2.為什么會出現這樣的現象,請試用楞次定律解釋?

問題3.在磁鐵下落過程中,靠近和遠離線圈時磁鐵受到的磁場力方向如何?

問題4.與自由落體運動相比,磁鐵在多個線圈中下落的運動快慢情況(圖8)?若將磁鐵穿過銅管快慢情況又如何?(圖9)

問題5.從能量轉化角度看,實現了什么能向什么能轉化?

——學生通過發光二極管的依次閃亮可以很判斷出磁鐵將機械能轉化為線圈中的電能．

圖8 圖9

5 開發拓展實驗,開闊學生視野

拓展實驗是基于常規實驗進行的創新,它能使學生獲得更多的生活情境體驗,學生可以從拓展實驗中吸取更多的營養,領悟科學研究的方法,特別是感受到物理實驗是來源于生活,又應用于生活．在實踐活動中拓展實驗對于學生領悟科學研究方法,培養學生創造力等核心素養有重要推動作用．

圖10

聯系實際,體驗價值．回顧跳環實驗,學生解釋現象．對于跳環實驗從能量守恒角度看實現電能向機械能的轉化,當線圈匝數分別是400匝和200匝,接通交流電源分別做跳環實驗并比較兩次的高度．思考:如果把鋁環

變成一枚炮彈,可以發明一種什么武器?——電磁炮(圖10)．當線圈匝數是800匝時,接通交流電源,鋁環懸浮在空中．思考:根據這個現象,我們做什么用途?——磁懸浮(圖11)．如果把鋁環按住不動,發現鋁環在原地抖動,然后讓學生觸摸鋁環發現發熱．思考:從能量守恒角度看此時電能會轉化什么能?根據這個現象,我們可以發明什么用電器?——電磁爐(圖12)．

圖11圖12

參考文獻：

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