基于核心素養的“楞次定律”創新教學設計*

吳 暢

(江蘇省沭陽高級中學　江蘇 宿遷　223600)

1　現有教學設計的困惑

楞次定律作為高中階段最為抽象的一個物理規律，因其實驗數據多、推理過程復雜、結論難理解的特點，長期以來都是教學的難題.實際教學常讓學生在楞次定律的實驗驗證中，而不是在實驗探究中獲得了楞次定律的知識.

目前，改進的教學設計主要有兩類：一是通過自制教具創新楞次定律實驗探究過程[1]；二是換用“楞次環實驗”或“落磁”實驗創新楞次定律實驗探究過程[2,3].教學上雖然提倡活用教材，根據教學實際，對教材進行適當的增、刪、補、調、換，但教材是專家根據課程標準編寫的，具有一定的權威性、指導性，這兩類大幅度替換教材內容的創新設計在教學實踐中實為少見.改進的教學設計在增加教學新鮮感的同時，筆者擔心是否存在：學生在信任教者的同時對教材其他內容編排的科學性產生疑惑，或者學生在信任教材的同時對教者處理這部內容的能力產生疑惑.

2　基于核心素養的教學設計

2.1　實驗前討論

師：前一節我們通過3個實驗探明了感應電流的產生條件，本節將深入研究第2個實驗：“條形磁鐵插入或抽出螺線管”，由此探究感應電流的方向所滿足的規律.實驗操作之前請大家猜想：在該實驗中需要記錄的數據有哪些？或影響感應電流的方向的因素有哪些？

生：感應電流的方向；(須記錄，本節課就是研究它的規律)

磁通量變化趨勢；(可以記錄，是前一節課實驗結論的細化)

磁通量變化大小；(可以不記錄，這個涉及定量問題，不可能與電流的方向有關)

磁鐵在螺線管中的磁場方向；(可以記錄，這個有方向，電流也有方向)

磁鐵的動作；(不記錄，與前一節實驗重復，且與“磁通量變化趨勢”有重復)

表針的擺動方向；(不記錄，與“感應電流的方向”有重復)

……

2.2　實驗操作與記錄

判斷感應電流方向的實驗如圖1所示.

圖1　實驗過程

為了判斷感應電流的方向，事先弄清線圈導線的繞向，及電流方向、指針擺動的方向與電流表的紅、黑接線柱的關系.實驗全部由教師操作，學生輔助記錄數據如表1所示.

表1　“楞次定律”原始實驗數據

2.3　實驗數據分析

師：請大家從表1中提煉出感應電流的方向滿足的規律.……(學生無語)說實話，作為教師我也沒有找出其中的規律，是什么原因導致表1中的規律無從找起呢？

生：一是影響感應電流的方向的可能因素有兩個，會相互干擾；二是表1中真的沒有淺顯的規律.

師：關于第一個原因的解決辦法，我給大家提個參考思路：在探究“實驗：加速度與質量、力的關系”中，是采用什么辦法來克服兩個因素帶來的影響呢？

生：(非常急切)控制變量法.在此可以保持……(學生無語)，還是沒有確切的規律！

師：想找出較多量數據中的規律真是件不容易的事！我們必須要有科學的思維方法，比如采用類似“控制變量”的思想：不管其他因素干擾，在先提煉具有共同點的兩個量之間的規律之后，將兩量的規律再與其他量研究，以逐步減少研究量，這個與多個力的合成過程有點相似.在“磁場方向”、“磁通量變化趨勢”、“感應電流的方向”這3個量中哪兩個量之間有共同點聯系？

生：“磁場方向”和“感應電流的方向”，它們都有方向.

師：表1中兩個“方向”的數據可以提煉合并嗎？

生：不可以，因為這兩個屬性不同的物理量方向不在同一維度上.

師：“磁場方向”和“感應電流的方向”中，誰向誰轉換可變成同一屬性的物理量，使研究的“方向”在同一維度上？

生：將感應電流方向轉換為感應電流的磁場方向.

師：非常好！表1數據經過轉換得到“感應電流的磁場方向”數據，如表2所示(經轉換不再呈現表1的中“感應電流的方向”).

表2　“楞次定律”轉換實驗數據

研究表2，我們很容易找出兩個磁場方向的關系，如表3所示(經合并，不再呈現表2中的兩個磁場方向，且磁鐵產生的“磁場方向”稱為“原磁場方向”).

表3　“楞次定律”合并實驗數據

生：(在表3呈現的同時已經發聲音)噢！增反減同！

師：請把“增反減同”的規律說得具體些.

生：當磁通量增加時，感應電流產生的磁場方向與原磁場方向是相反的；當磁通量減少時，感應電流產生的磁場方向與原磁場方向是相同的.

師：物理學定理、定律的表達都追尋的是最簡化、最統一的形式.根據大家的表述，感應電流的方向的規律是分成了兩個不同的情況，還有進一步提煉的必要，請大家把“增反減同”4個字的規律提煉成兩個字的規律.

生：“阻礙”(主要是學生預習所知).

(下面請學生用“阻礙”詳細解釋“增反減同”，并引出楞次定律內容，在此不再贅述)

3　對教學設計的反思

3.1　教材的深度挖掘

(1)實驗選擇.在前一節 “探究感應電流的產生條件”中，教材設計了3個實驗：“導體棒切割磁感線”、“條磁插入線圈”和“模仿法拉第的實驗”，為研究感應電流產生的條件提供了感性素材，同時又成為本章后續教學的基礎點之一.也就是說，后續的教學將多次以這3個實驗為出發點，變換視角，提出問題，引入新課，深入研究[4].從確定感應電流方向角度，重新審視教材的磁鐵插入線圈實驗，展開楞次定律教學；從研究感應電動勢大小的角度，重新審視這3實驗，引入法拉第電磁感應定律的教學；從電路結構的角度，重新審視模仿法拉第的實驗，引入互感或變壓器的基本原理.因此，從教材整個章節的編寫思路來看，筆者認為，在楞次定律教學中不宜不用“條磁插入線圈”實驗，教師可以根據教學實際，宜將其他實驗作為教學的一點補充，而不是完全替換.

(2)教學重心.從以往的教學實際來看，本節實驗操作探究用了較長的時間，而實驗數據的分析難度大、時間少，囫圇吞棗地得出楞次定律.顯然，這是把實驗操作探究的地位看得太重，在教學中平均用力的結果.筆者認為，本節實驗操作的大部內容在前一節課已經做過，從教學任務上來講，實驗操作已經不是本節教學的重心，而從復雜的實驗數據中進行科學探究，讓學生心悅誠服得出并接受感應電流的方向滿足的規律——楞次定律，這才是本節的重心.

3.2　側重彰顯的核心素養

(1)科學探究.“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素.基于對本節課中實驗操作地位的認識，教學設計側重培養學生科學探究的“問題”和“證據”兩個要素.

本節實驗是以前一節實驗為基礎，深入研究物理規律，筆者在設計猜想“感應電流的方向可能與哪些因素有關”問題上，放手讓學生大膽猜想，并讓學生對眾多猜想作分析，從中篩選出有研究價值的猜想，側重培養學生在學習和日常生活中，對發現的問題提出合理猜測與假設的能力.

在教學中用較多的時間引導學生從復雜的實驗數據中，經過科學思維分析，得出信服的結論，側重培養獲取和處理較復雜信息的能力.

(2)科學思維.“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.

在數據分析時，面對復雜、規律并不突顯的數據，如果按教材提議“是不是可能通過一個‘中介’——‘感應電流的磁場’來表述感應電流的方向跟線圈內磁通量的變化關系”，這個“中介”來的太突然，缺乏讓大家信服的理由.在教師適時、適度的指導下，讓學生面對較多量的關系研究中采用類似“控制變量”思想，不考慮“磁通量變化趨勢”先研究具有較顯明共同點的“磁場方向”和“感應電流的方向”兩個量之間的關系；面對研究兩個量關系的困難，經過合理分析，采用“轉換”思想，將“感應電流的方向”轉換為“感應電流的磁場方向”讓研究深入進行下去；將“原磁場方向”和“感應電流的磁場方向”提煉成這兩個方向的關系，通過“合并”方式使研究量從多到少、化繁為簡，規律的呈現一下子就出現了柳暗花明的情景——表3中的“增反減同”；在“增反減同”規律的闡述中，基于物理學 “簡化”、“統一”的要求，讓學生明白楞次定律的精髓——“阻礙”的由來.可以這么說，將數據分析過程說成是“剝繭抽絲”一點也不為過，在學生一步步經歷從復雜到簡單的問題解決過程中，讓學生掌握分析綜合、推理論證等方法，提升基于事實證據和科學推理，進而提出創造性見解的能力.