基于問題導向培養學生學科核心素養

劉興

[摘 要]針對楞次定律教學中存在的問題，利用問題導向逐步引導、啟發學生思維，以小組合作為載體，完成實驗探究，使學生有效經歷科學探究過程，充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，從而提高學生的學習能力、合作能力和科學思維能力，培養學生的物理學科核心素養。

[關鍵詞]問題導向；學科核心素養；楞次定律；教學設計

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）17-0029-03

楞次定律作為高中物理教學的難點，對教學設計的要求很高，仔細分析下來，這是培養高中學生物理學科核心素養的經典案例。楞次定律的教學過程，可將物理觀念、科學思維和實驗探究等物理學科核心素養融為一體，能培養學生發現問題、提出合理猜測與假設的能力。在具體教學過程中，教師可引導學生進行科學推理或通過實驗引導學生探究找出相關的物理規律。教材從條形磁鐵相對于螺線管運動的實驗出發，引導學生以“感應電流的磁場”作為“中介”，通過填表比較，歸納出楞次定律的表述。

教材的教學安排涉及原磁場方向、磁通量的變化、靈敏電流計指針偏轉方向、感應電流方向、線圈繞向等眾多物理因素，導致教學中出現實驗目的不明確、學生思維鏈過長、教學不符合學生認知規律等問題。

為了避免出現以上教學問題[1]，本教學設計從物理規律研究出發，首先隱藏感應電流，以“楞次環”來拒去留的力學現象，降低學生的認知負荷，引導學生發現感應磁場的方向和原磁場的方向之間的定量關系，從而得出感應磁場的方向，根據右手螺旋定則，由感應磁場的方向確定感應電流的方向，從實驗結果引導學生歸納總結感應電流的方向和楞次環磁通量變化的關系，從而得到楞次定律的完整表述；通過學生分組實驗，完成教材上條形磁鐵相對于螺線管運動的實驗內容，對楞次定律進行實驗驗證。整個教學過程中通過豐富有趣的演示實驗，學生分組實驗，引發學生的認知沖突，通過科學思維逐漸發現楞次定律隱含的物理本質，充分體現物理來源于生活，從現象提升到物理規律的教學理念，從而培養學生物理學科核心素養。

一、創設認知沖突，激發學生的好奇心

通過磁鐵與楞次環之間的相互作用，激發學生的好奇心。楞次環也就是鋁環，鋁不屬于鐵、鈷、鎳等磁性物質，不可能與磁鐵相互吸引，更不會出現排斥的現象。通過設置的認知沖突，學生就非?？释綄がF象背后的本質，從而導入新課教學。具體教學過程如下：

教師：同學們，大家知道磁鐵可以吸引哪些物質？

學生：鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質。

（教師演示磁鐵吸引鐵磁類物體）

教師：磁鐵能不能吸引鋁質材料？

學生：不能。

教師：我們試試看能不能吸引。演示鋁環實驗，如圖1，條形磁鐵從閉合鋁環中抽出，閉合鋁環被條形磁鐵吸引，跟著磁鐵轉動。

（若學生說：能吸引鋁質材料，可以請學生上臺展示，細微之處，體現課堂教學的生成性）

看到這樣的實驗現象，學生的疑問自然就產生了，也渴望進一步學習現象背后的奧秘。

二、通過問題引導，探索隱藏的規律

楞次環實驗簡單，包含的實驗現象豐富，要真正利用簡潔的物理實驗，讓學生思維聚焦，探尋實驗所隱含的深層次原理。實驗中磁鐵靠近閉合鋁環，鋁環好像被排斥開，磁鐵從鋁環中抽出，鋁環好像被吸引過來，在科學引導下，學生能主動利用等效思想，將產生了環形感應電流的閉合鋁環等效為一個小磁鐵，再結合右手螺旋定則，判斷感應電流方向。教學過程通過問題導向，讓學生小組合作，運用等效思想自主構建，體現出創新的理念。具體教學過程如下：

1.探究磁鐵與鋁環間的相互作用

教師：可能有同學會想，對鋁質材料做成的環能吸引，對鋁質材料不吸引，是不是這樣的呢？

（不要求學生馬上回答，只讓學生思考）

教師演示實驗：鋁環實驗，用不閉合的鋁環做。讓學生觀察實驗結果。

教師：磁鐵對鋁環是不是一定有吸引作用呢？

（讓學生思考，簡單回答是或不是，或學生不回答）

教師演示鋁環實驗，讓條形磁鐵靠近閉合鋁環，閉合鋁環好像被磁鐵排斥，遠離磁鐵。

教師：這些實驗現象說明了什么原理？請大家小組討論。

學生：閉合鋁環中產生了感應電流，這是電磁感應現象。

通過這一系列實驗，不斷提出問題，激發學生思維，讓學生結合前面所學內容，就能自我發現磁鐵和鋁環之間的相互作用，本質上是磁鐵和鋁環中產生的感應電流的相互作用。

教師：剛才實驗中磁鐵與鋁環之間存在相互作用，有吸引、有排斥，這里存在怎樣的規律？我們通過分組實驗（4人一小組）一起進行研究。請同學們根據表格記錄實驗結果。

表1

[序號 實驗情境 N極靠近鋁環 N極遠離鋁環 S極靠近鋁環 S極遠離鋁環 1 實驗圖示 2 現象（排斥、吸引） 排斥 吸引 排斥 吸引 ]

教師：磁鐵與鋁環相互吸引、相互排斥的原因是什么？請大家小組討論。

學生：鋁環中產生了感應電流，環形電流等效為一個小磁鐵，小磁鐵和條形磁鐵會相互吸引或者相互排斥。

教師追問：閉合鋁環中為什么會產生感應電流？

學生：閉合鋁環中磁通量發生了變化。

教師：在條形磁鐵靠近或者遠離閉合鋁環的過程中，閉合鋁環的磁通量發生了變化，產生了感應電流，那么產生的感應電流有什么規律呢？今天我們研究的重點就是感應電流方向的確定。

2.探究感應電流磁場與原磁場的關系

教師：大家能不能根據磁體和鋁環間的相互作用來判斷感應電流的方向？例如用N極從右向左插入鋁環，如圖2所示，鋁環中感應電流沿什么方向？

請大家小組合作，討論出判斷感應電流方向的思路。

學生上臺展示講解：將環形電流等效為一個小磁鐵，小磁鐵的右邊為N極，左邊為S極，環形電流內部的磁場方向為向右，通過右手螺旋定則判斷感應電流的方向，如圖3所示。

教師：剛剛同學們回答得很好，大家有沒有直接判斷出鋁環中感應電流的方向？

學生：沒有，先判斷出鋁環內部的磁場方向，再根據右手螺旋定則確定感應電流方向。

維果斯基的“最近發展區理論”，強調教學應著眼于學生的最近發展區，為學生提供帶有適當難度的內容，調動學生的學習積極性。判斷感應電流方向并不是直接的，在科學引導下，學生也能發揮潛能，借助感應電流產生的磁場方向這一“中介”，再通過右手螺旋定則確定感應電流方向。

3.探究鋁環感應電流磁場與磁通量變化的關系

根據磁鐵與閉合鋁環的相互作用，讓學生成功找到了判斷感應電流方向的“中介”——感應電流的磁場方向。在電磁感應現象中，如何尋找到感應電流的磁場方向是關鍵，是解決更普遍、更深層次問題的突破點[2]。結合學生已有的認知：產生感應電流的條件是通過閉合回路的磁通量發生變化。讓學生意識到感應電流的磁場方向與磁通量變化有必然聯系。具體教學過程如下：

教師：請大家根據我們剛剛總結的思路完成表格第二行到第五行的填空。

教師（實驗展示，一手拿住鋁環，另一手拿條形磁鐵插入、拔出）：鋁環中有沒有感應電流？感應電流方向怎樣判斷？

學生：有感應電流，不好判斷感應電流方向。

教師：我們剛剛為什么能判斷感應電流方向？

學生：剛剛鋁環運動了，就知道感應電流產生的磁場方向，這樣才能判斷感應電流的方向。

教師：找到一個更普遍的辦法判斷感應電流方向，關鍵是什么呢？

學生：找到感應電流磁場的方向。

教師：感應電流產生的條件是什么？

學生：磁通量發生變化。

教師：閉合回路的磁通量發生變化就會產生感應電流，感應電流方向的判斷跟感應電流磁場的方向有關，所以我們接下來就要尋找磁通量變化和感應電流磁場方向的關系。

教師：請大家完成表格第六行和第七行的填寫，小組討論，能不能發現什么規律？

學生：磁通量增加，感應電流磁場與原磁場方向相反；磁通量減少，感應電流磁場與原磁場方向相同。

4.引導提煉歸納，讓學生總結規律

波普爾認為：“有效的問題能引起學生積極的思維。”在創設的問題引導下，學生完成有意義的自我建構，不斷發現現象背后所隱藏的原理，終于得到了楞次定律的雛形：當通過閉合鋁環的磁通量增加時，鋁環中感應電流磁場與原磁場方向相反；當通過鋁環的磁通量減少時，鋁環中感應電流磁場與原磁場方向相同。在此基礎上完成進一步的抽象與提煉，讓學生思維達到更深層次。

教師：鋁環中原磁場磁通量增加，感應電流產生的磁場對磁通量增加有什么影響？鋁環中原磁場磁通量減少，感應電流產生的磁場對磁通量增加有什么影響？

學生：感應電流的磁場阻礙原磁通量的變化。

教師：楞次定律內容：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

（該規律是俄國物理學家楞次在 1834年發現的，人們為了紀念他對物理學的貢獻，就把這個規律叫作楞次定律）

5.回歸教材實驗，讓學生自主驗證

實踐是檢驗真理的唯一標準。學生得出楞次定律后喜悅之余也想驗證自己的成果，根據教材上設計的實驗，考慮到上課時間有限，讓學生小組合作完成條形磁鐵相對螺線管運動的實驗，用靈敏電流計檢驗理論和實驗的結果。

教師：學習了楞次定律后，我們進一步在實驗中進行研究。根據我們準備的實驗器材，按照表格中設計的實驗來驗證一下，通過楞次定律判斷感應電流的方向是否正確。

三、聯系社會實踐，引導學生課后思考

利用圖片、動畫等形式講解楞次定律在汽車電渦流緩速器和軍事上電磁炮的運用及原理（如圖4），將物理規律應用于實踐當中，符合新課標“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。并利用趣味實驗演示電磁炮現象。

物理本是一門闡述世間萬物運行規律的學科，目的是解答各種疑問，幫助人們更清楚地認識世界。如果把物理僅僅變成“抽象概念、公式、難題”的結合體，則會因為艱難晦澀而被學生排斥，這無疑太可惜了。通過有趣的實驗，讓學生在深層次思維之余多一些興趣，在分析實驗原理的基礎上體驗成功的快樂，這樣對學生物理學科核心素養的培養很有幫助。

演示趣味實驗——“跳環”，讓學生思考鋁環為什么會跳起來。將可拆變壓器的條形鐵軛豎直放在U 形鐵芯的一個芯柱上，再放入鋁圈（如圖5）。線圈的匝數可以是 0～1400匝（或0～800），接220V交流電流。通電，鋁圈會突然跳起。解釋：閉合開關的瞬間，穿過鋁環的磁通量發生變化，產生感應電流， 環受到安培力

作用，而向上跳起。

四、小結

馬赫穆托夫認為：“問題教學是真正的發展性教學，教學過程的組織是以問題為基礎的，而有系統地解決學習性問題乃是此種教學的突出特征?！北驹O計首先通過磁鐵與楞次環之間的相互作用，引發學生認知沖突，激發學生的求知欲，通過問題層層引導學生發現感應電流磁場是判斷感應電流方向的重要“中介”；在實驗中繼續探究感應電流的磁場和原磁通量變化之間關系，并總結得出楞次定律的雛形：當閉合鋁環中的磁通量增大時，感應電流磁場與原磁場方向相反；當閉合鋁環中的磁通量減小時，感應電流磁場與原磁場方向相同。在提煉的基礎上總結出楞次定律的完整表述。通過學生分組實驗，驗證楞次定律，讓學生在應用中內化知識。最后，讓學生在趣味實驗中認識科學與社會的聯系。教學主線就是：通過科學探究讓學生在主動思維中建構知識，從而培養學生的科學思維能力，提升學生的物理學科核心素養。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 邢紅軍，寧成，胡揚洋.楞次定律教學的高端備課[J].中學物理教學參考，2013（4）：18-20.

[2] 陳慶煒，張軍朋.“楞次定律”教學的創新設計[J].物理通報，2016（8）：52-55.

（責任編輯 易志毅）