基于探究理念的“楞次定律”的教材編寫(xiě)建議

王金文 尹德利

(北京五中分校 北京 100009) (北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

楞次定律作為高中階段最為抽象的物理定律，歷來(lái)是中學(xué)物理教學(xué)的“老大難”問(wèn)題，雖然許多中學(xué)一線物理教師做過(guò)研究課、公開(kāi)課，物理教學(xué)期刊也發(fā)表了很多有關(guān)楞次定律的教學(xué)設(shè)計(jì)和案例，但楞次定律的“教學(xué)難”問(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決.這個(gè)難點(diǎn)是如何形成的呢？筆者認(rèn)為，既有教材編寫(xiě)的原因，也有教師的教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計(jì)的原因；只有厘清教學(xué)難點(diǎn)形成的根源，才能最終破解楞次定律教學(xué)難的問(wèn)題.

1 教學(xué)難點(diǎn)形成的原因

1.1 教科書(shū)編寫(xiě)的不足是形成教學(xué)難點(diǎn)的主因

物理實(shí)驗(yàn)定律是建立在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上的，是物理學(xué)家經(jīng)過(guò)數(shù)年甚至數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)探索，在分析大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來(lái)的.楞次定律作為電學(xué)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)定律，當(dāng)然也不例外，它是俄國(guó)物理學(xué)家楞次“在分析了許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)”后概括總結(jié)出來(lái)的[1].然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)中學(xué)物理教科書(shū)在編寫(xiě)“楞次定律”一節(jié)時(shí)，卻只提供了一個(gè)條形磁鐵插入螺線管的實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，就概括出了判斷感應(yīng)電流方向的普適定律——楞次定律.這樣編寫(xiě)，能夠“多快好省”地將楞次定律的知識(shí)傳授給學(xué)生，這在“以知識(shí)為中心”“以應(yīng)試為目的”的年代沒(méi)什么不妥.然而在當(dāng)下，我國(guó)基礎(chǔ)教育正處在從學(xué)科教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)科教育的轉(zhuǎn)型期，從發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的視角來(lái)審視楞次定律的教學(xué)，教科書(shū)的編寫(xiě)，就有些不妥當(dāng).這樣編寫(xiě)，帶來(lái)了兩大問(wèn)題：其一，學(xué)生可能會(huì)產(chǎn)生這樣一種錯(cuò)誤觀念,物理實(shí)驗(yàn)定律的發(fā)現(xiàn)無(wú)需做很多實(shí)驗(yàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)或許就夠了，科學(xué)家做了那么多實(shí)驗(yàn)，才得出規(guī)律性的結(jié)論，是不是過(guò)于謹(jǐn)慎了？其二，楞次定律的嚴(yán)謹(jǐn)表述，給楞次定律的探究教學(xué)造成了很大的困難.教科書(shū)中關(guān)于楞次定律的表述是這樣的：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.這個(gè)表述是嚴(yán)謹(jǐn)而又言簡(jiǎn)意賅的，但該定律并沒(méi)有直接說(shuō)明感應(yīng)電流的方向，而是通過(guò)感應(yīng)電流的效果——阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，來(lái)間接判斷感應(yīng)電流的方向.楞次定律的這個(gè)表述，對(duì)高中生來(lái)說(shuō)，理解起來(lái)就有一定的困難，更何況讓學(xué)生自主探究得出這個(gè)完美結(jié)論.

我們不禁要問(wèn)，教科書(shū)上的這個(gè)表述是楞次本人的原始表述嗎？如果學(xué)生自主探究得出其他判斷感應(yīng)電流的方法，但表述卻與教科書(shū)上的表述不一致，是否說(shuō)明這節(jié)課的教學(xué)就是失敗的呢？

答案是否定的.筆者查閱相關(guān)的物理學(xué)史文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，楞次本人對(duì)感應(yīng)電流方向的表述與我國(guó)中學(xué)物理教科書(shū)中的表述其實(shí)并不一致[2].1832年，楞次獲悉法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的消息后，很快做了一系列電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，得出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的匝數(shù)成正比的結(jié)論.1833年11月，楞次在彼得堡科學(xué)院所作的《關(guān)于感應(yīng)引起的伽伐尼電流方向的判定》報(bào)告中指出：“一切動(dòng)電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)都可以很容易地納入動(dòng)電運(yùn)動(dòng)定律，如果后者已知，則前者即可確定”“如果金屬導(dǎo)體在電流或磁鐵附近運(yùn)動(dòng)，那么導(dǎo)體中激起的伽伐尼電流的方向，使處于靜止?fàn)顟B(tài)的導(dǎo)體朝相反的方向移動(dòng)”.由此可見(jiàn)，楞次只是針對(duì)動(dòng)生感應(yīng)電流的方向提供了一種判斷方法，在這里他并沒(méi)有提到“阻礙”這個(gè)詞，更沒(méi)有提及“磁通量”和“磁通量的變化”等概念.事實(shí)上，“磁通量”的概念在1846年才由法拉第提出[3].至于中學(xué)物理教科書(shū)上關(guān)于楞次定律的嚴(yán)謹(jǐn)表述，到底是由歷史上哪位物理學(xué)家概括出來(lái)的，筆者由于可供查閱的史料有限，已無(wú)從考證.

既然連楞次本人都沒(méi)有總結(jié)出物理教科書(shū)上的結(jié)論，那為什么要苛求師生必須在45 min的時(shí)間內(nèi)落腳在“感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”這個(gè)結(jié)論上呢？如果學(xué)生在那么短的時(shí)間內(nèi)就能得出這個(gè)結(jié)論，楞次定律也就不會(huì)成為高中物理教學(xué)的難點(diǎn).

仍舊回到楞次本人的表述上來(lái).為了更好地理解楞次關(guān)于動(dòng)生電流方向的判斷方法，我們以金屬桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)為例.如圖1所示，金屬桿cd沿導(dǎo)軌向右切割磁感線運(yùn)動(dòng)，那么它產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是怎樣的呢？按楞次的說(shuō)法，這個(gè)電流方向就是使處于靜止?fàn)顟B(tài)的金屬桿cd沿導(dǎo)軌向相反的方向運(yùn)動(dòng),即向左運(yùn)動(dòng)(這個(gè)方向也就是安培力的方向)時(shí)流過(guò)金屬桿的電流方向.用左手定則容易判斷出，導(dǎo)體桿中感應(yīng)電流的方向由c到d.

圖1 金屬桿切割磁感應(yīng)線

再譬如，如圖2所示，通電直導(dǎo)線中的電流方向自下而上，直導(dǎo)線右側(cè)放一閉合導(dǎo)線框abcd，若導(dǎo)線框向右運(yùn)動(dòng)，那么閉合線框中的感應(yīng)電流方向如何判斷？按楞次的說(shuō)法，感應(yīng)電流的方向就是使閉合線框由靜止開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)(安培力向左)時(shí)流過(guò)線框的電流方向.根據(jù)安培定則和左手定則容易判斷出，閉合線框中感應(yīng)電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?

圖2 閉合金屬線框中感應(yīng)電流方向判斷

從這里可以看出，楞次本人并沒(méi)有使用磁通量的概念，也沒(méi)有借助“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)中介物，只是根據(jù)已有的知識(shí)——安培定則和左手定則，就輕易地判斷出了感應(yīng)電流的方向.

教科書(shū)中關(guān)于楞次定律的表述盡管嚴(yán)謹(jǐn)、無(wú)懈可擊，但它造成的弊端卻是：束縛了學(xué)生科學(xué)探究的思想，人為增加了課堂教學(xué)的難度.

1.2 教學(xué)理念和教學(xué)評(píng)價(jià)的偏差是造成楞次定律教學(xué)難的另一原因

新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)物理教學(xué)應(yīng)采取自主、合作、探究的方式，于是許多物理教師，為了體現(xiàn)這一教學(xué)理念，在“楞次定律”的研究課、公開(kāi)課教學(xué)中，紛紛采用小組合作探究的方式，讓學(xué)生“自主發(fā)現(xiàn)”物理規(guī)律.為了體現(xiàn)整節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的完整性，教師在設(shè)計(jì)這節(jié)課的教學(xué)流程和進(jìn)度時(shí)，就必須讓學(xué)生在不到45 min鐘的時(shí)間內(nèi)通過(guò)小組合作探究總結(jié),得出和教科書(shū)上一模一樣的結(jié)論.顯然，這對(duì)任何層次的學(xué)生來(lái)說(shuō)，都是很難做到的.如果學(xué)生臨下課前還得不出教科書(shū)上的結(jié)論，不管是授課教師還是聽(tīng)課教師，都會(huì)認(rèn)為這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)沒(méi)有達(dá)成，這節(jié)課的教學(xué)就是不成功的.試問(wèn)，教科書(shū)上的結(jié)論，連作為物理學(xué)家的法拉第、安培甚至楞次本人研究了多年都沒(méi)有總結(jié)出來(lái)，讓我國(guó)的中學(xué)生在不到45 min的時(shí)間內(nèi)就總結(jié)出來(lái)，這是不是有些苛求學(xué)生？如果學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)探究不出教科書(shū)上的結(jié)論，學(xué)生的探究難道就是失敗的嗎？顯然，教學(xué)理念和教學(xué)評(píng)價(jià)都出現(xiàn)了問(wèn)題.

新課標(biāo)指出，科學(xué)探究不僅僅是一種教學(xué)方式，也是一種教學(xué)目標(biāo).作為目標(biāo)的科學(xué)探究，本意是教師通過(guò)科學(xué)探究這種教學(xué)方式，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，掌握科學(xué)探究的方法，形成科學(xué)探究的意識(shí).不能把知識(shí)教學(xué)作為衡量一節(jié)課成功與失敗的唯一標(biāo)準(zhǔn).若把是否得出結(jié)論作為評(píng)價(jià)一節(jié)探究課成功與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么授課教師就會(huì)精心設(shè)計(jì)探究流程，準(zhǔn)確設(shè)定學(xué)生探究的時(shí)間.如果探究過(guò)程中學(xué)生的步伐沒(méi)有跟上教師預(yù)設(shè)的節(jié)奏，教師就會(huì)通過(guò)一連串的問(wèn)題引導(dǎo)，將學(xué)生“生拉硬拽”地拉回到“正確的探究軌道”上來(lái)，這種探究在筆者看來(lái)，充其量是在教師主導(dǎo)下的“偽探究”，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方案是教科書(shū)上的，實(shí)驗(yàn)器材是教師提供的，實(shí)驗(yàn)表格也是教師事先設(shè)計(jì)好的，學(xué)生的思維活動(dòng)也是由教師“主導(dǎo)”的，學(xué)生只需要“照方抓藥”就行了.

令人匪夷所思的是，許多楞次定律的研究課、公開(kāi)課，學(xué)生不僅如期按時(shí)得出了教科書(shū)上的完美結(jié)論，而且授課教師還有足夠的時(shí)間對(duì)楞次定律中的“阻礙”一詞進(jìn)行“科學(xué)”解讀：誰(shuí)阻礙？阻礙誰(shuí)？如何阻礙？阻礙的結(jié)果怎樣？這樣的研究課看起來(lái)非常完美，但對(duì)其他教師是否具有真正的借鑒意義，恐怕還得打個(gè)問(wèn)號(hào).

楞次定律的實(shí)驗(yàn)探究，難就難在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納總結(jié)上.從條形磁鐵插入螺線管的實(shí)驗(yàn)中概括出“阻礙”一詞就有相當(dāng)?shù)碾y度，因?yàn)閷W(xué)生在手拿磁鐵插入和拔出螺線管的過(guò)程中，學(xué)生很難感受到這種阻礙作用.而將落腳點(diǎn)落在“阻礙回路磁通量的變化”上，難度更大，因?yàn)檫@首先要引入“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)概念.但是，如果沒(méi)有一定的鋪墊，“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)概念學(xué)生是很難想到的.還有，“阻礙”一定是阻礙磁通量的變化嗎？阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)就不行嗎？筆者認(rèn)為，就條形磁鐵插入、拔出螺線管的實(shí)驗(yàn)探究而言，學(xué)生若能總結(jié)出感應(yīng)電流的效果總是阻礙條形磁鐵靠近或遠(yuǎn)離螺線管(或者說(shuō)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng))，就已經(jīng)非常難能可貴了，教師完全沒(méi)有必要糾纏于學(xué)生有沒(méi)有得出教科書(shū)上的完美結(jié)論.當(dāng)然，楞次定律的準(zhǔn)確表述教師可以在后續(xù)課中再逐漸引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)提煉出來(lái).

2 教材編寫(xiě)建議

如上所述，要破解楞次定律教學(xué)難的問(wèn)題，需要從兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn).首先要從教科書(shū)的編寫(xiě)入手，因?yàn)榻炭茣?shū)是教師備課、學(xué)生上課最為重要的課程資源.筆者的建議是：將前一節(jié)中“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”中的3個(gè)探究實(shí)驗(yàn)(圖3、圖4、圖5)都讓學(xué)生重新探究一番，而不是只讓學(xué)生探究圖4的實(shí)驗(yàn).

圖3 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(1)

圖4 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(2)

圖5 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(3)

如前所言，一個(gè)普適物理實(shí)驗(yàn)定律的得出，絕不是依據(jù)單個(gè)實(shí)驗(yàn)就能總結(jié)出來(lái)的.這就是為什么要增加“探究導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向”的實(shí)驗(yàn)和“探究雙螺線管感生電流方向”的實(shí)驗(yàn).有的教師可能會(huì)質(zhì)疑：一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生探究起來(lái)都那么費(fèi)勁，再增加探究實(shí)驗(yàn)不是更完不成教學(xué)任務(wù)了嗎？筆者認(rèn)為，如果增加探究實(shí)驗(yàn)可以降低學(xué)生探究的臺(tái)階，如果增加的探究實(shí)驗(yàn)更有利于學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，那么增加的探究實(shí)驗(yàn)就是值得的.首先，這樣編排遵循了由淺入深、由易到難的原則，便于不同水平、不同層次的學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究.其次，這樣編排教材，遵循了由特殊到一般、由現(xiàn)象到本質(zhì)的知識(shí)發(fā)展邏輯，便于學(xué)生形成正確的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀、辯證的因果觀和能量觀.

由于學(xué)生在前一章中已經(jīng)學(xué)習(xí)了判斷安培力方向的左手定則.當(dāng)學(xué)生探究導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向時(shí)，就容易受左手定則的啟發(fā)，較容易地“發(fā)現(xiàn)”動(dòng)生電流方向所遵循的規(guī)律——右手定則.順便指出，現(xiàn)行的人教版課標(biāo)教材3-2把右手定則放在楞次定律之后講解，筆者認(rèn)為也是不妥的，這首先不符合學(xué)生的認(rèn)知從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由特殊到一般的邏輯.試想，如果學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)了普適的楞次定律，再講右手定則還有什么必要呢？但如果學(xué)生先通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析“獨(dú)立發(fā)現(xiàn)”右手定則，就可以把右手定則作為進(jìn)一步探究的工具，學(xué)生一旦發(fā)現(xiàn)這個(gè)工具具有一定的局限性，就會(huì)激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探尋更普適的判斷方法.

在學(xué)生得出判斷動(dòng)生電流方向的右手定則以后，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)體棒的受力和運(yùn)動(dòng)情況，這也符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)理論.學(xué)生通過(guò)分析導(dǎo)體棒的受力情況，很容易得出結(jié)論：感應(yīng)電流的效果，總是阻礙導(dǎo)體棒的相對(duì)運(yùn)動(dòng).那么，為什么感應(yīng)電流的效果是阻礙而不是促進(jìn)導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)呢？教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步從能量守恒與轉(zhuǎn)化的角度進(jìn)行分析.學(xué)生通過(guò)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果感應(yīng)電流的效果不是阻礙而是促進(jìn)導(dǎo)體桿的運(yùn)動(dòng)，那么導(dǎo)體桿的動(dòng)能以及回路中產(chǎn)生的電能就會(huì)不斷增加，這顯然違背了能量守恒定律.這樣，學(xué)生從力和運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行分析，立刻就觸及到了電磁感應(yīng)現(xiàn)象和楞次定律的本質(zhì)——能量轉(zhuǎn)化與守恒，學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象就有了更全面、更深刻的認(rèn)識(shí).

有了“阻礙”這個(gè)思想基礎(chǔ)，學(xué)生在探究導(dǎo)體棒插入、拔出螺線管的實(shí)驗(yàn)中，也會(huì)從螺線管中感應(yīng)電流的效果阻礙條形磁鐵的下落以及能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度分析判斷螺線管中感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律.由于避開(kāi)了從磁通量變化的角度分析判斷感應(yīng)電流的方向，因而降低了學(xué)生探究的難度.這對(duì)普通學(xué)校的中學(xué)生是適宜的.那么，是不是在任何情況下都可以用“阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)”來(lái)判斷感應(yīng)電流的方向呢？生源比較好的重點(diǎn)學(xué)校可以繼續(xù)讓學(xué)生探究雙螺線管實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)電流方向的判斷方法.這時(shí)，由于兩個(gè)螺線管之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，無(wú)法從阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度分析判斷感應(yīng)電流的方向，說(shuō)明右手定則不是普適的規(guī)律，學(xué)生剛剛建立的認(rèn)知平衡又被打破了.那么，有沒(méi)有判斷感應(yīng)電流方向的普適方法呢？學(xué)生由此產(chǎn)生了進(jìn)一步探究的欲望.這時(shí)，教師不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生重新從回路中磁通量變化的角度來(lái)分析前面的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就容易得出“感應(yīng)電流的效果總是阻礙回路中磁通量的變化”這個(gè)結(jié)論.

另外，建議將本節(jié)課的標(biāo)題“楞次定律”改為“探究感應(yīng)電流的方向”，這樣改，便于不同類型學(xué)校的教師根據(jù)自己學(xué)生的能力水平確定探究的內(nèi)容和深度.

由于篇幅所限，本文只就楞次定律教學(xué)難的根源及教材編寫(xiě)的建議提出了自己的一孔之見(jiàn)，不當(dāng)之處敬請(qǐng)各位專家、同仁指正.