基于物理核心素養導向的概念教學
——以“電磁阻尼和電磁驅動”為例

尹文慧 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

物理學科核心素養是學生在學習物理過程中逐步形成的行為習慣與關鍵能力，是物理學科育人價值的集中體現.高中物理課程標準倡導要把培養物理學科核心素養作為物理教學的重要目標.因此，如何基于物理核心素養開展課堂教學就成為廣大一線教師關注的熱點問題.

本文以“電磁阻尼和電磁驅動”的概念教學為例，探討了如何在物理教學中培養學生的物理核心素養.

1 創設實驗情境 激發學生興趣

新課標指出在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設.創設情境進行教學，可以增強學生對物理現象的感性認識，調動學生的思維進而在自主活動中不斷抽象出其本質，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用.在物理概念的教學中，可以從演示實驗出發，通過有趣的實驗現象為學生創設引人入勝的學習情境，幫助學生從生動的主觀過渡到抽象的思維.同時，有趣的實驗情境不僅能激發學生的學習興趣，也能引發學生的思考，把學生的注意力吸引到本節課要研究的問題上來.

在“電磁阻尼和電磁驅動”概念教學中，演示“小熊蕩秋千”趣味實驗(小熊下方貼有金屬鋁片，移動磁鐵帶動小熊跟著運動起來)，如圖1所示，讓學生觀察磁鐵不能吸引鋁片，但磁鐵運動卻能夠帶動鋁片跟著運動.通過趣味實驗創設問題情境，激發學生的好奇心和求知欲，讓學生帶著問題繼續學習.

課堂實錄：

師：這里有一個懸掛的小熊(圖1)，在其下方放置磁鐵，移動磁鐵，可以觀察到什么？

圖1 小熊蕩秋千模型

生：小熊跟著動起來了.

師：小熊的下方貼有一個金屬片，猜想金屬片是哪一種金屬材質？

生：鐵.

師(教師演示磁鐵不能吸引該金屬片)：這個金屬片不是鐵片，而是鋁片，磁鐵不會吸引鋁片，為什么小熊會蕩秋千？

2 注重方法滲透 建構物理觀念

物理觀念是物理概念和規律在頭腦中的提煉與升華，是對物理思想和方法概括性、縱觀性的認知與體驗[1].基于物理觀念的概念教學既要包括對物理概念的深入認識與理解，還要包括科學思想方法的體驗與應用[2].因此，在概念教學中應該以物理思想方法作為生長點向外延展，引導學生對物理過程深入分析，發展學生運用物理思想方法處理實際問題的能力，實現對物理思想方法的內化，讓學生在物理方法的體驗和反思中建構物理觀念.

在“電磁阻尼和電磁驅動”的教學中，提出問題之后，引導學生逐步分析.當塊狀導體和磁場相對運動時，在導體中會產生渦流，形狀類似水的漩渦，如圖2所示.對于曲線電流，學生難以直接受力分析，此時可以滲透微元的思想進行“化曲為直”，將曲線電流轉化為直線電流，進而引導學生利用微元法分析出電磁驅動和電磁阻尼現象的產生過程，促進學生對物理概念的深入理解，也可以提高學生活用微元思想化解疑難問題、簡化復雜過程的能力.

圖2 渦流示意圖

課堂實錄：

師：導體帶動小熊運動起來，它們的運動狀態改變，必然受到了什么作用？

生：力的作用.

師：什么力的作用呢？下面進行分析.磁場遠離導體向右運動時，會引起穿過導體的磁通量減少.在塊狀導體內會產生什么？

生：渦流.

師：正確.根據楞次定律，感應電流的磁場阻礙原磁通量的變化，根據右手螺旋定則，可以判斷出此時渦流方向為逆時針，如圖3所示.渦流處在磁場中，會受到什么力的作用？

圖3 分析渦流方向示意圖

生：安培力.

師：正確.由此得出使塊狀導體運動起來的力是安培力.那么導體所受安培力的方向如何，為什么會使導體運動起來呢？通過俯視圖具體分析(見圖4).磁場向右運動，感應電流為逆時針.塊狀導體內產生渦電流，對于曲線電流，不能直接判斷安培力的方向.所以采用微元法“化曲為直”，將渦流分解成若干個微小電流元，任取一段電流元，可以近似地看成直線電流.如何判斷這段電流元所受安培力的方向呢？

圖4 分析安培力方向示意圖

生：左手定則.

師：伸出左手，磁場垂直穿過掌心，四指指向電流方向，拇指指向安培力的方向，垂直于電流向右上方.在對稱的下半圓周也取一段電流元，所受安培力向右下方.對這兩個安培力沿水平和豎直方向正交分解，會發現安培力豎直方向分量有什么特點？

生：等大反向，相互抵消.

師：正確，所以合力向右.對于整個導體，任意上下對稱的電流元豎直方向安培力都會抵消，所受安培力的合力向右，與磁場運動方向一致.由此得到磁場相對導體運動時，安培力使導體運動起來，把這種現象叫做電磁驅動.

3 制造認知沖突 激發科學探究

新課標重視對學生科學探究能力的培養.廣義的科學探究不僅僅是學生動手做實驗；學生在教師的引導下深入地去思考一個物理現象、物理過程，通過親身的體驗和自己的思考發現物理規律，這也屬于探究的過程.教師需要通過一定的教學手段創設學生感興趣的待解決問題，讓學生運用所學的知識和方法，在教師的引導下展開探究，形成物理概念或總結出物理規律.而教學實踐表明，學生處于適度的認知沖突中最有學習的動力[3].以認知沖突為依托，可以激發學生的學習興趣和探究欲望.在教學中，可以通過制造認知沖突為學生創設生動的問題情境，引導學生發現問題，提出問題，通過科學探究解決問題，建構物理概念和規律，培養學生的科學探究能力.

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，當學生建構出電磁驅動的概念之后，再次利用小熊蕩秋千的實驗裝置，讓學生觀察導體阻礙小熊的運動.通過一個實驗裝置，演示導體被驅動和被阻礙兩種截然相反的實驗現象，給學生制造強烈的認知沖突，引導學生進行科學探究.

3.1 觀察實驗現象 提出探究問題

通過創設一定的問題情境引發學生的認知沖突，激起學生的好奇心，促使學生觀察現象、發現問題,積極主動地去探索、去學習, 發揮學生的主體作用.

課堂實錄：

師：通過電磁驅動，導體跟著磁場動起來.如果初始狀態，讓導體先運動起來，再將磁鐵放置到導體下方(見圖1).會有什么現象呢？

教師演示，學生觀察.

生：導體很快停下來.

師：此時磁鐵對導體有什么作用？

生：阻礙了導體的運動.

師：上一個實驗中，磁鐵驅動導體，使導體動起來，為什么此時阻礙導體，使導體很快停下來呢？

3.2 提出假設 設計實驗方案

教師引導學生對比兩個實驗現象的不同之處猜想原因.學生通過對比發現兩個實驗中導體的初始運動狀態不同，上個實驗中初始狀態為磁場先動，此時導體先動.

生：如果初始狀態導體在磁場中運動，導體會受到阻礙.

師：同學們做出了猜想，導體在磁場中運動時可能會受到阻礙.那該如何設計實驗驗證我們的猜想呢？

(學生思考，教師讓學生表達想法)

師：導體選擇上文中提到的鋁片.導體動，有平動和轉動兩種方式，為了方便研究，選擇平動中的擺動.在磁場中運動，用磁鐵(可拆卸)來提供磁場.為了對比實驗現象，選擇兩個相同的鋁片，一個在磁場中運動，一個在空氣中運動做對比.由此可采用如圖5所示的實驗裝置.

圖5 電磁阻尼擺實驗模型

設計意圖：新課標重視探究的過程，在實驗探究時，每一步的實驗設計思路教師都要給出充分的依據，說明其中涉及到的物理思想和方法，讓學生不僅學習實驗操作，更能學習設計實驗的思維.

3.3 進行實驗 驗證猜想

首先排除無關變量的干擾，兩個鋁片的兩側都不加磁鐵，將鋁片放置到相同的位置同時釋放，可以觀察到兩個鋁片幾乎同時停止擺動.在左側鋁片的兩側加上磁鐵，再次同時釋放，可以觀察到在磁場中運動的鋁片先停下來.驗證了猜想正確，導體在磁場中運動時確實會受到阻礙.

設計意圖：通過實驗探究解決問題，并在實驗前排除無關因素的干擾，培養學生嚴謹和實事求是的科學態度，在實驗過程中滲透“對比”的物理思想，使學生得到科學思維和方法的訓練，提升學生的科學探究能力.

3.4 得出結論 建構概念

類比電磁驅動的分析過程，讓學生自主分析出阻礙導體的力是安培力，并用微元的方法分析安培力的方向，與導體運動方向相反.由此得到，導體在磁場中運動，安培力阻礙導體運動，這種現象叫做電磁阻尼，完成概念的建構.

設計意圖：類比電磁驅動的建構過程，讓學生完成電磁阻尼概念的建構，可以讓學生鞏固所學的物理思想和方法，培養學生獨立解決問題的能力.

4 抽象物理模型 激活科學思維

“科學思維”指從物理學角度對客觀事物內在規律及其本質的認識，是基于經驗事實建構物理模型的抽象過程[4].基于科學思維的物理教學要求能抽象出物理概念和規律的科學本質，完成物理概念模型或物理原理、規律模型的建構[5].

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，得出兩種現象的定義后，引導學生綜合看待兩種現象，電磁阻尼中安培力阻礙導體，電磁驅動安培力驅動導體，抽象出其共同特點：安培力阻礙導體和磁場的相對運動，再挖掘其本質，磁場和導體的相對運動引起了穿過導體的磁通量變化，在導體內產生了渦流(感應電流)，感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因，因此阻礙穿過導體的磁通量變化，進而阻礙導體和磁場的相對運動，從而完成物理現象產生原理的模型建構，電磁阻尼和電磁驅動本質示意圖如圖6所示.由此,一方面可以加深學生對這兩種現象以及楞次定律的深刻認識，明確它們之間的內在關系；另一方面可以培養學生透過物理現象挖掘物理本質以及建構物理模型的能力，發展學生的科學思維.

圖6 分析電磁阻尼和電磁驅動本質示意圖

5 解決實際問題 提升社會責任感

物理教學要十分重視對學生科學態度與責任感的培養，在教學中要培養學生科學應用的意識和能力.教師應該創設一定的應用情境，通過教師有意識的引導，幫助學生把所學知識遷移到新的情境，解釋和解決實際問題，賦予新知識以意義.在遷移的過程中讓學生了解物理知識與技術進步、社會發展的關系，以激發學生的創造力和社會責任感.

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，利用自制教具為學生演示兩種規律在“過山車剎車”和“磁性式轉速表”中的應用，創設貼近生活實際的遷移情境，在真實的情境下完成對電磁阻尼和電磁驅動現象的重新建構，讓學生了解物理知識在技術中的應用，啟發學生用所學知識解決生活實際問題，培養學生的科學態度和責任.

利用自制教具(圖7)為學生介紹電磁阻尼在過山車剎車中的應用.兩個相同的軌道，一方的軌道下方有磁鐵，小車的下方有鋁片.將小車在兩個軌道上釋放，會觀察到小車在下方有磁鐵的軌道上運動先停下來.引導學生結合電磁阻尼知識解釋其中的原理，由此引申到過山車的電磁制動模型.過山車進入制動區域運動時，軌道下方有強磁鐵，過山車的底部有銅鋁合金或者鋁片，過山車進入磁場中運動時，會受到安培力的阻礙減速，最終通過摩擦輪或其他摩擦制動的方式停下來.

圖7 過山車電磁制動模型

下面介紹電磁驅動在磁性式轉速表中的應用.汽車有速度表及轉速表，汽車上的轉速表(圖8)反映發動機的轉速，根據發動機的轉速可以判斷汽車是否啟動，是否換擋等等.

圖8 磁性式轉速表示意圖

通過Flash動畫展示汽車轉速表的基本結構，如圖9所示.

圖9 磁性式轉速表原理示意圖

永久磁鐵的轉軸和發動機轉軸相連，感應片通常是金屬鋁片，指針和感應片的轉軸相連，在測轉速時，永久磁鐵隨發動機轉軸旋轉，會帶動感應片同方向旋轉，由此指針發生偏轉，引導學生利用電磁驅動知識解釋原理.此時彈簧游絲隨感應片轉軸轉動被扭緊，產生反方向的恢復力，當游絲的恢復力矩與電磁驅動作用的轉動力矩平衡時，指針穩定地指在某一示數.發動機轉軸帶動磁鐵轉速增大時，由電磁驅動產生的轉動力矩增大，指針就穩定在偏角更大的位置，圖10是自制磁性式轉速表模型.

圖10 自制磁性式轉速表模型

利用自制教具演示磁性式轉速表的工作過程，進一步增強學生的感性認識，并引導學生自己制作磁性式轉速表模型.

物理課堂教學是落實和發展學生物理核心素養的主陣地，以物理核心素養為導向的教學是高中物理課程改革對物理教學的必然要求.實施核心素養導向的物理教學，要求教師轉變價值觀念，意識到物理教學不僅是知識的傳輸和再現，更重要的是物理思想方法的體驗和應用.讓學生即使遺忘物理知識，仍然能在頭腦中留下物理思想方法、科學研究態度的痕跡，讓其被學生永久保持，發展為學生的必備品格和基本素養，這才是中學物理課程的價值所在[6].