基于核心素養的“楞次定律”實驗創新與教學設計

代 偉 黎 蕊 張 奕 母志遠

（西華師范大學物理與空間科學學院，四川 南充 637002）

1 引言

高中物理實驗主要包括“演示實驗”、“學生分組實驗”、“課后活動實驗”幾種形式.在高中物理教學中教師可分別從這三種不同形式的物理實驗教學中去培養學生物理核心素養.在演示實驗教學中可以巧妙選擇實驗對象，培養學生物理觀念；通過直觀展現實驗現象、創設生動實驗情景、遞進設置實驗問題培養學生科學思維素養；通過師生共同構建實驗模式，培養學生實驗探究素養；創新使用實驗器材培養學生科學態度與責任素養等教學策略.在學生分組實驗中教師可以讓學生親身體驗實驗探究過程，培養物理基本觀念；遷移使用實驗內容、鼓勵實驗優化創新，培養學生科學思維；通過合理編排實驗探究內容，培養學生實驗探究素養；注重關注實驗反思、善用分組實驗方式培養學生科學態度與責任素養.在課后活動實驗方面可以讓學生重視“課后實驗”，善用實驗鞏固核心知識；體驗課后實驗探究，培養學生科學思維；建立家庭物理實驗室，創造物理學習空間；注重物理與生活緊密聯系，滲透“STSE”理念等實驗教學策略進而發展學生物理核心素養.

2 基于核心素養的“楞次定律”創新實驗教學設計

2.1 “楞次定律”內容分析

楞次定律選自人教版選修3- 2第4章電磁感應第三節的內容，本節課是在學生認識電磁感應現象和探究了感應電流的產生條件之后安排的.楞次定律的學習既是對前面所學內容的進一步深入探索，同時也與后面的法拉第電磁感應定律緊密相連，本節內容為學生后面的學習奠定了基礎.

楞次定律是高中物理電磁學教學的重點內容，通過課堂觀察和與教師學生的交談得知，本節課對學生來說難度較大.楞次定律所牽扯的物理規律和物理知識較多，學生往往只能記住楞次定律的內容但卻無法靈活的進行應用.究其原因是學生沒有親身體驗楞次定律的產生過程.因此為了突破這個學習重點與難點，教學設計考慮通過學生分組進行實驗探究的方式，借助創新自制教具探究楞次定律的產生過程.將物理規律復雜的變化過程轉化為直觀的實驗現象，幫助學生對核心知識的理解與應用.

2.2 學生學習“楞次定律”前的學情分析

從學生主體性角度來看，高二學生經過一年的物理學習后已經具備一定的實驗觀察能力與實驗操作能力，能分組完成有一定難度的探究實驗.從學生已學知識和經驗角度來看，學生在本節課之前已經學習過電磁感應現象并經歷過感應電流產生條件的探究過程.為本節課楞次定律的學習與實驗探究打下了一定的基礎.物理核心素養要求學生具有一定的實驗探究能力，培養創新思維和科學態度與責任素養.因此本節課的創新實驗教學設計將通過帶領學生親身體驗實驗探究過程，培養學生物理核心素養.本節課的創新實驗教學設計思路為：通過演示實驗創設情景、質疑設問、確定主題；通過分組實驗、利用創新自制教具合作探究、理解楞次定律產生過程；交流信息、探討結論、得出楞次定律；借助自制教具拓展延伸、推廣應用、落實效果.

2.3 課前引入演示實驗教學設計

課前引入演示實驗裝置如圖1所示，演示實驗裝置為一電磁炮，電磁炮由線圈，鐵芯，鋁環構成.課前先播放電磁炮的視頻，然后用自制的教具進行演示，當接通電磁炮電源時學生會看到套在電磁炮鐵芯上的閉口鋁環會被高高彈起，而開口鋁環則不能.通過課前視頻和自制教具演示激發學生學習興趣，引導學生思考電磁炮的工作原理是什么？為什么只有閉口的鋁環才能被彈起？通過演示實驗創設情景、質疑設問、確定主題讓學生帶著問題進入新課學習，充分調動學生的主觀能動性，培養學生物理觀念、觀察能力和科學思維能力.

圖1 電磁炮

2.4 利用創新自制教具探究閉合線圈感應電流方向

探究閉合線圈中感應電流的方向的創新實驗教學設計思路如圖2所示.

圖2 探究閉合線圈感應電流方向教學設計思路

為了在學生分組實驗中幫助學生親身體驗實驗探究過程，培養物理基本觀念，分組探究的創新實驗自制教具如圖3所示.教具包括用有機玻璃做成的平板小車，一個固定有磁鐵的支架，一個可以放置在小車上的閉合線圈，一個圓柱形強力磁鐵.教具使用方法是首先將固定有磁鐵的支架放在小車上，根據磁鐵的方向可以判斷當圓柱形磁鐵靠近小車上的磁鐵支架時，依據磁極同名相斥，異名相吸的原理，小車會被圓柱形磁鐵推開或吸攏.把閉合線圈放在小車上也會發生同樣的情況，這說明磁鐵支架和閉合線圈所起的作用效果是相同的.為此可以判斷出線圈中感應電流產生的磁場方向，知道了線圈中感應電流的磁場方向后根據線圈的纏繞方向，依據右手螺旋定則就可以判斷出線圈中感應電流的方向.借助此教具老師通過合理編排實驗探究內容，培養學生實驗探究素養，所以利用自制教具可讓學生進行以下探究.

圖3 探究線圈中感應電流方向自制教具

任務1：分別進行四組實驗，在表1中記錄線圈的受力情況.

表1 利用自制教具分組探究線圈的受力情況，等效磁鐵的磁極

任務2：根據線圈受力情況，將線圈的等效磁鐵的磁極標在圖中相應位置.

任務3：根據磁鐵磁極在磁感線上用箭頭標出兩磁場的方向.

利用分組實驗方式培養學生科學態度與責任素養，通過分組探究實驗老師引導學生總結得出.

圖4

楞次定律：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.

2.5 利用創新自制教具“楞次定律演示儀”判斷閉合線圈中感應電流的方向

多年來楞次定律實驗一直使用靈敏電流計或檢流計來顯示感應電流的方向，但由于電表結構是密閉的，感應電流的方向顯示不直觀.為此利用創新自制教具“楞次定律演示儀”判斷閉合線圈中感應電流的方向.演示儀如圖5所示，教具由發光二極管和閉合線圈以及圓柱形強力磁鐵組成.發光二極管與電流的關系如圖6所示，通過觀察二極管的發光情況可判斷出線圈中感應電流的方向（表2），通過創新教具提高學生靈活運用知識的能力，培養學生的創新意識.

表2 探究閉合線圈感應電流方向規律實驗記錄表

圖5 楞次定律演示儀

圖6 發光二極管與電流的關系圖

通過實驗師生共同總結出利用楞次定律判斷感應電流方向的基本思路：

圖7

設計意圖：利用自制“楞次定律演示儀”來判斷線圈中感應電流的方向實驗現象明顯、直觀，方便學生觀察，教具具有啟發性.實驗記錄表只有“原磁場的方向”、“磁通量的變化”和“感應電流的方向”三個物理量，這樣的探究過程比較符合學生的認知規律，通過探究學生獲得了必要的感性認識，也學會了實驗探究的一般方法，這對培養學生的科學思維能力，提升學生的物理核心素養能起到很好的示范作用.

3 學以致用，解釋跳樓機、電磁炮的工作原理

教師通過遷移使用實驗內容，進行實驗優化創新，培養學生科學思維.依據楞次定律自制的跳樓機如圖8所示，在有機玻璃管內每相隔20 cm固定一個圓柱形磁鐵，管長大約1 m.在線圈骨架上纏繞線圈構成跳環，線圈與反向并聯的紅、黃二極管串聯構成閉合回路.將跳環套在有機玻璃管上，跳環下落時學生會觀察到當其下落到靠近和離開磁鐵位置時跳環小落會受到阻礙，同時還觀察到跳環靠近磁鐵時紅燈亮，離開時綠燈亮，讓學生課后思考跳樓機的工作原理，鞏固所學楞次定律的知識，培養學生從生活走向物理，從物理走向社會.

圖8 跳樓機

課后反思課前演示的電磁炮中用到的物理知識，圖9為課前演示實驗電磁炮的原理示意圖.通過楞次定律可知當電磁炮電源接通瞬間原線圈中的磁通量突然增大，套在電磁炮鐵芯上的閉合鋁環在這個磁場的作用下就會產生感應電流，感應電流產生的磁場與原磁場相互排斥，閉合鋁環在排斥力的作用下就被高高彈起.開口鋁環由于電流形不成通路也就形不成感應磁場，所以不能產生排斥力.通過課后反思鞏固所學，加深理解，深刻領會物理知識的重要，提高學生物理核心素養.

圖9 電磁炮

4 結束語

物理是一門以實驗為基礎的自然學科，學習方法上以實驗探究為主.實驗探究不僅是學生學習和掌握物理知識的，也是學生物理學習的重要內容.本文通過創新的自制教具對楞次定律教學設計進行了創新，教學設計著眼于對學生創造性思維能力的培養，充分調動學生的學習熱情.通過實踐發現在中學物理教學中教師可以通過自制實驗器材，營造“鮮活、靈動、激趣、勵志”的教學氛圍，從而有效培養和提升學生的物理學科核心素養.