物理核心素養(yǎng)下的DIS探究學習
——以“右手定則”為例

宋曉瑜 上海市浦東復旦附中分校

一、前言

（一）物理核心素養(yǎng)

2017年版2020年修訂版《普通高中物理課程標準》指出：“物理核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面。”在高中物理教學方面，要求教師重視教學過程，在教學中提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

（二）教材分析

“感應電流的方向、右手定則”是上海科學技術出版社出版的高級中學課本高二年級第二學期第十一章《電磁感應 電磁波》B 節(jié)《感應電流的方向 右手定則》內(nèi)容，教學要求為B 級。本節(jié)課研究切割的一種特例，即閉合回路中的一部分導體做切割磁感線運動時產(chǎn)生的感應電流的方向。

本節(jié)為第一課時。在學習本節(jié)前，學生已經(jīng)掌握了感應電流產(chǎn)生條件是閉合回路中的磁通量發(fā)生改變，已學習過左手定則，會用左手來描述三個物理量兩兩垂直的關系，本節(jié)以此為基礎，讓學生親歷觀察、記錄實驗現(xiàn)象、歸納實驗結論的過程，研究物理規(guī)律。

（三）現(xiàn)有教學設計的困惑

右手定則是一個抽象的物理規(guī)律，傳統(tǒng)物理課堂上，教師往往采用如圖1 所示的器材，通過繞制多匝導線來產(chǎn)生可見的感應電流，從而推導出右手定則。除卻數(shù)量限制，傳統(tǒng)實驗的弊端也不容忽視，采用單匝導線做切割磁感線運動，感應電流難以觀測到，而采用多匝導線繞制的線圈切割磁感線，感應電流的方向又不直觀。

圖1

（四）朗威DISLab微電流傳感器的實驗探索

如圖2所示為朗威DISLab微電流傳感器，它相當于傳統(tǒng)意義上的靈敏檢流計，當微小電流從紅接線柱流入傳感器時，計算機顯示電流為正，當微小電流從黑接線柱流入時，電流為負。本探究實驗使用朗威DISLab 實驗軟件7.1 版本中的通用軟件，為了能夠將導線切割蹄形磁鐵磁感線產(chǎn)生的感應電流記錄下來，我們選擇示波顯示方式，如圖3 所示，在示波顯示方式下，流入微電流傳感器的電流隨時間變化的關系被精確記錄了下來，便于研究。本校物理實驗室的微電流傳感器足夠一個班級的學生完成右手定則的探究實驗。筆者嘗試將微電流傳感器與單匝導線連接形成閉合回路，用單匝導線切割蹄形磁鐵南北極間的磁感線，學生全程自主實驗，完成探究過程，最終得出右手定則。

圖2

圖3

二、基于核心素養(yǎng)的教學設計

（一）引入（導線切割地磁場磁感線討論）

教師介紹微電流傳感器，單匝導線兩端連接微電流傳感器組成閉合回路，將其靜放在講臺上，學生觀察微電流傳感器的示數(shù)，接著，教師兩只手分別握住微電流傳感器的紅黑接線柱橡膠處，以此為軸（東西方向），使長直導線繞軸南北向轉動切割地磁場磁感線，提示學生觀察傳感器示數(shù)。

問題1：連接好電路后，回路靜止不動，為什么沒有電流？

問題2：導線繞軸轉動時，微電流傳感器顯示出了變化的電流，從感應電流產(chǎn)生條件出發(fā)，如何解釋這種現(xiàn)象？

教師總結：我們已經(jīng)知道了感應電流產(chǎn)生條件是通過閉合回路的磁通量發(fā)生改變。我們所處教室的地磁場從南向北不變化，是回路的面積變了啊！換個角度，閉合線圈繞軸轉動時，它就必須要切斷穿入其面積的磁感線，線圈的一部分做切割磁感線運動，切割方向是導體切斷磁感線的方向，不同于運動方向。因此，切割是磁通量變化的一種特例，兩者并不矛盾。

設計目的：明確切割產(chǎn)生感應電流的本質(zhì)是閉合回路中磁通量的變化；介紹微電流傳感器及其使用方法，為之后的探究實驗鋪墊；明確磁場方向B、切割方向v以及感應電流方向I的判定依據(jù)。

（二）分組實驗

學生四人一組，在演示實驗的基礎上，共同制定實驗方案，確定需要測量的物理量，如何改變因變量，以及如何記錄單匝導線上的感應電流方向。

1.實驗前討論

問題1：在本實驗中，感應電流I 的方向受哪些因素影響？

問題2：在實驗中，如何改變以上影響因素？

問題3：如何通過檢流計示數(shù)的正負判斷流過導線的感應電流的方向？

問題4：如何將影響因素的方向和感應電流的方向記錄在表格上？

設計意圖：通過猜想，得出影響感應電流方向的因素以及改變這些因素的方法；通過分析，明確判斷流過導線的感應電流的方向；通過討論，得出表格的正確記錄方法。本實驗中，通過微電流傳感器記錄的電流正負得出流過導線的電流方向是難點，筆者希望通過實驗前的討論，讓學生能夠自主判斷導線上感應電流的方向。

2.實驗操作與記錄

實驗操作圖如圖4 所示，微弱磁通量變化時的輸出圖像如圖5 所示。由圖5 可見，橫軸上方的圖線表示電流由紅接線柱流入微電流傳感器，如圖中1、3、5 所示，而下方的圖線表示電流由黑接線柱流入，如圖中2、4 所示。而在相同情況下，圖線的高低與切割速度有關，速度越大，感應電流越大，圖線越高，如圖5所示。

圖4

圖5

實驗記錄的原始表格如表1 所示，需要記錄的物理量需要學生經(jīng)過小組討論自主確定并填入表格，分組實驗后，學生可以得到如表2 所示的記錄表格。在此基礎上，教師提示學生選擇觀察視角從A 向B，得到簡化后的平面示意圖，如表3所示。

表1 感應電流的方向原始記錄表格

表2 感應電流的方向立體圖表格

表3 感應電流的方向平面圖表

設計意圖：DIS 分組探究感應電流的方向，通過采集、記錄并分析數(shù)據(jù)，將立體圖轉為平面圖，建立模型，親歷實驗觀察、分析、歸納的探究過程。

3.右手定則的得出

問題1：磁場、切割以及感應電流的方向，三者在空間上存在著怎樣的關系？

問題2：這種三者兩兩垂直的關系之前我們是否也學過？之前我們?nèi)绾伪硎具@種兩兩垂直的關系？

問題3：若讓磁感線垂直穿掌心，如何用手來描述三者的方向？

設計意圖：通過左手定則的知識遷移，感受類比法在得出新知識點時的重要作用，通過動手操作，讓學生親身經(jīng)歷右手定則的得出過程。

三、對教學設計的反思

（一）DIS微電流傳感器對傳統(tǒng)器材的改進

傳統(tǒng)實驗利用多匝線圈切割蹄形磁鐵南北極之間的磁感線，由于實驗器材數(shù)量的限制以及實驗現(xiàn)象不明顯等原因，教師往往通過演示實驗完成實驗探究，難以發(fā)揮探究型實驗的優(yōu)勢。

本教學設計利用朗威DISLab 改良傳統(tǒng)實驗，用微電流傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢流計，用單匝導線切割蹄形磁鐵南北極間磁感線的方式，簡單明了地記錄實驗過程，得出結論。

（二）教學重點

從以往的教學實踐來看，本節(jié)往往由教師完成演示實驗，學生通過演示實驗記錄數(shù)據(jù)并得出結論，接著，就是操練過程。傳統(tǒng)教學方式注重學習結果，忽視了學生自主探究、自主實驗的能力。本節(jié)課注重學習過程，全程由學生自主設計實驗、完成實驗、分析數(shù)據(jù)并得出“右手定則”，感受科學探究的一般方法。

（三）側重彰顯的核心素養(yǎng)

本實驗為探究型實驗，本課注重對學生科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過提出問題，感應電流的方向，猜想感應電流I的方向與磁場B方向和切割方向v有關，利用DIS微電流傳感器測量并記錄數(shù)據(jù)，得出B、I、v 兩兩垂直的關系，通過小組成員討論，最終反思得出右手定則。

與此同時，也彰顯了物理思維。在物理核心素養(yǎng)的視角下，科學思維的基本方法包括分析綜合、推理論證等要素。在本課中，在測量的基礎上，學生將立體圖轉為抽象圖，構建了物理模型，通過左手定則知識的遷移過程，得出了右手定則。