基于核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
——以“楞次定律”教學(xué)為例

齊 斌

(江蘇省南京市寧海中學(xué)，江蘇 南京 210097)

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與核心素養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有利于學(xué)生的終身發(fā)展，促使其更好地應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來(lái)發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是落實(shí)物理育人的重要手段，能有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)可以把物理知識(shí)和實(shí)踐情境緊密地結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生從物理學(xué)的視角解釋現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；物理實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生基于事實(shí)和推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑并檢驗(yàn)，可以激活學(xué)生的思維；實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生體驗(yàn)和經(jīng)歷探究的過(guò)程，提高他們的科學(xué)探究能力；物理實(shí)驗(yàn)是有趣的、奇妙的，生活中的物理更是能使學(xué)生體會(huì)到自然界的和諧與奇妙，體會(huì)科學(xué)規(guī)律的普適性。除此之外，物理實(shí)驗(yàn)還有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的科學(xué)精神，團(tuán)隊(duì)協(xié)同探究的過(guò)程也有利于增強(qiáng)學(xué)生的協(xié)同意識(shí)與合作精神。[1]

2 以實(shí)驗(yàn)為主線的楞次定律教學(xué)設(shè)計(jì)

楞次定律這一節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生已經(jīng)掌握感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的基礎(chǔ)上，探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律。在楞次定律的實(shí)驗(yàn)探究中，需要讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中找出“相同事件”或“相關(guān)事件”的共同特征，總結(jié)出感應(yīng)電流方向的規(guī)律，并且能用能量守恒的觀點(diǎn)解釋“阻礙磁通量變化”過(guò)程中其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。楞次定律是電磁感應(yīng)模塊中的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。筆者通過(guò)一連串的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，化整為零，突破重難點(diǎn)，把核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)過(guò)程中。

2.1 利用魔管實(shí)驗(yàn)趣味引入

情境1：用圖1所示的器材做小游戲，測(cè)測(cè)學(xué)生的反應(yīng)時(shí)間。老師和學(xué)生都將管子豎直放置，小球從管的上方釋放，然后迅速用手在管的下方接小球，看能不能接住。小球在老師手里的管中下落得慢，在學(xué)生手里的管中下落得快。

圖1 魔管實(shí)驗(yàn)

師：老師對(duì)球施加魔法了嗎？

生：兩個(gè)小球不一樣，老師釋放的是磁球。

師：磁球?yàn)槭裁聪侣涞寐兀?/p>

生：磁球和管之間有吸引力。

師：磁鐵可以吸引哪些物質(zhì)？

生：磁鐵可以吸引磁鐵，可以吸引鐵、鈷、鎳，可以吸引電流。

師：很好，那銅管屬于哪一種？

生：銅管不是鐵、鈷、鎳，也不是磁鐵，那銅管中有感應(yīng)電流！

師：特別棒！請(qǐng)同學(xué)們思考一下，老師上節(jié)課講的感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，看看銅管是否滿足產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件呢？

生：感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是閉合回路中磁通量發(fā)生變化，銅管中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

設(shè)計(jì)意圖：利用魔管實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在思維加工中，激發(fā)認(rèn)知沖突，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考磁球怎么會(huì)與銅管發(fā)生相互作用，從而得出銅管中有感應(yīng)電流的結(jié)論。這一設(shè)計(jì)可以提升學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)他們?cè)谒季S加工中內(nèi)化物理觀念，在自我糾錯(cuò)中養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度。

2.2 利用“楞次”小船判定感應(yīng)電流方向

圖2

情境2：圖2所示為筆者自制的“楞次小船”，圖3是其原理圖。所用器材為鋁制易拉罐、泡沫板、磁鐵等。將小船放入水中，將塑料棒插入或拔出綁在小船上的易拉罐時(shí)，小船紋絲不動(dòng)；當(dāng)磁鐵N極或S極插入和拔出的時(shí)候，小船左右運(yùn)動(dòng)。

圖3

師：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并描述小船的運(yùn)動(dòng)。

生：當(dāng)磁鐵靠近小船時(shí)，小船向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離小船時(shí)，小船向右運(yùn)動(dòng)。

師：易拉罐中是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生？為什么？

生：有感應(yīng)電流，因?yàn)榇盆F沒(méi)有直接與小船發(fā)生相互作用，磁鐵可以與電流發(fā)生相互作用，所以易拉罐中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

師：如果易拉罐中有感應(yīng)電流，可以將它類比為什么?

生：將它類比為磁體。

師：易拉罐中產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向有沒(méi)有變化？為什么？

生：在插入和拔出過(guò)程中，磁鐵的磁極沒(méi)有變化，但小船一次被排斥，一次被吸引，所以易拉罐的N、S極發(fā)生了變化。

師：如果磁鐵的S極遠(yuǎn)離小船，易拉罐中的感應(yīng)電流方向如何？從左端看時(shí)是沿順時(shí)針還是沿逆時(shí)針？

生：S極遠(yuǎn)離，可以看到小船受到吸引，易拉罐的右端可以看成N極，再由右手螺旋定則可以判斷出，從左端看小船中的感應(yīng)電流方向是沿順時(shí)針?lè)较颉?/p>

情境3：實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)規(guī)律。設(shè)計(jì)表格(表1)，分別記錄N極插入和拔出、S極插入和拔出時(shí)原磁場(chǎng)的方向、感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向、磁通量的變化，并思考這三者之間有何關(guān)聯(lián)。

表1

師：當(dāng)磁鐵靠近小船時(shí)，兩者之間產(chǎn)生了什么力？當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離小船時(shí)，兩者之間又產(chǎn)生了什么力？

生：磁鐵靠近小船時(shí)，兩者間是斥力；當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離小船時(shí)，兩者間是引力。

師：填寫(xiě)表1，你能?chē)L試從表格中總結(jié)出規(guī)律嗎？

此時(shí)學(xué)生總結(jié)起來(lái)還是比較困難的。

師：原磁場(chǎng)在怎么變化？感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)變化有關(guān)聯(lián)嗎？原磁場(chǎng)方向與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向可以用“相同”或“相反”來(lái)表述，原磁場(chǎng)的變化可以用磁通量“增加”或“減小”來(lái)表述。

生：原磁場(chǎng)磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反；原磁場(chǎng)磁通量減小時(shí)，感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同。

師：很好，增反減同！哪位同學(xué)再解釋一下“增”“減”“反”“同”都是什么意思？

生：“增”“減”指的是原磁場(chǎng)的磁通量增加或減小；“反”“同”指的是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反或相同。

師：很好！總結(jié)很到位。“增反減同”，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)要“阻礙”原磁場(chǎng)磁通量的變化。

設(shè)計(jì)意圖：“楞次”小船這一創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。從實(shí)施操作可行性角度看，“楞次”小船的設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力；學(xué)生經(jīng)過(guò)思考比較容易得到感應(yīng)電流的方向會(huì)發(fā)生變化，并將感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化聯(lián)系在一起，來(lái)探究它們之間的關(guān)系；能清楚地看到磁鐵與小船之間的相互作用，并清楚判定出作用力的方向，引導(dǎo)學(xué)生類比電磁鐵，判斷出感應(yīng)電流的方向。

2.3 利用實(shí)驗(yàn)展示楞次定律在生活中的應(yīng)用

情境4：為學(xué)生提供電流計(jì)、電池、螺線管、磁鐵、開(kāi)關(guān)等，要求學(xué)生設(shè)計(jì)、連接電路。先在學(xué)案上用剛剛學(xué)習(xí)的理論知識(shí)來(lái)判斷感應(yīng)電流的方向(圖4)。再用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)自己的判定是否正確。

圖4

情境5：將楞次定律與二極管相結(jié)合，展示發(fā)光二極管小車(chē)(圖5)。發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦裕⑶铱梢园l(fā)光，可觀察到電流的方向。小車(chē)底下有滾輪，在力的作用下比較容易運(yùn)動(dòng)。

圖5

圖6

情境6：魔管揭秘——相見(jiàn)時(shí)難別亦難。將銅管類比為一圈一圈的導(dǎo)線(圖6)，用所學(xué)知識(shí)從“力”和“能”的角度分析小球下落慢的原因。并自制教具，在銅絲上接入小燈泡，當(dāng)磁球滑過(guò)，讓學(xué)生直觀感受能量的轉(zhuǎn)化。

師：磁球?yàn)槭裁聪侣渚徛吭贏位置時(shí)，線圈1和線圈2給磁球力的方向是怎樣的？在B位置時(shí)，線圈1和線圈2給磁球力的方向是怎樣的？

生：銅管由n匝銅線圈組成，當(dāng)磁球下落至A位置時(shí)，靠近線圈1，依據(jù)近斥遠(yuǎn)吸，磁球受到斥力，受力方向?yàn)樨Q直向上。當(dāng)磁球下落至B位置時(shí)，遠(yuǎn)離線圈1，線圈1給磁球施加以吸引力，受力方向?yàn)樨Q直向上；靠近線圈2時(shí)，線圈2給磁球施加斥力，受力方向?yàn)樨Q直向上。因?yàn)榇徘虺掷m(xù)受到線圈施加的向上的力，所以下落緩慢。

師：磁球在管中下落時(shí)，你看到什么現(xiàn)象？機(jī)械能守恒嗎？能量是如何轉(zhuǎn)化的？

生：看到小燈泡發(fā)光。機(jī)械能減少，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和電能。

情境7：磁可生電，機(jī)械能可轉(zhuǎn)化為電能，生活中有很多這類利用能的轉(zhuǎn)化的實(shí)際應(yīng)用。以“隔空取電”實(shí)驗(yàn)為例(圖7)，隔空可以使得USB燈發(fā)光，隔空可以給手機(jī)充電；再分析實(shí)驗(yàn)裝置，用已有知識(shí)解釋其原理。

圖7

師：在電能接收電路中沒(méi)有電源，怎么可以實(shí)現(xiàn)充電？

生：電能接收電路中磁通量發(fā)生變化，所以可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。

師：為什么電能接收線圈中會(huì)有變化的磁通量？

生：電能輸入線圈接入交流電，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。

設(shè)計(jì)意圖：關(guān)于楞次定律在生活中的應(yīng)用，筆者設(shè)計(jì)了四個(gè)情境，層層深入，用電流表檢測(cè)感應(yīng)電流方向的判斷是否正確；用二極管小車(chē)將電磁與運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起；揭秘魔管，首尾呼應(yīng)，并進(jìn)一步改良實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感受到能的轉(zhuǎn)化；最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及楞次定律在生活中的應(yīng)用。這樣的實(shí)驗(yàn)串不僅有趣，還促進(jìn)學(xué)生動(dòng)腦思考，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生深刻理解知識(shí)的有效載體，是培養(yǎng)高價(jià)思維的有效路徑。

3 結(jié)語(yǔ)

楞次定律的理解和應(yīng)用，是本節(jié)課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，為了突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，本節(jié)課的設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)為軸線，以學(xué)生的體驗(yàn)與探究為主，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的作用是其他教學(xué)方式所不能替代的，教師應(yīng)該讓學(xué)生有機(jī)會(huì)真正進(jìn)入物理世界，進(jìn)行“沉浸式學(xué)習(xí)”，讓物理課堂更有“物理味”，讓物理課堂更有“教育味”。