注重核心素養提升的高中物理規律教學研究

梁春戈 唐昌琳

［摘 要］由于物理學研究的是“物質最基本、最常見的運動形式和規律”，因此具有高度抽象性和概括性。物理規律，是透過物理現象挖掘其物理本質的一種描述。文章以“楞次定律”的教學為例，通過“創設情境、科學探究、理解規律和學以致用”四個環節的設計，挖掘學生形成物理規律的思維過程，以期對物理規律教學提供參考。

［關鍵詞］核心素養；高中物理；規律教學；楞次定律

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）05-0042-04

“物理觀念是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。”這是《普通高中物理課程標準（2017年版）》對物理觀念的描述。物理規律的認知過程，其實就是從貌似雜亂無章的物理現象出發，逐步探究概括出基本概念、基本規律的一個有序進階的過程。充當主導者角色的教師要幫助學生建立正確而清晰的認知體系，透徹理解物理規律本質。物理規律的教學通常是由提出問題、探索規律、討論規律和運用規律四個階段組成。現以“楞次定律”的教學為例，通過創設科學的情境和有效的提問，為學生巧妙搭建思維橋梁，促進學生較好地理解物理規律，且能夠運用已學過的抽象規律解決新情景中的問題，提高學科核心素養。

一、“楞次定律”教學難點分析

“楞次定律”是高中物理教學中典型、抽象的規律新知課課題，也一直是各省市賽課經典課題。從學生的認知角度來看，可能會遇到以下困難。

一是涉及多個物理量，比如原磁場方向、磁通量變化、靈敏電流計指針偏轉方向與電流方向的關系、感應電流方向、線圈繞向和其他許多干擾因素的影響，容易使學生產生實驗目的不明確和思維鏈太長等困惑，從而導致學生在有限的時間內很難找出隱蔽在變量間的復雜關系，所以不易確定感應電流方向與磁通量變化之間的關系。

二是不僅規律抽象、隱蔽，規律內容在文字敘述方面還具有高度抽象性和概括性。教學實踐中，部分年輕教師有時為了所謂的“高效”，沒有重視楞次定律的形成和理解分析，單純地將楞次定律的教學變成“增反減同、來拒去留”的口訣式結論教學，造成學生死記硬背、生搬硬套，非常遺憾地錯失了以規律教學促進學生思維能力發展的絕佳機會。

二、創設教學情境，引發認知沖突，激發學生求知欲

教學活動1：引導學生利用教具（一個強磁鐵、一塊鐵塊和一根厚銅管）（見圖1）來做“磁鐵在銅管中下落”實驗。磁鐵在銅管內以很慢的速度下落，神奇的現象讓學生過目不忘。教師追問：磁鐵穿過銅管的速度為何減慢了？怎樣解釋這一現象？為了誘發學生思考，教師可以引導學生將銅管看成是無數匝線圈，并讓學生參與討論（見圖2），從而自然過渡到本節課要講授的課題。

評析：教師精心設計教學情境，將學生的注意力吸引到課堂上來。創設的教學情境能讓學生在運用已有知識經驗解決問題的過程中產生認知矛盾或認知沖突，讓學生產生探明其究竟的欲望，達到激發學生學習興趣與促進學生主動思考的目的。

三、新課教學，學生自主探究

教學活動2：自制器材，優化實驗，發現問題。

教師展示含有發光二極管的自制實驗電路板（電路圖見圖2），手持強磁鐵快速插入，稍作停留迅速拔出。同時設置如下問題鏈：（1）磁鐵插入和拔出過程中分別觀察到哪個顏色的二極管發光？（2）能否分別指出紅色發光二極管和黃色發光二極管導通時對應的電流方向呢？理論依據是什么？

評析：傳統教學中，教師習慣按照教材提供的方案處理楞次定律實驗，這就要求教師在課前做好以下實驗準備：①查明電流表指針的偏轉方向與電流方向的關系（用廢舊電池做瞬間試觸操作，見圖3）；②弄清螺線管導線的繞向；③按圖連接線路。這樣操作的弊端有：第一，容易分散學生的注意力，沖散探究目標；第二，電表結構封閉，感應電流方向的可視度不高，且存在偏轉的慣性，指針有反偏現象，造成方向判斷失誤。基于此，筆者綜合教材內容和教學經驗對演示實驗進行了優化改進，借助二極管單向導通的特性，將電流計換成并聯反接發光二極管，哪個二極管發光，則說明感應電流方向符合對應二極管導流方向，這樣可以減少探究電流方向與電流計指針偏轉方向的關系這個環節，使學生有更多的時間用于交流討論探究主題；也可以使實驗現象更直觀，減少對學生思維的干擾。

教學活動3：分組實驗，合作探究。

這一環節，教師組織學生有序分組展開實驗探究，引導學生思考，猜想感應電流的方向可能與哪些因素有關。小組分工合作時，不同的磁極朝向和磁極運動方向組合可能出現不同的實驗方案，讓學生兩人一組做“磁鐵N極下插、N極上拔、S極下插、S極上拔”實驗，并在表1中做好記錄。指導學生帶著問題討論：（1）能否根據表1中第3、第4行的實驗數據找出感應電流I的方向跟線圈磁通量[Φ]的變化有什么關系？（從以往教學經驗看，因為影響感應電流的因素較多且隱蔽，所以學生很難概括兩者關系，教師可以引導學生通過一個中介——“感應電流的磁場”尋找兩者關系）（2）電流周圍存在磁場，磁體周圍對應有一個磁場，產生的感應電流也會對應激發一個磁場，這兩者之間會不會有聯系呢？學生自主實驗探究期間，教師巡視并密切注意學生的實驗探究過程，并給予學生充分的幫助和指導，讓學生有足夠的溝通與表達時間，讓學生通過思維碰撞，迸發智慧火花。

評析：從以往的教學實踐來看，當學生從“感應電流的方向與原磁場的方向”找不出規律時，通常是不會聯想到用感應電流的磁場方向作為“中介”尋找規律的。人民教育出版社出版的教學參考提議引入“感應電流磁場的方向”這一“中介”，所以預先設計好的學案表格中第4行留白不填寫任何物理量。

四、歸納結論，理解規律

教學活動4：結合實驗記錄的數據，分組就磁通量變化與感應電流激發的磁場的方向之間的邏輯關系展開討論，教師適時提出以下問題串：感應電流的磁場方向是否總是與原磁場方向相反或者相同？什么時候相反？什么時候相同？你認為感應電流的磁場對原磁場磁通量變化有何影響？嘗試用簡潔的語言提煉本組的結論。教師在此過程中要充分肯定其結論，針對存在的問題加以改正。

評析：這是學生探究過程中最關鍵的一環，有電即有磁，感應電流產生時，周圍空間激發的磁場有兩個，一個是磁體激發的磁場（因），另一個是感應電流激發的磁場（果），這兩個磁場的方向在該探究實驗中時而相反，時而相同，學生易知感應電流的方向與其磁場方向可以通過右手螺旋定則確定，所以只要界定兩個磁場何種情況下相同，何種情況下相反，就可以判斷感應電流的方向。為了幫助學生水到渠成地得出結論，設置了三個層層深入的問題。筆者認為，思維是通過問題啟動的，教師提出的問題應具有邏輯性和層次性，教學中教師要善于設置有效的問題串，以引導學生發現問題、提出問題。問題與問題之間巧妙銜接，層層推進，最終得出楞次定律的主要內容。

教學活動5：楞次定律的理解及拓展。

［楞次定律的內容］

感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。教師可以總結板書（如圖4）。

［楞次定律的理解］

楞次定律的表述簡明扼要、高度概括。為進一步加深學生對“阻礙”一詞的理解，建議教師設置如下問題串：（1）誰在阻礙？（感應電流的磁場）（2）阻礙什么？（原磁通量的變化）（3）如何阻礙？（當磁通量增加時，“反抗”磁通量增加；當磁通量減少時，“補償”磁通量減少，即可簡要概括為：增反減同）（4）阻礙的結果如何？（“阻礙”不是“阻止”。“阻礙”不能改變原磁通量的變化趨勢，僅對磁通量的變化趨勢起到延緩作用）

評析：楞次定律的內容不過幾十個字，但具有高度的抽象性和概括性，要想深入理解楞次定律，學生應該弄清以下問題：（1）誰在阻礙？ （2）阻礙什么？ （3）怎樣阻礙？（4）能否阻止？借助上面精心設置的問題串可以使學生明確知道它們的關系。

［更換視角，拓展延伸］

學生活動：如圖5所示是一個支架鋁環，[A]、[B]都是很輕的鋁環，[A]是閉合的，[B]是斷開的，當用磁體任意一極快速靠近鋁環時，會看到什么現象？再把磁極從鋁環中迅速抽出，又會看到什么現象？引導學生進行實驗分析：根據楞次定律，當磁極靠近鋁環時，鋁環的磁通量增大，產生感應電流，且感應電流的磁場方向與原磁場方向相反，則鋁環與磁極間表現為斥力，鋁環遠離磁極；當磁極遠離鋁環時，鋁環的磁通量減小，產生感應電流，且感應電流的磁場方向與原磁場方向相同，則鋁環與磁極間表現為引力，鋁環跟隨磁極。

教師總結：從導體和磁體間相對運動的角度來看，總是阻礙導體和感應電流磁體間的相對運動（如圖6）。（來拒去留）

［楞次定律符合能量守恒定律］

從楞次定律可知，感應電流總是阻礙磁鐵相對螺線管的運動。因此，教師利用圖7物理現象進一步趁熱打鐵，引導學生思考把握：當把磁鐵移進螺線管時，外力要克服磁鐵和螺線管間的斥力做功，消耗機械能，產生的電能是從機械能轉化而來的；當讓磁鐵離開螺線管時，外力要克服磁鐵和螺線管間的引力做功，消耗機械能，產生的電能是從機械能轉化而來的。

五、學以致用

［例1］（2018年高考全國Ⅰ卷）如圖8，兩個線圈繞在同一根鐵芯上，其中一線圈通過開關與電源連接，另一線圈與遠處沿南北方向水平放置在紙面內的直導線連接成回路。將一小磁針懸掛在直導線正上方，開關未閉合時小磁針處于靜止狀態。下列說法正確的是（）。

A.開關閉合后的瞬間，小磁針的N極朝垂直紙面向里的方向轉動

B.開關閉合并保持一段時間后，小磁針的N極指向垂直紙面向里的方向

C.開關閉合并保持一段時間后，小磁針的N極指向垂直紙面向外的方向

D.開關閉合并保持一段時間再斷開后的瞬間，小磁針的N極朝垂直紙面向外的方向轉動

評析：通過例題講解，學生在教師的引導下歸納應用楞次定律解題的思路：①明確原磁場方向；②明確穿過閉合回路磁通量是增加還是減少；③根據楞次定律確定感應電流的磁場方向。

［例2］如圖9所示，導體棒ab向右運動，導體棒ab中的感應電流是沿哪個方向的？

教師提問：（1）我們研究的是哪個閉合電路？（abcd回路）（2）當導體棒ab向右運動時，穿過閉合電路的磁通量是增大還是減少小（增加）（3）感應電流的磁場方向如何？（垂直紙面向外）（4）導體棒ab中的感應電流是沿哪個方向的？（由b到a）

接下來，教師介紹判斷感應電流的另一種方法——右手定則：伸開右手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內，讓磁感線從掌心進入，并使拇指指向導線運動的方向，這時四指所指的方向就是感應電流的方向。

教師強調右手定則的適用范圍：閉合電路一部分導線切割磁感線運動產生感應電流的情況。引導學生注意楞次定律與右手定則的區別與聯系：（1）研究對象：前者為這個閉合電路；后者為切割磁感線的導體；（2）聯系：右手定則是楞次定律的特例。

物理規律的教學是高中物理教學的重要內容，本節課以物理學科核心素養為主線，按照“實驗激發興趣—小組合作探究—師生互動推演—概括生成規律—規律應用延伸”的思路進行教學設計，這樣的教學設計需要教師認真學習課程標準和研究吃透教材，明確教學目標和教學流程。整個教學過程以實驗為載體、以問題為中心，推動學生思維螺旋式上升，促進學生核心素養提升。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版［S］.北京：人民教育出版社，2017.

［2］? 閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2019.

（責任編輯 易志毅）