基于科學探究素養(yǎng)的高中物理教學設(shè)計
——以人教版“電磁感應現(xiàn)象及應用”為例

王永強

(甘谷縣第二中學 甘肅 天水 741200)

1 引言

《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)指出高中物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”4個方面.其中科學探究素養(yǎng)主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等4個要素[1].本文根據(jù)科學探究素養(yǎng)的4個要素,將整個教學過程按照4個要素進行融合,充分體現(xiàn)新課標倡導的教學理念,教師作為幫助學生學習的主導者,教學的每一個環(huán)節(jié)始終以學生為主體,在教學實踐中逐漸培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng).下面以高中物理人教版“電磁感應現(xiàn)象及應用”為例進行闡述.

2 教材和學情分析

“電磁感應現(xiàn)象及應用”是高中物理必修第三冊的內(nèi)容.本節(jié)主要包括3部分,電磁感應現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷史概述、探究產(chǎn)生感應電流的條件以及電磁感應的應用.課程標準的要求是:通過實驗,了解電磁感應現(xiàn)象,了解產(chǎn)生感應電流的條件,知道電磁感應現(xiàn)象的應用及其對現(xiàn)代社會的影響[2].

前兩節(jié)學生已經(jīng)學習了磁感應強度和磁通量的概念,對磁通量的有無以及是否變化比較熟悉.初中還學了切割磁感線能產(chǎn)生感應電流.學生對產(chǎn)生感應電流的一般條件認識不充分.學生對實驗現(xiàn)象背后的本質(zhì)不易發(fā)現(xiàn),歸納實驗共同特征時課堂容易發(fā)散,教師要適時地進行引導.

3 教學目標

3.1 物理觀念

了解電磁感應現(xiàn)象曲折的發(fā)現(xiàn)過程,學習法拉第堅持理想信念、勇于探索的科學精神.

3.2 科學思維

培養(yǎng)學生觀察、分析、比較、推理和歸納總結(jié)科學規(guī)律的能力.

3.3 科學探究

(1)明確提出需要探究的問題,設(shè)計實驗方案得到證據(jù),解釋感應電流產(chǎn)生的條件,并與其他探究小組交流得到的結(jié)論;

(2)通過探究過程,體會科學探究的4個要素.

3.4 科學態(tài)度與責任

(1)知道電磁感應現(xiàn)象的應用及其對現(xiàn)代社會的影響;

(2)了解生活中與電磁感應有關(guān)的應用,嘗試解釋工作原理.

4 教學重點、難點

重點：引導學生通過探究實驗,歸納總結(jié)出產(chǎn)生感應電流的一般條件.

難點：如何設(shè)計、模仿法拉第電磁感應實驗,通過觀察和分析,將初中所學的產(chǎn)生感應電流的條件提升為磁通量的變化,并對初中所學的條件進行補充和解釋[2].

5 教學過程

5.1 教學前測

【題目】如圖1所示,虛線MN左側(cè)存在垂直于紙面的勻強磁場,閉合線框位于紙面內(nèi),線框由位置Ⅰ沿直線運動到位置Ⅱ的過程中,穿過線框的磁通量( )

圖1 線框進入磁場示意圖

A.一直變小 B.一直變大

C.先變大后變小 D.先變小后變大

5.2 復習導入

1820年,丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn),通電導線能使下方的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn).

【教師活動】引導學生思考:奧斯特的實驗說明了什么?

生:電流能產(chǎn)生磁場.

師:人們根據(jù)對稱性思想:既然電流能產(chǎn)生磁場,那磁場應該也能產(chǎn)生電流.“磁怎樣才能生電呢”?很多科學家為此做了大量的研究和實驗.其中有一位科學家,堅信磁一定能生電,并為此進行了長達10年的探索,他進行了很多次嘗試,經(jīng)歷了一次又一次的失敗,最終于1831年發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象.他就是英國物理學家法拉第.

設(shè)計意圖：用法拉第堅持理想信念、勇于探索的科學精神,鼓舞學生.

【學生活動】閱讀教材117頁“法拉第與電氣化時代”[3],了解法拉第和電磁感應現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的歷史背景.

設(shè)計意圖：通過閱讀教材,培養(yǎng)學生獲取信息、提升自主學習的能力[4].

【教師活動】展示法拉第當時所用線圈的圖片.他把兩個線圈繞在一個鐵環(huán)上,一個線圈接電源,另一個線圈接“檢測電流的裝置”.當給一個線圈通電或斷電的瞬間,在另一個線圈上出現(xiàn)了電流.

師:電磁感應的發(fā)現(xiàn)不僅對物理學和現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展做出了劃時代的貢獻,對整個現(xiàn)代文明的發(fā)展也有著深刻的影響,使人們的生產(chǎn)和生活進入了電氣化時代.可以說這是“劃時代的發(fā)現(xiàn)”.

5.3 劃時代的發(fā)現(xiàn)

1831年,法拉第發(fā)現(xiàn)了“磁生電”現(xiàn)象,稱為電磁感應,產(chǎn)生的電流叫做感應電流.

師:在學習初中物理時產(chǎn)生感應電流的條件是什么?

生:導體切割磁感線.

5.4 引發(fā)認知沖突——閉合線圈切割磁感線無感應電流

師:是不是切割了磁感線就一定能產(chǎn)生感應電流呢?

【學生活動】觀察實驗現(xiàn)象,如圖2所示.

師:這是一個電磁鐵,中間區(qū)域可以近似看作是勻強磁場.剛才的實驗可以簡化為如圖3所示,這是一個示意圖.

問題串：(1)線圈從1位置到2位置,或從3位置到4位置,切割磁感線了嗎?有感應電流嗎?

(2)線圈從2位置到3位置,切割磁感線了嗎?有感應電流嗎?

(3)實驗現(xiàn)象說明了什么?

生:切割磁感線有時能產(chǎn)生電流,有時不能產(chǎn)生電流.

5.5 科學探究素養(yǎng)的第一個要素——問題

那產(chǎn)生感應電流的條件究竟是什么呢?今天我們通過實驗一起來詳細的探究.

5.6 科學探究素養(yǎng)的第二個要素——證據(jù)

實驗一：導體切割磁感線運動,如圖4所示.

圖4 導體切割磁感線運動實驗裝置

【學生活動】觀察實驗現(xiàn)象,結(jié)合動畫演示觀察導體右側(cè)“×”的數(shù)量,如圖5所示.問什么發(fā)生變化了?

圖5 導體切割磁感線示意圖

實驗二：磁場相對螺線管運動,如圖6所示.

圖6 磁場相對螺線管運動實驗裝置

【教師活動】展示動畫分析,如圖7所示.仔細觀察通過螺線管的“→”數(shù)量,問什么發(fā)生變化了?

圖7 插入、拔出螺線管示意圖

實驗三：模擬法拉第電磁感應實驗,實驗裝置如圖8所示.

師:直徑較小的A線圈,放入直徑較大的B線圈中,A線圈和電源、滑動變阻器接通,B線圈和靈敏電流計形成回路.

【學生活動】觀察實驗,記錄現(xiàn)象.

當開關(guān)閉合或斷開的瞬間,指針擺動,表明產(chǎn)生了感應電流.

閉合開關(guān)后,當線圈A中電流不變時,電流表指針不動,B中無感應電流.

移動滑動變阻器的滑片,A中電流變化,伴隨著線圈A產(chǎn)生的磁場變化,如圖9所示[3].電流表指針擺動,表明線圈B中有感應電流.

圖9 線圈A中電流產(chǎn)生的磁場變化示意圖

【師生活動】引導學生進一步分析:當穿過線圈B的磁場變化時,能否產(chǎn)生感應電流.

師:以上3個實驗,變化的共同點是什么?

生:直觀地看,磁感線的數(shù)量增多或減少了.

【師生活動】教師引導學生,歸納總結(jié):共同點是穿過閉合電路的磁感線條數(shù)變了,就有感應電流產(chǎn)生.

師:穿過閉合電路的磁感線條數(shù),用物理語言描述就是磁通量.

【板書】產(chǎn)生感應電流的條件

當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時,閉合電路中就產(chǎn)生感應電流.

5.7 科學探究素養(yǎng)的第三個要素——解釋

【學生活動】解釋課前的實驗,如圖3所示.

問題串：線圈從1到2、3到4的過程中有感應電流嗎?為什么?從2到3的過程切割磁感線了嗎?為什么沒有感應電流?

5.8 科學探究素養(yǎng)的第四個要素——交流

小組交流:學生對初中所學的產(chǎn)生感應電流的條件進行補充,得到一般性結(jié)論,然后小組間進行交流.

初高中銜接:只有引起磁通量變化的切割運動才會產(chǎn)生感應電流.

5.9 電磁感應現(xiàn)象的應用

【教師活動】展示實驗室的手搖發(fā)電機,介紹發(fā)電的原理是閉合線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時,磁通量發(fā)生變化,從而產(chǎn)生感應電流.

師:利用電磁感應原理的還有變壓器、手機充電器、電磁爐、金屬探測儀和無線充電技術(shù)等,如圖10所示.

設(shè)計意圖：引導學生了解生活中與電磁感應有關(guān)的應用及其對現(xiàn)代社會的影響,開闊學生眼界,激發(fā)學生的求知欲,滲透科學態(tài)度與責任素養(yǎng),為他們的發(fā)展打好基礎(chǔ).

5.10 趣味實驗

【教師活動】展示搖繩發(fā)電的視頻.操場上兩名學生搖繩,繩子是由多根導線制成的,導線兩端與電流表連接,形成閉合回路.搖繩時電流表指針擺動,請說明原因?

展示無線傳輸?shù)囊曨l.兩個線圈可以傳遞、放大聲音信號,傳輸聲音信號的原理是什么?

【學生活動】嘗試解釋兩個現(xiàn)象的原理.

生:切割地磁場引起磁通量的變化.

音頻輸出時,變化的電流產(chǎn)生變化的磁場,由于電磁感應,在接有音箱的線圈內(nèi)產(chǎn)生了感應電流,從而傳遞了聲音.

5.11 課堂練習

【練習】如圖11所示,豎直放置的長直導線通有恒定電流,有一矩形線框與導線在同一平面內(nèi),在下列情況中線框產(chǎn)生感應電流的是( )

圖11 導線、線框模型

A.導線中的電流變大

B.線框向右平動

C.線框向下平動

D.線框以AB邊為軸轉(zhuǎn)動

5.12 科學趣聞

【學生活動】學完電磁感應,還有一件關(guān)于法拉第的科學趣聞.請同學們閱讀教材116頁“電磁感應現(xiàn)象的應用”第一段[3].

設(shè)計意圖：讓學生重溫科學的力量,在科學研究中,小小的發(fā)明可能是改變世界的“巨人”.

【教師活動】展示三峽電站的部分圖片.

21世紀初,我國建成了世界上最大的水利發(fā)電工程——三峽電站.2020年6月,34臺發(fā)電機組全部并網(wǎng)發(fā)電,實現(xiàn)了首次全開運行,每日發(fā)電量將近4億千瓦時,足夠點亮半個中國.

設(shè)計意圖：介紹我國的成就,激發(fā)學生的愛國熱情,增強民族自豪感.

師:由于法拉第的偉大貢獻,他被尊稱為“電學之父”.電磁感應現(xiàn)象開辟了人類社會的電氣化時代,已經(jīng)成為當今社會不可或缺的一項技術(shù).如果今天還有人問這有什么用?相信同學們都可以給她滿意的答案!

設(shè)計意圖：對本節(jié)內(nèi)容進行升華,滲透科學態(tài)度與責任方面的素養(yǎng),讓學生逐漸形成可持續(xù)發(fā)展的觀念.

5.13 課堂小結(jié)和板書設(shè)計

1.劃時代的發(fā)現(xiàn)

1831年,法拉第發(fā)現(xiàn)了“磁生電”現(xiàn)象,稱為電磁感應,產(chǎn)生的電流叫做感應電流.

2.產(chǎn)生感應電流的條件

當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時,閉合電路中就產(chǎn)生感應電流.

5.14 課后作業(yè)設(shè)計

查閱相關(guān)資料,了解電磁爐的工作原理.

學生之間交流為什么電磁爐要用鐵鍋而不用鋁鍋?

設(shè)計意圖：物理來源于生活,了解生活中與電磁感應有關(guān)的應用,嘗試解釋工作原理.將學到的物理方法和規(guī)律運用到日常生活中,體會物理與生活的緊密聯(lián)系性.

6 教學反思

6.1 成功之處

(1)教學前測能使學生快速進入學習狀態(tài).通過閱讀教材內(nèi)容,感受科學家的人格魅力,同時提高學生獲取信息的能力.介紹探索磁生電的艱難歷程后,鼓舞學生堅持理想信念、樹立勇于探索的科學精神,進行了科學態(tài)度教育.

(2)利用“閉合線圈切割磁感線無感應電流的實驗”引發(fā)認知沖突,激發(fā)學生強烈的求知欲和好奇心.圍繞探究的核心問題,適時拋出問題串,引領(lǐng)學生向探究的核心進階.

(3)學生整體參與度高,始終體現(xiàn)學生的主體地位.借助多媒體動畫演示,將抽象的磁通量顯化為磁感線的條數(shù)是本節(jié)課的一點創(chuàng)新.幫助學生發(fā)現(xiàn)了3個實驗的共同特征,使學生體會到成功的喜悅和探究的樂趣.利用學習小組的優(yōu)勢,總結(jié)并交流了得出的結(jié)論.

6.2 不足之處

(1)沒有大膽地放開讓學生設(shè)計實驗方案去探究,不利于發(fā)展學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神.學生的探究活動偏向于被動,今后教學中應鼓勵學生多嘗試設(shè)計.在教學實踐中仍有一部分學生參與度低,在以后的教學中,可以通過定向問答的形式增加互動機會.

(2)在得出一般結(jié)論遇到障礙時,為了完成本節(jié)課的教學任務(wù),急于求成,引導不足,給學生留的討論時間不夠充分.

(3)本節(jié)實驗內(nèi)容較多,在體現(xiàn)學生主體地位的同時課堂比較發(fā)散,時間安排不易控制.很多學生對觀察到的實驗現(xiàn)象不能用準確的物理語言描述,不利于學生形成系統(tǒng)的物理觀念.

以上幾點不足在今后的教學中加以克服.