基于微電流放大的“感應(yīng)電流方向規(guī)律探究”的教學(xué)設(shè)計

伍建兵+徐平川+唐秋梅+劉端

摘 要：本文通過分析教材明確具體的教學(xué)任務(wù)，以有趣的小實驗引入新課，激發(fā)學(xué)生的好奇心與探究欲望；利用微電流放大原理和發(fā)光二極管的單向?qū)ㄐ灾谱魈骄繉嶒灲叹?，直觀地反映出感應(yīng)電流的方向；結(jié)合自制教具，設(shè)置問題情景，引導(dǎo)學(xué)生通過運用科學(xué)方法突破“理解感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向的關(guān)系”的教學(xué)難點。

關(guān)鍵詞：楞次定律；教學(xué)設(shè)計；探究式教學(xué)；微電流放大

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）10-0073-4

探究性課堂教學(xué)是基礎(chǔ)教育課程改革的主線，因為探究過程是產(chǎn)生創(chuàng)造思維的最佳途徑，教學(xué)過程的設(shè)計必須符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展?！案袘?yīng)電流方向規(guī)律探究”的教學(xué)過程一般是根據(jù)靈敏電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況，間接判斷感應(yīng)電流的方向，然后運用右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的磁場方向，并與原磁場方向?qū)Ρ?，總結(jié)得出感應(yīng)電流方向規(guī)律即楞次定律的內(nèi)容。但該教學(xué)過程僅僅是在驗證楞次定律，并沒有體現(xiàn)探究過程，學(xué)生不能直觀地觀察到感應(yīng)電流的方向，更不能體驗到知識產(chǎn)生的過程與方法。本文基于自制的微電流放大的楞次定律探究儀，能直觀地觀測到感應(yīng)電流方向，使感應(yīng)電流的方向探究在實驗上更為完整。

1 教學(xué)任務(wù)分析

1.1 教材分析和學(xué)情分析

“楞次定律”這節(jié)內(nèi)容既是上一節(jié)“感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的進(jìn)一步延伸，也為下一節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”奠定了基礎(chǔ)。但本節(jié)內(nèi)容涉及的物理概念與物理規(guī)律多而繁，給教師的教和學(xué)生的學(xué)帶來了很大難度。學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基本方法，并具有一定實驗操作、數(shù)據(jù)分析和總結(jié)歸納的能力；但對“電生磁”“磁生電”的現(xiàn)象描述、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的空間想象仍具有一定的困難。

1.2 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點分析

通過實驗和理論分析，體驗“感應(yīng)電流方向規(guī)律”的實驗探究過程和基本思路，加深學(xué)生對楞次定律內(nèi)容的理解，并能夠熟練地應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向；通過對感應(yīng)電流方向的實驗探究讓學(xué)生關(guān)注實驗現(xiàn)象的個性，找出實驗現(xiàn)象的共性，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和對實驗數(shù)據(jù)總結(jié)歸納的能力，掌握科學(xué)探究的基本方法，發(fā)展和提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

由于感應(yīng)電流方向的規(guī)律不易得出，因此如何設(shè)計實驗進(jìn)行科學(xué)探究是教學(xué)的重點。在實驗探究過程中，如何進(jìn)行科學(xué)猜想、數(shù)據(jù)分析和總結(jié)出感應(yīng)電流的方向規(guī)律，同時充分地引導(dǎo)學(xué)生理解感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向之間的關(guān)系是該教學(xué)任務(wù)的難點。

2 教具設(shè)計與優(yōu)化

由于感應(yīng)電流的方向不易從實驗中直接觀察到，在傳統(tǒng)的楞次定律探究儀的基礎(chǔ)上，將銅管或鋁管改為開口的銅環(huán)或鋁環(huán)，在開口處連接電流傳感器來觀測感應(yīng)電流，但現(xiàn)象上仍然不夠直觀。本文中的教具通過發(fā)光二極管發(fā)出帶顏色的箭頭表示感應(yīng)電流的方向，實驗現(xiàn)象明顯。就能將感應(yīng)電流的不可見的性質(zhì)轉(zhuǎn)換為人眼能夠直接觀察到的物理現(xiàn)象，使學(xué)生更清楚、直觀地感受其方向，更好地理解楞次定律的本質(zhì)。

如圖1、2所示，該教具利用二極管的正向?qū)ㄐ?，將多個發(fā)紅光的二極管串聯(lián)后，再與多個串聯(lián)后的發(fā)綠光的二極管并聯(lián)，最后與線圈相連。由于感應(yīng)電流較小，不足以使多個二極管發(fā)光，于是在電路連接過程中加入微電流放大器使電流放大，其并不會改變電流的方向。當(dāng)感應(yīng)電流向下流動時，發(fā)紅光；當(dāng)感應(yīng)電流向上流動時，發(fā)綠光。在條形磁鐵插入與拔出線圈的過程中，兩并聯(lián)電路會顯示出向下或向上的箭頭，直觀地顯示出感應(yīng)電流的流向。

3 初設(shè)情境，引發(fā)思考

實驗1 如圖3，將一根染成黑色的銅管與一根塑料管均豎直放置在規(guī)格相同的玻璃片上，然后將兩規(guī)格相同的金屬塊分別從兩管頂端相同高度由靜止釋放。

師：觀察到什么實驗現(xiàn)象？

生：塑料管下端的玻璃片被砸壞了，銅管下端的玻璃片沒有被砸壞。

師：是什么原因?qū)е陆饘賶K在銅管中下落后沒砸壞玻璃片？

設(shè)計意圖 通過現(xiàn)象明顯的對比實驗吸引了學(xué)生的注意力，對比法的使用激發(fā)了學(xué)生探究現(xiàn)象產(chǎn)生原因的欲望，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時也為新課教學(xué)做了鋪墊，埋下伏筆。

4 提出問題，引發(fā)猜想

4.1 復(fù)習(xí)舊知，提出問題

師：感應(yīng)電流的產(chǎn)生需要什么條件？

生：當(dāng)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，這個閉合回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

4.2 觀察實驗，提出猜想

實驗2 如圖4，螺線管與電流表連成一個閉合回路，把條形磁鐵插入與拔出線圈。提醒學(xué)生帶著以下問題觀察實驗現(xiàn)象。

①電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)，向哪邊偏轉(zhuǎn)？

②電流計指針偏轉(zhuǎn)說明什么，偏轉(zhuǎn)方向不同說明什么？

師：觀察到了什么現(xiàn)象？原因是什么？

生：在條形磁鐵插入與拔出的過程中指針均發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)的方向卻不一樣。原因是在條形磁鐵插入與拔出的過程中，螺線管中磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，所以指針偏轉(zhuǎn)了。

師：說明了什么問題？

生：在條形磁鐵插入與拔出的過程中，回路中均可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，但是感應(yīng)電流的方向卻不一樣。

師：什么因素影響了感應(yīng)電流的方向？

生1：與插入和拔出這兩個動作有關(guān)。

生2：插入與拔出的不同之處在于螺線管中磁通量的變化，所以可能和磁通量的變化有關(guān)。

師：很好！下面根據(jù)磁通量的變化，將實驗分成N極向下插入螺線管、S極向下插入螺線管、N極向上拔出螺線管、S極向上拔出螺線管，分組實驗，將實驗結(jié)果填入在表1中。

師：從磁通量的變化分析實驗數(shù)據(jù)，能得出什么結(jié)論？影響感應(yīng)電流的因素有哪些？

生1：原磁通量變化相同時，原磁場方向不同，感應(yīng)電流方向不同。endprint

師：猜想1：原磁場的方向是影響感應(yīng)電流方向的因素。

生2：原磁場方向相同時，原磁通量變化不同，感應(yīng)電流方向不同。

師：猜想2：原磁通量的變化是影響感應(yīng)電流方向的因素。

師：非常好！下面我們根據(jù)原磁通量變化的兩種情況，通過自制教具進(jìn)一步探究原磁場的方向和原磁通量的變化與感應(yīng)電流方向之間具體的關(guān)系。

【設(shè)計意圖】 教師演示，讓學(xué)生有目的地觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)情況，并將實驗結(jié)果記錄在表格中，在演示和學(xué)生觀察的過程中恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。針對觀察結(jié)果對學(xué)生的實驗觀察能力進(jìn)行評價，激發(fā)學(xué)習(xí)的成就感，有目的地觀察保證了實驗的有效性；針對實驗結(jié)果進(jìn)行有效提問，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論，體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位。

5 設(shè)計實驗，驗證猜想并得出結(jié)論

實驗3 【介紹實驗教具與實驗原理】 為使全班學(xué)生都能直觀地觀察到感應(yīng)電流的方向，使用自制教具探究感應(yīng)電流的方向，如圖2所示。利用二極管的正向?qū)ㄐ裕瑢⒍鄠€發(fā)紅光的二極管串聯(lián)后，再與多個串聯(lián)后的發(fā)綠光的二極管并聯(lián)，最后與線圈相連。當(dāng)感應(yīng)電流向下流動時，發(fā)紅光；感應(yīng)電流向上流動時，發(fā)綠光。在條形磁鐵插入與拔出線圈的過程中，兩并聯(lián)電路會顯示出向下或向上的箭頭，直觀地顯示感應(yīng)電流流向，如圖1所示。

師：根據(jù)原磁通量的變化，仍然將實驗分成N極向下插入螺線管、S極向下插入螺線管、N極向上拔出螺線管、S極向上拔出螺線管四個分實驗，同學(xué)們認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象，并將實驗結(jié)果填入表2中（教師利用自制教具進(jìn)行演示實驗）。

師：現(xiàn)在線圈中同時存在兩個磁場，一個是原條形磁鐵產(chǎn)生的磁場，用B0表示；另一個是感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場，用B表示，現(xiàn)在大家觀察一下，B與B0具有怎樣的關(guān)系？

生：當(dāng)螺線管中原磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相反；當(dāng)螺線管中原磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相同。

師：方向相同與相反這其中隱含著什么意義？

生：B0穿過線圈的磁通量正在增大時，B與它反向，阻礙原磁通量的增加；B0穿過線圈的磁通量正在減小時，B與它同向，阻礙原磁通量的減少。

師：非常好！現(xiàn)在把四種情況合在一起可以概括出：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律。

設(shè)計意圖 應(yīng)用自制的實驗教具幫助學(xué)生突破難點——感應(yīng)電流的方向規(guī)律。實驗前向?qū)W生詳細(xì)地介紹實驗裝置與實驗裝置電路圖，使學(xué)生明白實驗裝置原理，教具將物理與生活和技術(shù)相聯(lián)系，符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。教具中用發(fā)光的箭頭表示方向，直觀性強(qiáng)，有視覺上的沖擊效果，學(xué)生可沿著箭頭的指向輕松判斷出感應(yīng)電流的方向。實驗中利用微電流放大法、實驗觀察法和總結(jié)歸納法，引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析原磁通量的變化和感應(yīng)電流方向之間的關(guān)系。

6 應(yīng)用知識，解決問題

師：回顧課前所做實驗，用所學(xué)知識解釋是什么原因?qū)е陆饘賶K在銅管中下落后沒砸壞玻璃片？（提示：該金屬塊是一枚磁鐵）

生：小磁鐵在銅管中下落時，銅管中產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙了磁鐵的下落。

師：【補(bǔ)充解釋實驗現(xiàn)象】 如圖5所示，實驗中的金屬是一枚磁鐵。下落過程中，銅管相當(dāng)于無限多個閉合回路，磁鐵上面附近銅管中的磁通量減少，由楞次定律可知，感應(yīng)電流的磁場向下，會向上吸引磁鐵，磁鐵下面附近銅管中的磁通量增加，感應(yīng)電流的磁場向上，會向上排斥磁鐵。磁鐵在銅管中的下落過程就會一直受到這樣的阻礙作用，故下落較慢，玻璃片就不會砸壞。

設(shè)計意圖 教師先讓學(xué)生嘗試應(yīng)用楞次定律解釋課前引入實驗的現(xiàn)象，接著教師結(jié)合生動形象的動畫解釋實驗現(xiàn)象，在解答學(xué)生心中困惑的同時使學(xué)生更加深刻地理解楞次定律。教學(xué)設(shè)計首尾呼應(yīng)，讓學(xué)生體驗物理源于生活并走向生活的事實。

7 小結(jié)與教學(xué)反思

感應(yīng)電流的方向探究涉及的變量很多，容易造成實驗效果不直觀、思維鏈條過長、教學(xué)邏輯不連續(xù)等教學(xué)困境。該教學(xué)設(shè)計通過簡單的實驗創(chuàng)設(shè)合適的物理情境，引導(dǎo)學(xué)生有目的地觀察實驗現(xiàn)象，利用基于微電流放大的自制教具把抽象的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為直觀的實驗現(xiàn)象，實驗效果明顯。教師通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“提出問題，引出猜想，通過自制教具進(jìn)行實驗，現(xiàn)象記錄，分析并歸納出實驗結(jié)果”的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。整個課堂注重思維的連續(xù)性，在循序漸進(jìn)中構(gòu)建知識，符合建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀。課堂中主要利用了比較法、實驗觀察法、分析與綜合、歸納與演繹的科學(xué)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和研究方法。

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（欄目編輯 鄧 磊）endprint