基于物理核心素養(yǎng)導向的實驗情境教學
——以“楞次定律”的教學為例

朱順明 蔣建明

(江蘇省天一中學,江蘇 無錫 214101)

《普通高中物理課程標準修訂稿》內(nèi)部征求意見稿中指出:物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)．物理核心素養(yǎng)主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等4個方面的要素構(gòu)成,其中科學探究又包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素．它要求學生能基于事實得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力．因此優(yōu)化實驗教學推動學生學會思考積極研究勇于創(chuàng)新,這有助于提升學生的學科核心素養(yǎng)．

筆者在“楞次定律”一節(jié)的教學中,積極創(chuàng)設(shè)實驗情境,引導學生探究分析和交流總結(jié),提升學生科學思維能力和探究能力．

1 設(shè)置情境實驗,激發(fā)求知欲望

教師利用身邊的器材設(shè)計簡單的實驗,從而為學生創(chuàng)設(shè)需要解決的真實環(huán)境.這樣可以使學生產(chǎn)生認知沖突激發(fā)求知欲．只有在真實情境中的自主探究,才能體現(xiàn)學生的探究能力和科學素養(yǎng)．

“楞次定律”是人教版高中物理選修3-2第4章第3節(jié)的內(nèi)容,教科書通篇都是規(guī)律教學,先是理論探究得出楞次定律,然后安排規(guī)律的應用．盡管課文內(nèi)容結(jié)構(gòu)合理思維嚴謹,但卻不能調(diào)動學生學習的熱情,學生感覺不出判斷出感應電流的方向的目的和意義．為此筆者在課前設(shè)置演示實驗,有效調(diào)動了學生學習的熱情,構(gòu)建富有生命力的生長課堂．

圖1

創(chuàng)設(shè)情境,激趣導入:(跳環(huán)實驗)將J2425型教學用可拆變壓器的條形鐵芯豎直放置(如圖1),一輕質(zhì)鋁環(huán)套在鐵芯上,接通220V的交流電源瞬間看到鋁環(huán)向上跳．提出問題:鋁環(huán)向上跳說明鋁環(huán)受到向上的力．到底是什么力呢?引出課題．

2 挖掘?qū)嶒灩残?巧妙探究本質(zhì)

圖2

實驗設(shè)計要有利于學生知識的建構(gòu),要能簡化所要研究的問題情境．學生可以通過掌握的基本知識和技能以及運用科學的方法達到解決問題的目的．教材中對于楞次定律的探究是從條形磁鐵相對螺線管運動的實驗出發(fā),利用“感應電流的磁場”作為中介,列表歸納得出定律．此探究過程涉及原磁場方向、感應電流方向、線圈繞向、感應電流的磁場方向、磁通量的變化等諸多因素,由此帶來教學邏輯的繁冗,實驗探究的混亂．為此筆者選擇“線圈小車”實驗(圖2)作為基本出發(fā)點和突破口,創(chuàng)設(shè)實驗情境進行探究規(guī)律．

合作探究,建構(gòu)新知:將鋁環(huán)看作很多匝的閉合線圈．把線圈固定在玩具小車上,當磁鐵插入線圈,看到什么現(xiàn)象?前進．拔出時又是什么現(xiàn)象?改變磁鐵的極性,再做同樣的實驗(圖3)．插入—前進;拔出—后退(圖4)．可見無論是N極插入還是S極插入都是前進,拔出都是后退．

圖3圖4

實驗操作實驗現(xiàn)象相互作用力線圈的磁場方向與原磁場方向磁通量的增減N極插入前進排斥相反增加拔出后退吸引相同減少S極插入前進排斥相反增加拔出后退吸引相同減少來拒去留增反減同阻礙

根據(jù)實驗現(xiàn)象記錄表(表1)分析得到從相對運動角度是“來拒去留”的現(xiàn)象,從磁通量變化角度是“增反減同”的規(guī)律．至此從一般現(xiàn)象到特殊規(guī)律我們概括出最為簡潔的“阻礙”兩個字．這符合物理學追求簡潔美的思想．即感應電流的磁場阻礙原磁通量的變化．

3 創(chuàng)設(shè)實驗環(huán)境,學生躬行知事

實驗是物理研究的重要手段,它借助物理現(xiàn)象體現(xiàn)物理規(guī)律,在現(xiàn)象和理論之間搭建橋梁,幫助學生建立和理解概念和規(guī)律．在課堂教學中教師可以創(chuàng)設(shè)實驗環(huán)境,讓學生親身實踐,這有助于增強學生的問題意識,學習科學方法,培養(yǎng)創(chuàng)造性思維．

實驗驗證,強化理解:若已知感應電流的磁場,根據(jù)右手螺旋定則可以判斷出感應電流的方向．感應電流的方向真的是這樣的方向嗎?我們在線圈上接兩個發(fā)光二極管(左藍右紅)(圖5),它們是并聯(lián)反接(圖6)．根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ?通過發(fā)光情況可以直接判斷出感應電流方向．若是藍燈亮說明線圈中的電流是逆時針,若是紅燈亮說明線圈中的電流是順時針．

圖5圖6

學生填寫表2.

表2 磁鐵與線圈的實驗記錄

4 精設(shè)實驗問題,提升探究能力

通過特定的實驗情境,能使物理問題與學生的原有認知結(jié)構(gòu)中的經(jīng)驗發(fā)生聯(lián)系,激活現(xiàn)有的經(jīng)驗去“同化”和“順應”學習活動中的新知識,賦予新知識以意義,導致認知結(jié)構(gòu)的改建或重建．在設(shè)計問題時,那些與學生已有知識密切聯(lián)系的問題最能激起學生探究的欲望．對于重難點的內(nèi)容,教師要鋪設(shè)一些臺階,設(shè)計有層次和梯度的問題,從而引導和鼓勵學生積極探究．

圖7

問題1.若將磁鐵豎直穿過線圈,請問兩發(fā)光二極管的發(fā)光情況是什么?(學生通過實驗探究(圖7),教師通過手機慢動作拍攝得出結(jié)論)

問題2.為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,請試用楞次定律解釋?

問題3.在磁鐵下落過程中,靠近和遠離線圈時磁鐵受到的磁場力方向如何?

問題4.與自由落體運動相比,磁鐵在多個線圈中下落的運動快慢情況(圖8)?若將磁鐵穿過銅管快慢情況又如何?(圖9)

問題5.從能量轉(zhuǎn)化角度看,實現(xiàn)了什么能向什么能轉(zhuǎn)化?

——學生通過發(fā)光二極管的依次閃亮可以很判斷出磁鐵將機械能轉(zhuǎn)化為線圈中的電能．

圖8 圖9

5 開發(fā)拓展實驗,開闊學生視野

拓展實驗是基于常規(guī)實驗進行的創(chuàng)新,它能使學生獲得更多的生活情境體驗,學生可以從拓展實驗中吸取更多的營養(yǎng),領(lǐng)悟科學研究的方法,特別是感受到物理實驗是來源于生活,又應用于生活．在實踐活動中拓展實驗對于學生領(lǐng)悟科學研究方法,培養(yǎng)學生創(chuàng)造力等核心素養(yǎng)有重要推動作用．

圖10

聯(lián)系實際,體驗價值．回顧跳環(huán)實驗,學生解釋現(xiàn)象．對于跳環(huán)實驗從能量守恒角度看實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)化,當線圈匝數(shù)分別是400匝和200匝,接通交流電源分別做跳環(huán)實驗并比較兩次的高度．思考:如果把鋁環(huán)

變成一枚炮彈,可以發(fā)明一種什么武器?——電磁炮(圖10)．當線圈匝數(shù)是800匝時,接通交流電源,鋁環(huán)懸浮在空中．思考:根據(jù)這個現(xiàn)象,我們做什么用途?——磁懸浮(圖11)．如果把鋁環(huán)按住不動,發(fā)現(xiàn)鋁環(huán)在原地抖動,然后讓學生觸摸鋁環(huán)發(fā)現(xiàn)發(fā)熱．思考:從能量守恒角度看此時電能會轉(zhuǎn)化什么能?根據(jù)這個現(xiàn)象,我們可以發(fā)明什么用電器?——電磁爐(圖12)．

圖11圖12

參考文獻：

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