基于“楞次環(huán)”實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力
——以楞次定律教學(xué)為例

張海軍 唐安全

四川省成都市航天中學(xué)(610101) 四川省成都市龍泉驛區(qū)教育科學(xué)研究院(610101)

新課程標(biāo)準(zhǔn)中的科學(xué)探究指的是學(xué)生探究式的學(xué)習(xí)活動(dòng)而非科學(xué)家的科學(xué)探究，是在教師的指導(dǎo)和幫助下，學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)工作者進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)的相似過程。楞次定律作為高中階段最為抽象的一個(gè)物理規(guī)律，其教學(xué)長(zhǎng)期困擾著一線物理教師。筆者通過“楞次環(huán)”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己動(dòng)手，親身經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，取得了較好的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是通過教師演示“四組螺線管”實(shí)驗(yàn)來展開教學(xué)的。首先讓學(xué)生觀察不同磁極插入、拔出螺線管過程中靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向(見圖1)，然后完成實(shí)驗(yàn)記錄表格，最終通過表格中記錄的數(shù)據(jù)歸納出楞次定律。這種做法存在兩個(gè)明顯的弊端。

圖1 螺線管實(shí)驗(yàn)

1.1 需要觀察的要素繁多，難以理清頭緒

我們知道上述實(shí)驗(yàn)涉及“螺線管線圈的繞向”“電流表指針偏轉(zhuǎn)方向”“原磁場(chǎng)方向”“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向”“磁通量的變化”等諸多要素，這諸多的信息會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在觀察時(shí)顧不過來，當(dāng)然至于這些要素之間又有什么樣的聯(lián)系，學(xué)生更是很難在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)理出頭緒來，從而導(dǎo)致教學(xué)效果欠佳。

1.2 不利于探究學(xué)習(xí)

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個(gè)文化參與的過程，它不僅是個(gè)體對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的主動(dòng)加工而且需要學(xué)習(xí)者進(jìn)行合作互助。探究學(xué)習(xí)要求學(xué)生要親身經(jīng)歷知識(shí)的獲得過程，讓學(xué)生通過不斷的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題來學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，從而形成解決問題的能力及自主學(xué)習(xí)的能力。

而傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與安排卻讓學(xué)生不能親身經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，因此這不利于培養(yǎng)他們的科學(xué)探究能力。經(jīng)多次摸索后，筆者發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)行人教版物理選修3-2教材上習(xí)題6的“楞次環(huán)”來代替“四組螺線管”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，效果很好。因?yàn)椤袄愦苇h(huán)”實(shí)驗(yàn)需要的器材簡(jiǎn)單(見圖2)、容易操作且觀察要素少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也較明顯。通過楞次環(huán)與條形磁鐵間的排斥與吸引現(xiàn)象可以直接判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，再利用安培定則就可判斷出感應(yīng)電流的方向。因此，用“楞次環(huán)”代替“四組螺線管”非常有利于學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，適于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

圖2 “楞次杯”實(shí)驗(yàn)

2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的過程

2.1 提出問題

教師先提出問題，讓學(xué)生猜想。根據(jù)感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件我們知道，當(dāng)磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離閉合的鋁環(huán)A時(shí)，環(huán)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。那么，感應(yīng)電流的方向可能會(huì)與哪些因素有關(guān)呢？我們又該如何來判定它的方向呢？

2.2 猜想與假設(shè)

讓學(xué)生嘗試用不同的磁極去靠近或者遠(yuǎn)離A環(huán)，觀察A環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況。他們發(fā)現(xiàn)A環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況是不一樣的，學(xué)生不難想到A環(huán)中感應(yīng)電流的方向也會(huì)不同，所以學(xué)生可能的猜想有：磁鐵的極性、磁鐵的運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化、磁通量的變化等因素。

要讓學(xué)生的猜想轉(zhuǎn)化為科學(xué)的假設(shè)，還需要教師的引導(dǎo)。只有做出科學(xué)的假設(shè)，才能確立探究活動(dòng)的內(nèi)容和方向，從而進(jìn)一步探究。教師引導(dǎo)：磁鐵的極性可視為原磁場(chǎng)的方向，磁鐵運(yùn)動(dòng)的方向或磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化可影響磁通量的變化。于是，我們假設(shè)感應(yīng)電流的方向概括起來應(yīng)該是可能與原磁場(chǎng)方向、磁通量的變化情況這兩個(gè)因素有關(guān)。

2.3 分組實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想

假設(shè)是否正確，需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)探究的方案，然后小組做好分工，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方案及任務(wù)

(1)讓磁鐵N極靠近(遠(yuǎn)離)閉合鋁環(huán)A，觀察鋁環(huán)A的運(yùn)動(dòng)情況并記錄下來。

(2)標(biāo)出通過鋁環(huán)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向。

(3)標(biāo)出感應(yīng)電流的方向。

(4)記錄磁通量的變化情況。

(5)讓磁鐵S極靠近(遠(yuǎn)離)閉合鋁環(huán)A，觀察鋁環(huán)A的運(yùn)動(dòng)情況并記錄下來，重復(fù)上述(2)(3)(4)實(shí)驗(yàn)步驟。

2.3.2 設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)記錄表格

實(shí)驗(yàn)記錄見表1。

表1 探究感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)、磁通量變化的關(guān)系

2.4 分析論證，得出結(jié)論

學(xué)生交流討論，從表格1中可以獲得哪些信息，然后分組匯報(bào)。他們很容易就發(fā)現(xiàn)：感應(yīng)電流的方向與原磁場(chǎng)的方向和磁通量的變化情況都有關(guān)。

(1)在磁通量增加的兩次實(shí)驗(yàn)中，原磁場(chǎng)方向與感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向是相反的；在磁通量減小的兩次實(shí)驗(yàn)中，原磁場(chǎng)方向與感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向是相同的，即“增反減同”。

(2)確定了感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向就可以根據(jù)安培定則判斷出感應(yīng)電流的方向，感應(yīng)電流方向與原磁場(chǎng)方向通過中間環(huán)節(jié)“感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向”建立起了緊密的聯(lián)系。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生梳理出“感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向”“感應(yīng)電流方向”“磁通量的變化”三者的關(guān)系(見圖3)。

圖3 關(guān)系圖

因此，根據(jù)這三者的關(guān)系可以總結(jié)出判斷感應(yīng)電流方向的方法，即：如果是由磁通量的增加引起的感應(yīng)電流，則感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)反向；如果是由磁通量的減少引起的感應(yīng)電流，則感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)同向。

2.5 總結(jié)升華

當(dāng)磁通量增加時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)反向，阻礙了磁通量的增加；當(dāng)磁通量減少時(shí)感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)同向，則阻礙了磁通量的減少?？梢?，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)(B感)對(duì)磁通量的變化(ΔΦ)起著阻礙的作用，由此得到楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。但是僅僅從磁通量變化的角度來理解楞次定律是不完整的，我們還要引導(dǎo)學(xué)生從力學(xué)的角度來理解，通過表1我們發(fā)現(xiàn)無論哪個(gè)磁極靠近閉合鋁環(huán)A，它們都是排斥的；無論哪個(gè)磁極遠(yuǎn)離A環(huán)，它們都是吸引的。可見從力學(xué)角度理解楞次定律是：安培力(感應(yīng)電流的結(jié)果)阻礙了外力F的作用(產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因)，即“來拒去留”。當(dāng)然，楞次定律也是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的體現(xiàn)。因此，我們也要引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度來理解，因?yàn)闊o論磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離閉合鋁環(huán)均有外力克服安培力做了功，根據(jù)功能關(guān)系可知，一定有其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。所以，楞次定律“阻礙”的過程實(shí)際上就是能量轉(zhuǎn)化的過程。

3 結(jié)束語

在本節(jié)課的教學(xué)中，我們將課本的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成學(xué)生實(shí)驗(yàn)，又把比較繁雜的“四組螺線管”實(shí)驗(yàn)換成簡(jiǎn)單、直觀的“楞次環(huán)”實(shí)驗(yàn)，于是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中自主探究成為了可能。在這個(gè)自主探究的過程中，學(xué)生不僅深刻理解、牢固掌握了知識(shí)，而且由于突出了知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程，學(xué)生體驗(yàn)到了知識(shí)獲得的樂趣，從而激發(fā)了他們主動(dòng)探究的熱情，培養(yǎng)了他們科學(xué)探究的能力，同時(shí)他們的核心素養(yǎng)也得到了提升。