基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“楞次定律”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計

朱亞軍

[摘 ? 要]在新高考改革的背景下，中學(xué)物理教學(xué)必須與時俱進(jìn)，教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程都要滲透物理核心素養(yǎng)的四個方面。文章以“楞次定律”教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程為例，探討創(chuàng)新性教學(xué)設(shè)計。在實際教學(xué)中，教師可以自制實驗器材，營造“鮮活、靈動、激趣、勵志”的教學(xué)氛圍，從而有效培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]楞次定律;核心素養(yǎng);創(chuàng)新;教學(xué)設(shè)計

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2019）26-0036-03

目前，在全方位推進(jìn)高考內(nèi)容改革，逐步推進(jìn)如圖1所示的“一體·四層·四翼”高考評價體系的大背景下，中學(xué)物理教學(xué)必須緊緊圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育的過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格。主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面。

“楞次定律”是判斷感應(yīng)電流方向最重要的依據(jù)之一，不僅是“電磁感應(yīng)”一章的重點，更是教學(xué)的難點，還是高考考查的熱點?！袄愦味伞钡慕虒W(xué)內(nèi)容涉及物質(zhì)觀、運動觀、能量觀和相互作用觀等物理觀念。教學(xué)過程中教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運用分析、推理和綜合等方法進(jìn)行科學(xué)思維，解決課堂中生成的問題;帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷在真實情景中提出問題，形成猜測和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息和處理信息，形成結(jié)論，以及對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的過程，培養(yǎng)學(xué)生誠信為本、求真務(wù)實的高尚品德和一絲不茍、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

一、設(shè)計理念

設(shè)疑、研討、探究、合作、建構(gòu)、應(yīng)用。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.回顧感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，理解楞次定律和右手定則，能運用楞次定律和右手定則判斷感應(yīng)電流的方向。

2.經(jīng)歷實驗、探究、分析、綜合的過程，得出感應(yīng)電流的方向與引起感應(yīng)電流的磁通量的變化之間的關(guān)系，提高自主學(xué)習(xí)和合作探究的能力。

3.保持對科學(xué)探究的熱情，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、樂于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新的意識和能力，并逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)踏實、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

三、教學(xué)重點和難點

重點：理解和應(yīng)用楞次定律。

難點：弄清以感應(yīng)電流的磁場為“中介”確定感應(yīng)電流方向的相關(guān)知識，理解楞次定律中“阻礙變化”的含義。

四、教學(xué)方法

啟發(fā)研討、探究建構(gòu)教學(xué)。

五、教學(xué)器材

1個金屬框（15 cm×20 cm），1塊塑料板（30 cm×40 cm），2塊強(qiáng)磁鐵，相同規(guī)格的銅片2片（2 cm×2 cm），自制螺線管30個，條形磁鐵30條，發(fā)光二極管（焊接有2個不同顏色的鱷魚夾）60個，演示用螺線管1個，干電池和導(dǎo)線若干。

六、教學(xué)過程

1.溫故知新，引入課題

【教學(xué)用具】一個矩形金屬框，如圖2所示。

【教師活動】

[引導(dǎo)提問]上一節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了第2節(jié)“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”，請問：在圖3所示的情形下，如何才能在矩形金屬框ABCD中產(chǎn)生感應(yīng)電流？

【學(xué)生活動】

[交流、討論，提出方法]線圈水平向左、向右運動，線圈繞AB邊旋轉(zhuǎn)，線圈繞AD邊旋轉(zhuǎn)，線圈繞對角線AC旋轉(zhuǎn)，線圈移出黑板平面，改變電流I的大小和方向，等等。

【教師活動】

根據(jù)學(xué)生的表述，教師在黑板前移動圖2所示的矩形金屬框，引導(dǎo)學(xué)生分析矩形金屬框中磁通量是否變化，及如何變化。

[提出問題]如何判斷矩形金屬框中的電流方向？

引入課題——楞次定律。

2.設(shè)疑激趣，探究緣由

【教學(xué)用具】一塊矩形塑料板（30 cm × 40 cm），2塊強(qiáng)磁鐵，相同規(guī)格的銅片2片（2 cm × 2 cm），如圖4所示，其中銅片和塑料板的圖片未按同一比例縮小。

[教師演示]上課之前，將強(qiáng)磁鐵固定在塑料板背面的左側(cè)中部。演示時，將塑料板正面朝向?qū)W生，傾斜放置，傾角大于75°，在沒有強(qiáng)磁鐵一側(cè)的塑料板上部，從同一高度由靜止并排同時釋放銅片1、銅片2。觀察銅片1、銅片2的運動情況。

發(fā)現(xiàn)銅片1、銅片2的運動情況相同，都做加速運動，幾乎同時到達(dá)塑料板的底端。

改變銅片1、銅片2釋放的位置，將銅片1置于有強(qiáng)磁鐵一側(cè)的塑料板上部，銅片2置于沒有強(qiáng)磁鐵一側(cè)的塑料板上部，仍然從某一高度由靜止并排同時釋放銅片1、銅片2。發(fā)現(xiàn)銅片1慢于銅片2到達(dá)塑料板的底端。更換銅片1和銅片2釋放的位置，重做實驗，發(fā)現(xiàn)銅片2慢于銅片1到達(dá)塑料板的底端。

【學(xué)生活動】

[分析、討論]雖然銅片1和銅片2完全相同，但兩銅片釋放的水平位置相距較遠(yuǎn)時，運動的情況不同，其中一種路徑中的銅片明顯受到了阻礙作用。

[學(xué)生猜測]塑料板的背面兩側(cè)有差異。

【教師活動】

[展示、提出問題]將塑料板的背面朝向?qū)W生，發(fā)現(xiàn)運動中銅片受到阻礙一側(cè)的塑料板中部有磁鐵。說明銅片經(jīng)過磁鐵附近的過程中受到了阻礙。

銅片在運動過程中為什么會受到阻礙作用呢？學(xué)完本節(jié)內(nèi)容，即可明白其中的緣由。

【設(shè)計創(chuàng)新】

在許多資料和教學(xué)設(shè)計中，都是讓磁鐵分別從塑料管和銅管中下落，觀察磁鐵下落的快慢，發(fā)現(xiàn)磁鐵在塑料管中運動的時間比較短，在銅管中運動的時間比較長，這也能說明磁鐵在銅管中受到了阻礙作用，但并不夠直觀。

在本創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計中，讓學(xué)生真真切切地看到銅片在運動過程中確實受到了阻礙作用，好像有一只無形的手阻礙著銅片的運動。

3.分組實驗，探究規(guī)律

【教學(xué)用具】發(fā)光二極管（焊接有2個不同顏色的鱷魚夾）60個，自制螺線管30個，條形磁鐵30條，演示用螺線管1個，干電池和導(dǎo)線若干，如圖5所示。

環(huán)節(jié)1：回顧二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

【學(xué)生活動】

根據(jù)圖6所示的電路圖，連接實物圖。先后閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器接入電路的阻值，發(fā)現(xiàn)二極管1正向連接，能發(fā)光;二極管2反向連接，不發(fā)光。

【教師活動】

[演示實驗]實驗器材如圖7所示。把條形磁鐵的N極快速插入接有兩個二極管的螺線管中，發(fā)現(xiàn)二極管a發(fā)光;迅速拔出條形磁鐵的N極，看到二極管b發(fā)光。

把條形磁鐵的S極快速插入接有兩個二極管的螺線管中，發(fā)現(xiàn)二極管b發(fā)光;迅速拔出條形磁鐵的S極，看到二極管a發(fā)光。

這是為什么呢？

【學(xué)生活動】

[學(xué)生思考、討論]條形磁鐵迅速插入或拔出的過程中，不同的二極管分別發(fā)光，說明此過程中螺線管相當(dāng)于電源，且螺線管中的電流方向與條形磁鐵的極性及運動方向有關(guān)。

環(huán)節(jié)2：探究螺線管中產(chǎn)生的電流方向與條形磁鐵的極性及運動方向的關(guān)系。

【學(xué)生活動】

根據(jù)圖8所示的實物圖，借助兩個發(fā)光二極管，利用自制的螺線管和條形磁鐵探究條形磁鐵N極迅速插入、拔出線圈過程中感應(yīng)電流的方向，完成下列表格中的填空。

[N極 插入 拔出 原磁場方向 向下 向下 穿過回路磁通量的變化 增加 減少 感應(yīng)電流方向（俯視） 感應(yīng)電流磁場方向 ]

根據(jù)圖9所示的實物圖，借助兩個發(fā)光二極管，利用自制的螺線管和條形磁鐵探究條形磁鐵S極插入、拔出線圈過程中感應(yīng)電流的方向，完成下列表格中的填空。

[S極 插入 拔出 原磁場方向 向上 向上 穿過回路磁通量的變化 增加 減少 感應(yīng)電流方向（俯視） 感應(yīng)電流磁場方向 ]

環(huán)節(jié)3：對上述實驗得到的結(jié)論進(jìn)行綜合分析，完成下列表格。

【學(xué)生活動】

[學(xué)生思考、討論]

[磁極運動情形 N極插入 S極插入 N極拔出 S極拔出 磁通量的變化 增加 減少 原磁場的方向 向下 向上 向下 向上 感應(yīng)電流I感的方向（俯視） 逆時針 順時針 順時針 逆時針 感應(yīng)電流磁場方向 向上 向下 向下 向上 相互作用力 相斥 相吸 結(jié) 論 阻礙相對運動，阻礙原磁通量的變化。 ]

環(huán)節(jié)4：對上述表格中的結(jié)論進(jìn)行歸納。

【學(xué)生活動】

[學(xué)生總結(jié)]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)電流的原磁通量的變化——楞次定律。

【教師活動】

[引導(dǎo)思考]對楞次定律中的“阻礙”如何理解：

（1）誰起阻礙作用？（2）阻礙什么？（3）如何阻礙？（4）阻礙效果怎樣？

【學(xué)生活動】

[學(xué)生總結(jié)]（1）感應(yīng)電流的磁場起阻礙作用;（2）阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化;（3）阻礙方式為“增反減同”“來拒去留”;（4）阻礙不是相反，阻礙不是阻止，阻礙使磁通量的變化變慢。

楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的反映。

4.學(xué)以致用，解決問題

[例題1]請學(xué)生分析教材中的例題1（過程略）。

[例題2]試分析本課演示實驗中銅片經(jīng)過強(qiáng)磁鐵時受到阻礙作用的原因。

【學(xué)生活動】

[學(xué)生分析]可用“來拒去留”來解釋，當(dāng)銅片接近強(qiáng)磁鐵時，銅片中的磁通量增大，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與原磁場方向相反，安培力阻礙銅片接近;當(dāng)銅片離開強(qiáng)磁鐵時，銅片中的磁通量減少，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與原磁場方向相同，安培力阻礙銅片離開，故銅片經(jīng)過強(qiáng)磁鐵時會受到阻礙作用。

[例題3]如圖10所示，在通入恒定電流I的長直導(dǎo)線附近有一個矩形線圈ABCD，線圈與導(dǎo)線始終在同一個平面內(nèi)。線圈在導(dǎo)線的一側(cè)左、右平移時，其中產(chǎn)生了A→B→C→D→A方向的電流。請判斷：線圈在向哪個方向移動？

分析：通電長直導(dǎo)線在矩形線圈ABCD處的磁場方向垂直線圈平面向里，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向垂直于線圈平面向外，兩者方向相反，說明線圈移動時，磁通量在增加，因此，線框向左移。

【學(xué)生活動】

總結(jié)應(yīng)用楞次定律判定感應(yīng)電流方向的思路，如圖11所示。

思考：如圖12所示，閉合回路的一部分導(dǎo)體AB水平向右做切割磁感線運動時，怎樣判斷感應(yīng)電流的方向？

【學(xué)生活動】

根據(jù)楞次定律可判斷出導(dǎo)體AB中的電流方向為從A→B。

仔細(xì)觀察磁場方向、導(dǎo)體運動方向和感應(yīng)電流方向三者之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這三個方向兩兩相互垂直，由此可見，可用右手四手指所指的方向來記憶導(dǎo)線切割磁感線時產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向：伸開右手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感線從掌心進(jìn)入，拇指指向?qū)w運動的方向，四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向——右手定則。

[例題4]應(yīng)用右手定則分析教材中的例題2（過程略）。

5.本課小結(jié)，提煉升華

【學(xué)生活動】

楞次定律的本質(zhì)：能量轉(zhuǎn)化和守恒。

阻礙變化的形式：增反減同、來拒去留等。

完成教材“問題與練習(xí)”中的其他題目。

6.教學(xué)反思，日臻完美

課堂教學(xué)是培養(yǎng)和提升學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地。本節(jié)課教學(xué)設(shè)計的思路是：創(chuàng)設(shè)情境→激發(fā)興趣→發(fā)現(xiàn)問題→提出問題→實驗探究→總結(jié)規(guī)律→理解定律→應(yīng)用定律。通過演示實驗，探究實驗及分析、交流、討論和歸納，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，逐步理解、掌握楞次定律的內(nèi)容，同時培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的操作能力、合作交流能力和分析綜合能力，提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和發(fā)散思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生活動比較多，教師預(yù)設(shè)明顯多于課堂生成，導(dǎo)致學(xué)生的主體性被部分弱化。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理教學(xué)的靈魂，親歷物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵。離開了物理學(xué)科核心素養(yǎng)和探究過程，物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木，學(xué)生素養(yǎng)的培養(yǎng)也就成了鏡中花、水中月。

（責(zé)任編輯 易志毅）