揭現(xiàn)象尋本質(zhì) 教學(xué)路上不斷超越自我
——核心素養(yǎng)視域下“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)設(shè)計和思考

李春亞 岳 非

(河北辛集中學(xué) 河北 石家莊 052360)

法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁感應(yīng)的核心內(nèi)容，也是整個電磁學(xué)的核心知識，另外，法拉第電磁感應(yīng)定律在電工、電子技術(shù)及電磁測量方面也有著廣泛應(yīng)用，與生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，有著廣泛的現(xiàn)實意義．

筆者認(rèn)為既然是定律，就要讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，并且最終要有令人信服的實驗數(shù)據(jù)探究出這個“等式”，而本身電磁感應(yīng)部分的定量實驗很少，課本在介紹定律前也只是“更精確的實驗表明：”這樣籠統(tǒng)一說，就直接得出了該定律．如何精彩高效地完成這節(jié)課呢？筆者陷入了深深的思考中．

物理核心素養(yǎng)中，明確提出學(xué)生實驗探究時，要具備提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對實驗探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力[1]．

而問題驅(qū)動教學(xué)法即基于問題的教學(xué)方法(Problem-Based Learning)，是一種以學(xué)生為主體、以專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，以問題為核心規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案的一種學(xué)習(xí)方法．教師在此過程中的角色是問題的提出者、課程的設(shè)計者以及結(jié)果的評估．主要流程為：教師提出問題—分析問題—解決問題—結(jié)果評價[2]．

以下內(nèi)容為筆者利用問題驅(qū)動式教學(xué)，參加石家莊市青年教師素質(zhì)大賽優(yōu)質(zhì)課獲得一等獎的教學(xué)設(shè)計和相關(guān)問題的思考．

1 教學(xué)設(shè)計

1.1 引入新課

師:講課之前，我們先進(jìn)行一個小魔術(shù)，好不好？我這里有一盞魔法燈，只要我的手一揮，它就亮，信不信？好，仔細(xì)觀察!

教師輕輕地?fù)]手，小燈亮了起來，越揮越亮(圖1)．

圖1 引入實驗

師：想不想知道是什么原因？

生:想！

師:那我們就一同進(jìn)入“法拉第電磁感應(yīng)定律”的學(xué)習(xí)．

問題1：為什么小燈會亮？

問題2：為什么有時候非常亮，有時候不太亮？

師：接下來我們就一同來揭曉謎底．(展示盒內(nèi)的大線圈，以及綁在胳膊上的強(qiáng)力磁鐵，如圖2所示)

圖2 實驗用的線圈和磁鐵

學(xué)生紛紛猜測原因.

1.2 新課教學(xué)

解釋問題1：為什么小燈會亮？

亮→說明有電流→則回路中一定有電源→只要有電源，就一定有電動勢→在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢我們命名為“感應(yīng)電動勢”．

師:感應(yīng)電動勢產(chǎn)生條件是什么？

生:只要有磁通量的變化就可以．

投影:產(chǎn)生感應(yīng)電動勢是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)．

解釋問題2：為什么有時非常亮，有時不太亮？

生:亮的時候說明感應(yīng)電動勢大，不太亮的時候說明感應(yīng)電動勢小．

師:下面我們就一同來探究一下影響感應(yīng)電動勢大小的因素．讓學(xué)生分組討論進(jìn)行猜測．

生:可能與磁通量有關(guān)，有磁通量，就有感應(yīng)電動勢，磁通量越大，感應(yīng)電動勢越大．

師:大家利用手頭的器材來進(jìn)行探究，看是否是這樣．

(學(xué)生分組實驗，進(jìn)行探究)答：即使磁鐵放在線圈中很長時間，沒有感應(yīng)電流．放兩根，也沒有．說明感應(yīng)電動勢與磁通量無關(guān)．

師:還有沒有其他因素？

生:磁通量改變量ΔΦ，線圈匝數(shù)N，時間Δt.

師:下面我們就設(shè)計實驗進(jìn)行探究(表1)．

表1 探究內(nèi)容

學(xué)生分組實驗，幾分鐘后找學(xué)生回答結(jié)論.

共同規(guī)律：感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化快慢有關(guān)．

磁通量的變化快慢如何表示呢？(從數(shù)學(xué)角度定量表示)

生:不能．

1.3 實驗原理

保持光電門和線圈的相對位置不變,把擋光片(非常窄)和磁鐵固定在一起如圖3所示.

圖3 定量探究實驗

光電門采集擋光時間信號，電壓傳感器采集擋光時間內(nèi)的電壓信號．

擋光片的擋光時間和此間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過轉(zhuǎn)換器輸出顯示在電腦上．

圖4 實驗數(shù)據(jù)分析、擬合

課堂小結(jié)(教師評價學(xué)生活動后進(jìn)行)：本節(jié)先通過一個實驗探究，經(jīng)歷“提出問題—猜想”與“假設(shè)—制定計劃”和“設(shè)計實驗—進(jìn)行實驗”和“收集數(shù)據(jù)—分析與得出結(jié)論”等幾個科學(xué)探究過程，利用控制變量法，重點(diǎn)是通過控制感應(yīng)電動勢與磁通量變化快慢、條形磁鐵數(shù)目的關(guān)系入手，引導(dǎo)學(xué)生突破難點(diǎn)．通過討論與交流，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)課本提示，進(jìn)行理論探究，從而形成結(jié)論．并再次通過討論與交流，深化對感應(yīng)電動勢表達(dá)式的認(rèn)識．

2 有關(guān)教學(xué)設(shè)計的思考

2.1 引入實驗

如果引入實驗非常引人入勝，那么可以說這節(jié)課是成功了一半．開始時關(guān)于引入新課有這樣幾個方案.

(1)手搖式發(fā)電機(jī)

手搖式發(fā)電機(jī)(圖5)更適合在交流電部分做引入，而且缺乏新意．

圖5 手搖式發(fā)電機(jī)

(2)手持金屬探測器

雖然學(xué)生很感興趣，而且它的工作原理也確實是電磁感應(yīng)，但是，它重點(diǎn)在于渦流，容易使學(xué)生產(chǎn)生誤解，不采用．

(3)“魔法燈”——以小魔術(shù)的形式引入

魔法燈構(gòu)成：紙盒，上千匝的大線圈(為提高束縛磁感線的效果，里圈固定一圈鐵皮)，LED燈泡若干(大約1～2 V就可以亮)．(投影)

筆者的袖子內(nèi)藏有強(qiáng)力磁鐵：汝鐵硼．

由于是魔術(shù)的形式，而且學(xué)生一開始都認(rèn)為是不可能的，這樣就吸引了他們的眼球．手揮動過后燈確實亮了起來，而且手揮得越快，燈確實也更亮．學(xué)生的興趣一下子調(diào)動了起來， 這就使學(xué)生求知的氣氛變得很熱烈．教師趁熱打鐵，引入了對現(xiàn)象本質(zhì)的思考．

2.2 探究法拉第電磁感應(yīng)定律的定量實驗(非常關(guān)鍵)

其實，一開始的時候，筆者并不準(zhǔn)備用傳感器，因為，第一，學(xué)生對傳感器有隔膜感，第二，如果能用既簡便又直觀的探究方法，何樂而不為？

方案1：倍增法

這種方法來自于必修2“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗．

筆者認(rèn)為，Δt不變時，如果能實驗探究出E與ΔΦ是對應(yīng)倍增的關(guān)系，那么，該定律的探究就前進(jìn)了一大步．

用如6圖示的實驗裝置．(投影)怎樣使Δt不變呢？讓電磁鐵每次都從同一高度下落，則時間接近不變．

圖6 方案1實驗

怎樣使ΔΦ倍增呢？利用學(xué)生電源，依次改變電磁鐵的電流，1倍，2倍，3倍……同步觀察靈敏電流計的最大值．(投影)

雖然看起來最大值是倍增的關(guān)系，但是由于電流表的指針變化得太快，可能學(xué)生還沒看清，指針就擺回去了．還有，在實際操作中，很難在眾目睽睽之下，每次都能把電磁鐵準(zhǔn)確地落入螺線管中．

所以，盡管這種方法是源自教材的方法，學(xué)生較容易接受，但是考慮到讀數(shù)和操作問題，該方案只能放棄．

最終認(rèn)為數(shù)字實驗裝置是最合適的．因為傳感器的靈敏度很高，而且數(shù)字實驗室可以同步記錄數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析擬合．

方案2：

讓磁鐵做自由落體運(yùn)動，其上固定擋光片，光電門在螺線管外側(cè)固定．由于擋光片寬度確定，每次擋光時間內(nèi)磁通量的改變量相同，電壓傳感器對應(yīng)輸出擋光時間內(nèi)的感應(yīng)電動勢，改變釋放高度，從而改變時間，實驗裝置示意圖如圖7所示．可是遇到的問題是，要想讓磁鐵每次都準(zhǔn)確地砸到螺線管中并非易事，很多時候都砸偏了，還有玻璃管易碎，不方便搬運(yùn)，只能放棄這個方案．

圖7 方案2實驗

方案3:在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)

方案3的實驗裝置如圖8所示.

圖8 方案3實驗

(1)將磁鐵固定于小車上，小車上有窄窄的擋光片．(點(diǎn)擊)軌道上有窄窄的下凹輪軌，好像火車的車輪與火車道軌一樣，能較好的保證小車不滑出軌道．

(2)螺線管固定于軌道上，實際操作時也對螺線管和條形磁鐵進(jìn)一步改進(jìn)：螺線管換為大線圈，普通條形磁鐵換為強(qiáng)力磁鐵；目的是提高感應(yīng)電動勢的值，減小偶然誤差．

(3)抬高導(dǎo)軌另一端，讓小車下滑時獲得較大速度，以獲得較大感應(yīng)電動勢，減小偶然誤差．光電門固定于鐵架臺上，較好地解決了上一方案的問題．

本節(jié)對實驗的處理，重點(diǎn)在對實驗現(xiàn)象的分析，思考討論，找到實驗表象下隱藏的共同規(guī)律，從而使得學(xué)生深刻理解法拉第電磁感應(yīng)定律．還有，盡管在準(zhǔn)備課的過程中，筆者心理和體力都經(jīng)受了很大的煎熬，但是每當(dāng)自己獲得一些新的想法，獲得理想的數(shù)據(jù)，就會興奮不已，因為，為了準(zhǔn)備出一堂高質(zhì)量的課，心甘情愿！這也是教學(xué)藝術(shù)的魅力吧！

經(jīng)過本課的“洗禮”，筆者更要在教學(xué)中，揭現(xiàn)象尋本質(zhì)， 精益求精，不斷探索，不斷超越自我！