基于核心素養(yǎng)的“楞次定律”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與教學(xué)設(shè)計(jì)

代 偉 黎 蕊 張 奕 母志遠(yuǎn)

（西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002）

1 引言

高中物理實(shí)驗(yàn)主要包括“演示實(shí)驗(yàn)”、“學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)”、“課后活動(dòng)實(shí)驗(yàn)”幾種形式.在高中物理教學(xué)中教師可分別從這三種不同形式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以巧妙選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念；通過(guò)直觀展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、創(chuàng)設(shè)生動(dòng)實(shí)驗(yàn)情景、遞進(jìn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)；通過(guò)師生共同構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)；創(chuàng)新使用實(shí)驗(yàn)器材培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)等教學(xué)策略.在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中教師可以讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)物理基本觀念；遷移使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維；通過(guò)合理編排實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)；注重關(guān)注實(shí)驗(yàn)反思、善用分組實(shí)驗(yàn)方式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng).在課后活動(dòng)實(shí)驗(yàn)方面可以讓學(xué)生重視“課后實(shí)驗(yàn)”，善用實(shí)驗(yàn)鞏固核心知識(shí)；體驗(yàn)課后實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維；建立家庭物理實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造物理學(xué)習(xí)空間；注重物理與生活緊密聯(lián)系，滲透“STSE”理念等實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略進(jìn)而發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng).

2 基于核心素養(yǎng)的“楞次定律”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 “楞次定律”內(nèi)容分析

楞次定律選自人教版選修3- 2第4章電磁感應(yīng)第三節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)課是在學(xué)生認(rèn)識(shí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和探究了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件之后安排的.楞次定律的學(xué)習(xí)既是對(duì)前面所學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步深入探索，同時(shí)也與后面的法拉第電磁感應(yīng)定律緊密相連，本節(jié)內(nèi)容為學(xué)生后面的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

楞次定律是高中物理電磁學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)課堂觀察和與教師學(xué)生的交談得知，本節(jié)課對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大.楞次定律所牽扯的物理規(guī)律和物理知識(shí)較多，學(xué)生往往只能記住楞次定律的內(nèi)容但卻無(wú)法靈活的進(jìn)行應(yīng)用.究其原因是學(xué)生沒(méi)有親身體驗(yàn)楞次定律的產(chǎn)生過(guò)程.因此為了突破這個(gè)學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)，教學(xué)設(shè)計(jì)考慮通過(guò)學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的方式，借助創(chuàng)新自制教具探究楞次定律的產(chǎn)生過(guò)程.將物理規(guī)律復(fù)雜的變化過(guò)程轉(zhuǎn)化為直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的理解與應(yīng)用.

2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)“楞次定律”前的學(xué)情分析

從學(xué)生主體性角度來(lái)看，高二學(xué)生經(jīng)過(guò)一年的物理學(xué)習(xí)后已經(jīng)具備一定的實(shí)驗(yàn)觀察能力與實(shí)驗(yàn)操作能力，能分組完成有一定難度的探究實(shí)驗(yàn).從學(xué)生已學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)角度來(lái)看，學(xué)生在本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象并經(jīng)歷過(guò)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的探究過(guò)程.為本節(jié)課楞次定律的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)探究打下了一定的基礎(chǔ).物理核心素養(yǎng)要求學(xué)生具有一定的實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng).因此本節(jié)課的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)將通過(guò)帶領(lǐng)學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).本節(jié)課的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情景、質(zhì)疑設(shè)問(wèn)、確定主題；通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)、利用創(chuàng)新自制教具合作探究、理解楞次定律產(chǎn)生過(guò)程；交流信息、探討結(jié)論、得出楞次定律；借助自制教具拓展延伸、推廣應(yīng)用、落實(shí)效果.

2.3 課前引入演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

課前引入演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，演示實(shí)驗(yàn)裝置為一電磁炮，電磁炮由線圈，鐵芯，鋁環(huán)構(gòu)成.課前先播放電磁炮的視頻，然后用自制的教具進(jìn)行演示，當(dāng)接通電磁炮電源時(shí)學(xué)生會(huì)看到套在電磁炮鐵芯上的閉口鋁環(huán)會(huì)被高高彈起，而開(kāi)口鋁環(huán)則不能.通過(guò)課前視頻和自制教具演示激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考電磁炮的工作原理是什么？為什么只有閉口的鋁環(huán)才能被彈起？通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情景、質(zhì)疑設(shè)問(wèn)、確定主題讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)入新課學(xué)習(xí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、觀察能力和科學(xué)思維能力.

圖1 電磁炮

2.4 利用創(chuàng)新自制教具探究閉合線圈感應(yīng)電流方向

探究閉合線圈中感應(yīng)電流的方向的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示.

圖2 探究閉合線圈感應(yīng)電流方向教學(xué)設(shè)計(jì)思路

為了在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中幫助學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)物理基本觀念，分組探究的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)自制教具如圖3所示.教具包括用有機(jī)玻璃做成的平板小車(chē)，一個(gè)固定有磁鐵的支架，一個(gè)可以放置在小車(chē)上的閉合線圈，一個(gè)圓柱形強(qiáng)力磁鐵.教具使用方法是首先將固定有磁鐵的支架放在小車(chē)上，根據(jù)磁鐵的方向可以判斷當(dāng)圓柱形磁鐵靠近小車(chē)上的磁鐵支架時(shí)，依據(jù)磁極同名相斥，異名相吸的原理，小車(chē)會(huì)被圓柱形磁鐵推開(kāi)或吸攏.把閉合線圈放在小車(chē)上也會(huì)發(fā)生同樣的情況，這說(shuō)明磁鐵支架和閉合線圈所起的作用效果是相同的.為此可以判斷出線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，知道了線圈中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向后根據(jù)線圈的纏繞方向，依據(jù)右手螺旋定則就可以判斷出線圈中感應(yīng)電流的方向.借助此教具老師通過(guò)合理編排實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)，所以利用自制教具可讓學(xué)生進(jìn)行以下探究.

圖3 探究線圈中感應(yīng)電流方向自制教具

任務(wù)1：分別進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)，在表1中記錄線圈的受力情況.

表1 利用自制教具分組探究線圈的受力情況，等效磁鐵的磁極

任務(wù)2：根據(jù)線圈受力情況，將線圈的等效磁鐵的磁極標(biāo)在圖中相應(yīng)位置.

任務(wù)3：根據(jù)磁鐵磁極在磁感線上用箭頭標(biāo)出兩磁場(chǎng)的方向.

利用分組實(shí)驗(yàn)方式培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)，通過(guò)分組探究實(shí)驗(yàn)老師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出.

圖4

楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

2.5 利用創(chuàng)新自制教具“楞次定律演示儀”判斷閉合線圈中感應(yīng)電流的方向

多年來(lái)楞次定律實(shí)驗(yàn)一直使用靈敏電流計(jì)或檢流計(jì)來(lái)顯示感應(yīng)電流的方向，但由于電表結(jié)構(gòu)是密閉的，感應(yīng)電流的方向顯示不直觀.為此利用創(chuàng)新自制教具“楞次定律演示儀”判斷閉合線圈中感應(yīng)電流的方向.演示儀如圖5所示，教具由發(fā)光二極管和閉合線圈以及圓柱形強(qiáng)力磁鐵組成.發(fā)光二極管與電流的關(guān)系如圖6所示，通過(guò)觀察二極管的發(fā)光情況可判斷出線圈中感應(yīng)電流的方向（表2），通過(guò)創(chuàng)新教具提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).

表2 探究閉合線圈感應(yīng)電流方向規(guī)律實(shí)驗(yàn)記錄表

圖5 楞次定律演示儀

圖6 發(fā)光二極管與電流的關(guān)系圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)師生共同總結(jié)出利用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向的基本思路：

圖7

設(shè)計(jì)意圖：利用自制“楞次定律演示儀”來(lái)判斷線圈中感應(yīng)電流的方向?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象明顯、直觀，方便學(xué)生觀察，教具具有啟發(fā)性.實(shí)驗(yàn)記錄表只有“原磁場(chǎng)的方向”、“磁通量的變化”和“感應(yīng)電流的方向”三個(gè)物理量，這樣的探究過(guò)程比較符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過(guò)探究學(xué)生獲得了必要的感性認(rèn)識(shí)，也學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)能起到很好的示范作用.

3 學(xué)以致用，解釋跳樓機(jī)、電磁炮的工作原理

教師通過(guò)遷移使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.依據(jù)楞次定律自制的跳樓機(jī)如圖8所示，在有機(jī)玻璃管內(nèi)每相隔20 cm固定一個(gè)圓柱形磁鐵，管長(zhǎng)大約1 m.在線圈骨架上纏繞線圈構(gòu)成跳環(huán)，線圈與反向并聯(lián)的紅、黃二極管串聯(lián)構(gòu)成閉合回路.將跳環(huán)套在有機(jī)玻璃管上，跳環(huán)下落時(shí)學(xué)生會(huì)觀察到當(dāng)其下落到靠近和離開(kāi)磁鐵位置時(shí)跳環(huán)小落會(huì)受到阻礙，同時(shí)還觀察到跳環(huán)靠近磁鐵時(shí)紅燈亮，離開(kāi)時(shí)綠燈亮，讓學(xué)生課后思考跳樓機(jī)的工作原理，鞏固所學(xué)楞次定律的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生從生活走向物理，從物理走向社會(huì).

圖8 跳樓機(jī)

課后反思課前演示的電磁炮中用到的物理知識(shí)，圖9為課前演示實(shí)驗(yàn)電磁炮的原理示意圖.通過(guò)楞次定律可知當(dāng)電磁炮電源接通瞬間原線圈中的磁通量突然增大，套在電磁炮鐵芯上的閉合鋁環(huán)在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相互排斥，閉合鋁環(huán)在排斥力的作用下就被高高彈起.開(kāi)口鋁環(huán)由于電流形不成通路也就形不成感應(yīng)磁場(chǎng)，所以不能產(chǎn)生排斥力.通過(guò)課后反思鞏固所學(xué)，加深理解，深刻領(lǐng)會(huì)物理知識(shí)的重要，提高學(xué)生物理核心素養(yǎng).

圖9 電磁炮

4 結(jié)束語(yǔ)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，學(xué)習(xí)方法上以實(shí)驗(yàn)探究為主.實(shí)驗(yàn)探究不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理知識(shí)的，也是學(xué)生物理學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容.本文通過(guò)創(chuàng)新的自制教具對(duì)楞次定律教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新，教學(xué)設(shè)計(jì)著眼于對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)在中學(xué)物理教學(xué)中教師可以通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)器材，營(yíng)造“鮮活、靈動(dòng)、激趣、勵(lì)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).