注重核心素養(yǎng)提升的高中物理規(guī)律教學(xué)研究

梁春戈 唐昌琳

［摘 要］由于物理學(xué)研究的是“物質(zhì)最基本、最常見的運(yùn)動形式和規(guī)律”，因此具有高度抽象性和概括性。物理規(guī)律，是透過物理現(xiàn)象挖掘其物理本質(zhì)的一種描述。文章以“楞次定律”的教學(xué)為例，通過“創(chuàng)設(shè)情境、科學(xué)探究、理解規(guī)律和學(xué)以致用”四個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，挖掘?qū)W生形成物理規(guī)律的思維過程，以期對物理規(guī)律教學(xué)提供參考。

［關(guān)鍵詞］核心素養(yǎng)；高中物理；規(guī)律教學(xué)；楞次定律

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）05-0042-04

“物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)?！边@是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對物理觀念的描述。物理規(guī)律的認(rèn)知過程，其實(shí)就是從貌似雜亂無章的物理現(xiàn)象出發(fā)，逐步探究概括出基本概念、基本規(guī)律的一個(gè)有序進(jìn)階的過程。充當(dāng)主導(dǎo)者角色的教師要幫助學(xué)生建立正確而清晰的認(rèn)知體系，透徹理解物理規(guī)律本質(zhì)。物理規(guī)律的教學(xué)通常是由提出問題、探索規(guī)律、討論規(guī)律和運(yùn)用規(guī)律四個(gè)階段組成。現(xiàn)以“楞次定律”的教學(xué)為例，通過創(chuàng)設(shè)科學(xué)的情境和有效的提問，為學(xué)生巧妙搭建思維橋梁，促進(jìn)學(xué)生較好地理解物理規(guī)律，且能夠運(yùn)用已學(xué)過的抽象規(guī)律解決新情景中的問題，提高學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、“楞次定律”教學(xué)難點(diǎn)分析

“楞次定律”是高中物理教學(xué)中典型、抽象的規(guī)律新知課課題，也一直是各省市賽課經(jīng)典課題。從學(xué)生的認(rèn)知角度來看，可能會遇到以下困難。

一是涉及多個(gè)物理量，比如原磁場方向、磁通量變化、靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向的關(guān)系、感應(yīng)電流方向、線圈繞向和其他許多干擾因素的影響，容易使學(xué)生產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幻鞔_和思維鏈太長等困惑，從而導(dǎo)致學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)很難找出隱蔽在變量間的復(fù)雜關(guān)系，所以不易確定感應(yīng)電流方向與磁通量變化之間的關(guān)系。

二是不僅規(guī)律抽象、隱蔽，規(guī)律內(nèi)容在文字?jǐn)⑹龇矫孢€具有高度抽象性和概括性。教學(xué)實(shí)踐中，部分年輕教師有時(shí)為了所謂的“高效”，沒有重視楞次定律的形成和理解分析，單純地將楞次定律的教學(xué)變成“增反減同、來拒去留”的口訣式結(jié)論教學(xué)，造成學(xué)生死記硬背、生搬硬套，非常遺憾地錯失了以規(guī)律教學(xué)促進(jìn)學(xué)生思維能力發(fā)展的絕佳機(jī)會。

二、創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生求知欲

教學(xué)活動1：引導(dǎo)學(xué)生利用教具（一個(gè)強(qiáng)磁鐵、一塊鐵塊和一根厚銅管）（見圖1）來做“磁鐵在銅管中下落”實(shí)驗(yàn)。磁鐵在銅管內(nèi)以很慢的速度下落，神奇的現(xiàn)象讓學(xué)生過目不忘。教師追問：磁鐵穿過銅管的速度為何減慢了？怎樣解釋這一現(xiàn)象？為了誘發(fā)學(xué)生思考，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將銅管看成是無數(shù)匝線圈，并讓學(xué)生參與討論（見圖2），從而自然過渡到本節(jié)課要講授的課題。

評析：教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)情境，將學(xué)生的注意力吸引到課堂上來。創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境能讓學(xué)生在運(yùn)用已有知識經(jīng)驗(yàn)解決問題的過程中產(chǎn)生認(rèn)知矛盾或認(rèn)知沖突，讓學(xué)生產(chǎn)生探明其究竟的欲望，達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與促進(jìn)學(xué)生主動思考的目的。

三、新課教學(xué)，學(xué)生自主探究

教學(xué)活動2：自制器材，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題。

教師展示含有發(fā)光二極管的自制實(shí)驗(yàn)電路板（電路圖見圖2），手持強(qiáng)磁鐵快速插入，稍作停留迅速拔出。同時(shí)設(shè)置如下問題鏈：（1）磁鐵插入和拔出過程中分別觀察到哪個(gè)顏色的二極管發(fā)光？（2）能否分別指出紅色發(fā)光二極管和黃色發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)對應(yīng)的電流方向呢？理論依據(jù)是什么？

評析：傳統(tǒng)教學(xué)中，教師習(xí)慣按照教材提供的方案處理楞次定律實(shí)驗(yàn)，這就要求教師在課前做好以下實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：①查明電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向與電流方向的關(guān)系（用廢舊電池做瞬間試觸操作，見圖3）；②弄清螺線管導(dǎo)線的繞向；③按圖連接線路。這樣操作的弊端有：第一，容易分散學(xué)生的注意力，沖散探究目標(biāo)；第二，電表結(jié)構(gòu)封閉，感應(yīng)電流方向的可視度不高，且存在偏轉(zhuǎn)的慣性，指針有反偏現(xiàn)象，造成方向判斷失誤。基于此，筆者綜合教材內(nèi)容和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，借助二極管單向?qū)ǖ奶匦?，將電流?jì)換成并聯(lián)反接發(fā)光二極管，哪個(gè)二極管發(fā)光，則說明感應(yīng)電流方向符合對應(yīng)二極管導(dǎo)流方向，這樣可以減少探究電流方向與電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系這個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生有更多的時(shí)間用于交流討論探究主題；也可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，減少對學(xué)生思維的干擾。

教學(xué)活動3：分組實(shí)驗(yàn)，合作探究。

這一環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生有序分組展開實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生思考，猜想感應(yīng)電流的方向可能與哪些因素有關(guān)。小組分工合作時(shí)，不同的磁極朝向和磁極運(yùn)動方向組合可能出現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生兩人一組做“磁鐵N極下插、N極上拔、S極下插、S極上拔”實(shí)驗(yàn)，并在表1中做好記錄。指導(dǎo)學(xué)生帶著問題討論：（1）能否根據(jù)表1中第3、第4行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出感應(yīng)電流I的方向跟線圈磁通量[Φ]的變化有什么關(guān)系？（從以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，因?yàn)橛绊懜袘?yīng)電流的因素較多且隱蔽，所以學(xué)生很難概括兩者關(guān)系，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過一個(gè)中介——“感應(yīng)電流的磁場”尋找兩者關(guān)系）（2）電流周圍存在磁場，磁體周圍對應(yīng)有一個(gè)磁場，產(chǎn)生的感應(yīng)電流也會對應(yīng)激發(fā)一個(gè)磁場，這兩者之間會不會有聯(lián)系呢？學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究期間，教師巡視并密切注意學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究過程，并給予學(xué)生充分的幫助和指導(dǎo)，讓學(xué)生有足夠的溝通與表達(dá)時(shí)間，讓學(xué)生通過思維碰撞，迸發(fā)智慧火花。

評析：從以往的教學(xué)實(shí)踐來看，當(dāng)學(xué)生從“感應(yīng)電流的方向與原磁場的方向”找不出規(guī)律時(shí)，通常是不會聯(lián)想到用感應(yīng)電流的磁場方向作為“中介”尋找規(guī)律的。人民教育出版社出版的教學(xué)參考提議引入“感應(yīng)電流磁場的方向”這一“中介”，所以預(yù)先設(shè)計(jì)好的學(xué)案表格中第4行留白不填寫任何物理量。

四、歸納結(jié)論，理解規(guī)律

教學(xué)活動4：結(jié)合實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，分組就磁通量變化與感應(yīng)電流激發(fā)的磁場的方向之間的邏輯關(guān)系展開討論，教師適時(shí)提出以下問題串：感應(yīng)電流的磁場方向是否總是與原磁場方向相反或者相同？什么時(shí)候相反？什么時(shí)候相同？你認(rèn)為感應(yīng)電流的磁場對原磁場磁通量變化有何影響？嘗試用簡潔的語言提煉本組的結(jié)論。教師在此過程中要充分肯定其結(jié)論，針對存在的問題加以改正。

評析：這是學(xué)生探究過程中最關(guān)鍵的一環(huán)，有電即有磁，感應(yīng)電流產(chǎn)生時(shí)，周圍空間激發(fā)的磁場有兩個(gè)，一個(gè)是磁體激發(fā)的磁場（因），另一個(gè)是感應(yīng)電流激發(fā)的磁場（果），這兩個(gè)磁場的方向在該探究實(shí)驗(yàn)中時(shí)而相反，時(shí)而相同，學(xué)生易知感應(yīng)電流的方向與其磁場方向可以通過右手螺旋定則確定，所以只要界定兩個(gè)磁場何種情況下相同，何種情況下相反，就可以判斷感應(yīng)電流的方向。為了幫助學(xué)生水到渠成地得出結(jié)論，設(shè)置了三個(gè)層層深入的問題。筆者認(rèn)為，思維是通過問題啟動的，教師提出的問題應(yīng)具有邏輯性和層次性，教學(xué)中教師要善于設(shè)置有效的問題串，以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題。問題與問題之間巧妙銜接，層層推進(jìn)，最終得出楞次定律的主要內(nèi)容。

教學(xué)活動5：楞次定律的理解及拓展。

［楞次定律的內(nèi)容］

感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。教師可以總結(jié)板書（如圖4）。

［楞次定律的理解］

楞次定律的表述簡明扼要、高度概括。為進(jìn)一步加深學(xué)生對“阻礙”一詞的理解，建議教師設(shè)置如下問題串：（1）誰在阻礙？（感應(yīng)電流的磁場）（2）阻礙什么？（原磁通量的變化）（3）如何阻礙？（當(dāng)磁通量增加時(shí)，“反抗”磁通量增加；當(dāng)磁通量減少時(shí)，“補(bǔ)償”磁通量減少，即可簡要概括為：增反減同）（4）阻礙的結(jié)果如何？（“阻礙”不是“阻止”?！白璧K”不能改變原磁通量的變化趨勢，僅對磁通量的變化趨勢起到延緩作用）

評析：楞次定律的內(nèi)容不過幾十個(gè)字，但具有高度的抽象性和概括性，要想深入理解楞次定律，學(xué)生應(yīng)該弄清以下問題：（1）誰在阻礙？ （2）阻礙什么？ （3）怎樣阻礙？（4）能否阻止？借助上面精心設(shè)置的問題串可以使學(xué)生明確知道它們的關(guān)系。

［更換視角，拓展延伸］

學(xué)生活動：如圖5所示是一個(gè)支架鋁環(huán)，[A]、[B]都是很輕的鋁環(huán)，[A]是閉合的，[B]是斷開的，當(dāng)用磁體任意一極快速靠近鋁環(huán)時(shí)，會看到什么現(xiàn)象？再把磁極從鋁環(huán)中迅速抽出，又會看到什么現(xiàn)象？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析：根據(jù)楞次定律，當(dāng)磁極靠近鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)的磁通量增大，產(chǎn)生感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反，則鋁環(huán)與磁極間表現(xiàn)為斥力，鋁環(huán)遠(yuǎn)離磁極；當(dāng)磁極遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)的磁通量減小，產(chǎn)生感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，則鋁環(huán)與磁極間表現(xiàn)為引力，鋁環(huán)跟隨磁極。

教師總結(jié)：從導(dǎo)體和磁體間相對運(yùn)動的角度來看，總是阻礙導(dǎo)體和感應(yīng)電流磁體間的相對運(yùn)動（如圖6）。（來拒去留）

［楞次定律符合能量守恒定律］

從楞次定律可知，感應(yīng)電流總是阻礙磁鐵相對螺線管的運(yùn)動。因此，教師利用圖7物理現(xiàn)象進(jìn)一步趁熱打鐵，引導(dǎo)學(xué)生思考把握：當(dāng)把磁鐵移進(jìn)螺線管時(shí)，外力要克服磁鐵和螺線管間的斥力做功，消耗機(jī)械能，產(chǎn)生的電能是從機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的；當(dāng)讓磁鐵離開螺線管時(shí)，外力要克服磁鐵和螺線管間的引力做功，消耗機(jī)械能，產(chǎn)生的電能是從機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的。

五、學(xué)以致用

［例1］（2018年高考全國Ⅰ卷）如圖8，兩個(gè)線圈繞在同一根鐵芯上，其中一線圈通過開關(guān)與電源連接，另一線圈與遠(yuǎn)處沿南北方向水平放置在紙面內(nèi)的直導(dǎo)線連接成回路。將一小磁針懸掛在直導(dǎo)線正上方，開關(guān)未閉合時(shí)小磁針處于靜止?fàn)顟B(tài)。下列說法正確的是（）。

A.開關(guān)閉合后的瞬間，小磁針的N極朝垂直紙面向里的方向轉(zhuǎn)動

B.開關(guān)閉合并保持一段時(shí)間后，小磁針的N極指向垂直紙面向里的方向

C.開關(guān)閉合并保持一段時(shí)間后，小磁針的N極指向垂直紙面向外的方向

D.開關(guān)閉合并保持一段時(shí)間再斷開后的瞬間，小磁針的N極朝垂直紙面向外的方向轉(zhuǎn)動

評析：通過例題講解，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下歸納應(yīng)用楞次定律解題的思路：①明確原磁場方向；②明確穿過閉合回路磁通量是增加還是減少；③根據(jù)楞次定律確定感應(yīng)電流的磁場方向。

［例2］如圖9所示，導(dǎo)體棒ab向右運(yùn)動，導(dǎo)體棒ab中的感應(yīng)電流是沿哪個(gè)方向的？

教師提問：（1）我們研究的是哪個(gè)閉合電路？（abcd回路）（2）當(dāng)導(dǎo)體棒ab向右運(yùn)動時(shí)，穿過閉合電路的磁通量是增大還是減少?。ㄔ黾樱?）感應(yīng)電流的磁場方向如何？（垂直紙面向外）（4）導(dǎo)體棒ab中的感應(yīng)電流是沿哪個(gè)方向的？（由b到a）

接下來，教師介紹判斷感應(yīng)電流的另一種方法——右手定則：伸開右手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動的方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。

教師強(qiáng)調(diào)右手定則的適用范圍：閉合電路一部分導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況。引導(dǎo)學(xué)生注意楞次定律與右手定則的區(qū)別與聯(lián)系：（1）研究對象：前者為這個(gè)閉合電路；后者為切割磁感線的導(dǎo)體；（2）聯(lián)系：右手定則是楞次定律的特例。

物理規(guī)律的教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，本節(jié)課以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為主線，按照“實(shí)驗(yàn)激發(fā)興趣—小組合作探究—師生互動推演—概括生成規(guī)律—規(guī)律應(yīng)用延伸”的思路進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)需要教師認(rèn)真學(xué)習(xí)課程標(biāo)準(zhǔn)和研究吃透教材，明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程。整個(gè)教學(xué)過程以實(shí)驗(yàn)為載體、以問題為中心，推動學(xué)生思維螺旋式上升，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)提升。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［S］.北京：人民教育出版社，2017.

［2］? 閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2019.

（責(zé)任編輯 易志毅）