以實驗為基 落實核心素養(yǎng)

摘 要：物理實驗作為教學的根本，既是教學內(nèi)容，更是方式方法。文中首先指出教材對電磁感應現(xiàn)象及其應用一節(jié)內(nèi)容編導中的一些問題。然后通過精心設(shè)計跳繩發(fā)電小游戲、學生動手探究感應電流產(chǎn)生條件、教師演示感生電流以及電磁爐點亮燈泡等一系列實驗，意在培養(yǎng)學生的物理觀念、模型建構(gòu)、科學探究、科學推理及論證等能力，為一線教師“落實素養(yǎng)教學”帶來些啟示與參考。

關(guān)鍵詞：電磁感應；課堂設(shè)計；教學反思；核心素養(yǎng)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學。我們從實驗過程中可以提煉出12個核心要素，分別為“目的、問題、表述、假設(shè)、推導、預測、證據(jù)、分析、解釋、差異、反思、改進”。其中“問題、目的、表述”要素對應核心素養(yǎng)中的模型建構(gòu)要素；“假設(shè)、推導、預測”對應科學推理要素；“證據(jù)、分析、解釋”對應科學論證要素；“差異、反思、改進”對應質(zhì)疑創(chuàng)新要素[1]。因此，在新課教學中，我們可以借助物理實驗，分別從情境創(chuàng)設(shè)、原理分析、數(shù)據(jù)處理及誤差分析階段去培養(yǎng)學生對應的學科素養(yǎng)，以便使學生能像科學家那樣去思考，達到學科的育人價值。本文將以“電磁感應現(xiàn)象及其應用”一節(jié)教學為例，以實驗為基，落實素養(yǎng)教學。

一、問題分析

2019教科版教材在編寫本節(jié)內(nèi)容時有些欠佳，分析如下。

第一，引言部分：“生活中的電從哪里來？發(fā)電機是怎樣工作的？”這種方式較為平鋪直敘，很難激發(fā)學生的興趣。

第二，新課教學環(huán)節(jié)上：從法拉第論文中發(fā)現(xiàn)的五種磁生電現(xiàn)象命名為電磁感應，隨后進行感應電流產(chǎn)生條件的探究。而教材對法拉第發(fā)現(xiàn)的這五種磁生電現(xiàn)象僅僅進行了列舉，并沒有進行歸納，不能很好地讓學生過渡到感應電流產(chǎn)生的條件與磁通量變化相關(guān)上來。其次在實驗安排上，實驗一為探究導體棒順著和垂直于磁感線運動，是否會產(chǎn)生感應電流，運動的導體棒可以產(chǎn)生感應電流，即動生電動勢。實驗二借助原副線圈中磁通量的變化可以產(chǎn)生感應電流，即感生電動勢。通過這兩實驗進行歸納引導學生發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生感應電流的必要條件是穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，從而得出結(jié)論。初看問題不大，但細細深究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計邏輯嚴密性不夠強，實際教學過程中很難讓學生得出準確的結(jié)論。

第三，教材在介紹電磁感應規(guī)律的應用時，進行如下描述：電磁感應還被廣泛地應用于各種電路控制器件、傳感器、電子技術(shù)和信息技術(shù)之中。這些名詞對高中學生來說較為模糊、抽象，缺少感性認識，不易形成緊密的聯(lián)系。

二、創(chuàng)新教學設(shè)計

針對以上問題，我們首先從分析教材、學情以及本節(jié)的教學目標、教學重難點入手，創(chuàng)新教學設(shè)計，具體如下。

（一）教材及學情分析

學生在初中階段已經(jīng)學習了磁體、磁極、磁極間的相互作用等磁現(xiàn)象，與磁相關(guān)的概念已有一定的了解。升入高中后，學生不僅在教材必修三前兩章學習了電場、電路等基本知識，而且在第三章一二節(jié)也對磁場、磁感線、磁感應強度及磁通量等基礎(chǔ)知識有了一定的了解，因此本節(jié)讓學生探究并發(fā)現(xiàn)電與磁間的相互關(guān)系，符合學生認知發(fā)展[2]。

（二）教學目標

①了解法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的過程，學習其勇于探索的科學精神；

②模仿法拉第實驗，歸納得出感應電流條件；

③了解發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的重大意義及生活中的應用；

④拓展：探究影響感應電流大小的因素。

（三）教學重難點

如何設(shè)計、模仿法拉第電磁感應實驗，并通過觀察、分析，歸納出產(chǎn)生感應電流的條件。

（四）設(shè)計思路

本堂課的思維框架如1圖所示，教學設(shè)計過程中注重由“現(xiàn)象-結(jié)論”的邏輯思維推演，注重在教學過程中顯化物理學科核心素養(yǎng)[3]。首先由跳繩小游戲?qū)氡竟?jié)課的主題——電磁感應現(xiàn)象，激發(fā)學生的探究熱情，構(gòu)建物理觀念。其次分析法拉第總結(jié)的電磁感應五類現(xiàn)象，引導學生推理分析產(chǎn)生感應電流的可能條件：磁場或面積的變化。然后利用控制變量法設(shè)計實驗進行驗證并得出結(jié)論？=BS。

為強化并論證產(chǎn)生感應電流的本質(zhì)是回路中磁通量的變化引起的，教師增設(shè)感生電流的演示實驗1，從中培養(yǎng)學生的科學思維及探究素養(yǎng)。為進一步鞏固物理觀念，呼應導入部分的跳繩情景小游戲，設(shè)置了2道課堂習題，以便課程結(jié)構(gòu)趨于完整。最后，在學生實驗1中，我們發(fā)現(xiàn)磁鐵插入快慢對靈敏電流計指針偏角有影響，激發(fā)學生的探究熱情；增設(shè)演示實驗2，探究感應電流的大小與磁通量的變化率是否相關(guān)。在介紹電磁感應原理的應用時，設(shè)置演示實驗3（電磁爐點亮小燈泡實驗），一方面吸引學生眼球，使本堂課氛圍達到高潮，另一方面讓學生觀察不同匝數(shù)連接的小燈泡明暗程度不同，引導學生歸納出影響感應電流的另一個因素—匝數(shù)。綜上，學生經(jīng)歷了情境實驗的探究過程，不僅加深了對物理觀念的理解，而且能很好地培養(yǎng)其科學思維及論證能力，落實核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（五）教學過程

（1）課堂引入：跳繩發(fā)電

教師活動：大家知道，跳繩可以強身健體，還可以發(fā)電呢。老師展示實驗器材：數(shù)字多用表一個，并將其調(diào)至電流微安檔；家用導線若干米長，且兩端已經(jīng)連接好多用電表的紅黑表筆；將多用電表至投影儀下方。并請兩位學生上臺進行跳繩展示，如圖2所示。

實驗創(chuàng)新：用傳統(tǒng)的靈敏電流計和導線串聯(lián)切割地磁場進行實驗，現(xiàn)象不明顯，因而改用數(shù)字多用表。

學生活動：當搖繩轉(zhuǎn)圈時，觀察靈敏電流計的示數(shù)；當搖繩頻率更高時，示數(shù)峰值的變化。

教師提問：在剛才的實驗中，回路中沒有電源，電流從哪里來？

學生討論：說出電流是感應而來，即磁生電現(xiàn)象。

教師提問：那如果是磁生電現(xiàn)象，那磁場的來源是誰？

學生討論：說出磁場的來源為地磁場。

教師活動：我們把這種由磁生電的現(xiàn)象叫電磁感應，產(chǎn)生的電流叫感應電流。歷史上是哪位科學家發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象？他與奧斯特所做的貢獻有哪些異同？

學生討論：得出奧斯特發(fā)現(xiàn)了電生磁現(xiàn)象，而法拉第發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象，開啟了電氣時代。

教師活動：肯定學生的回答并簡要介紹法拉第的生平。

設(shè)計意圖：從生活中熟悉的跳繩情境導入，讓學生體會物理知識來源于生活，且與生活息息相關(guān)。通過搖繩活動，構(gòu)建出該情境下的磁生電模型，并通過科學推理得出磁場的來源為地磁場，從中滲透科學思維素養(yǎng)。觀察電磁感應現(xiàn)象并詮釋其定義屬于物理觀念內(nèi)容。最后介紹一段與科學家相關(guān)的物理學史，塑造不懈探索的科學精神品質(zhì)，屬于培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任維度。

（2）新課教學：感應電流產(chǎn)生條件

教師活動：引導學生閱讀教材上關(guān)于法拉第提出的“磁生電”五類現(xiàn)象資料。讓學生小組討論，并進行總結(jié)歸納，猜想感應電流的產(chǎn)生與哪些因素有關(guān)。

師生歸納：運動中的磁鐵、變化中的磁場都是直接引起磁場變化，而變化中的電流及運動中的恒定電流可由奧斯特的電生磁現(xiàn)象進行解釋，為間接引起磁場的變化。因此可將這四種“磁生電”現(xiàn)象歸為一類，即磁場的變化引起感應電流；而運動中的導線可以構(gòu)建如圖3的模型，當導線運動時，與導軌圍成的面積發(fā)生變化，即這一現(xiàn)象可以歸為另一類，即回路的面積變化引起感應電流。因此，產(chǎn)生感應電流的可能條件可以用圖4中的內(nèi)容來表示。

設(shè)計意圖：讓學生閱讀法拉第電磁感應現(xiàn)象相關(guān)的資料，并總結(jié)歸納出產(chǎn)生感應電流的可能條件，意在培養(yǎng)學生的篩選、分析、加工、整合等科學推理能力。

教師活動：現(xiàn)有以下器材：條形磁鐵、螺線管、靈敏電流計、2條導線。請同學們以小組為單位設(shè)計實驗探究感應電流的產(chǎn)生與磁場強度及面積變化的關(guān)系。實驗中應采用的科學研究方法是什么？

學生活動：確定該實驗采用控制變量法之后，討論并提出2個實驗方案。方案一：保持面積不變，探究感應電流的產(chǎn)生與磁場強度的變化是否有關(guān)。即首先將螺線管及靈敏電流計，用導線連接組成閉合回路，保持螺線管不動，讓條形磁鐵南或北極靠近螺線管，觀察靈敏電流計指針是否偏轉(zhuǎn)。方案二：磁場不變，探究感應電流的產(chǎn)生與正對面積的變化是否相關(guān)。即讓條形磁鐵不動，水平方向快速移動線圈，觀察靈敏電流計指針是否偏轉(zhuǎn)。

教師活動：對學生的實驗設(shè)計進行肯定并適當補充，讓學生分小組進行實驗，并完成表1、表2中的內(nèi)容。同時在學生實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題，給予必要的指導。

設(shè)計意圖：設(shè)置學生實驗，讓學生經(jīng)歷探究實驗的過程，意在培養(yǎng)學生的實驗模型建構(gòu)、科學推理、科學論證及科學探究等素養(yǎng)。

教師活動：展示某位學生的導學案，并引導學生總結(jié)出感應電流的產(chǎn)生與變化的磁場及面積均有關(guān)。

教師提問：這兩個物理量跟我們學過的哪個物理量相關(guān)呢？能否將感應電流的產(chǎn)生簡化為與該物理量的變化有關(guān)？

學生活動：小組討論并提出感應電流的產(chǎn)生與磁通量的變化相關(guān)。

師生歸納：當螺線管不動時，條形磁鐵靠近線圈，磁場變強，即穿過閉合回路的磁通量變大，遠離時磁通量變小，均可產(chǎn)生感應電流；當磁鐵不動，從磁鐵正下方向左移動線圈，穿過閉合回路的磁通量變小，向右移動時增大，也均可產(chǎn)生感應電流。則可將感應電流產(chǎn)生的條件簡化為與閉合回路的磁通量變化相關(guān)，即當穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化時，閉合導體回路中就產(chǎn)生感應電流。

設(shè)計意圖：將磁場的變化或者面積的變化簡化為磁通量的變化，屬于等效的思想。旨在降低思維的維度，重視學生科學思維品質(zhì)的培養(yǎng)。

（3）課堂升華：解釋感生電流

教師提問：生活中除了條形磁鐵可以產(chǎn)生磁場，還有哪些可以作為磁場的來源？

學生活動：提出通電螺線管可以等效為條形磁鐵產(chǎn)生磁場。

教師活動：將上述實驗中的條形磁鐵改為通電螺線管，插入大螺線管中，連接成如圖5所示的電路，進行表3中的實驗操作，靈敏電流計指針是否會發(fā)生偏轉(zhuǎn)？請學生先猜想后觀察實驗現(xiàn)象。

教師提問：實驗中，我們發(fā)現(xiàn)閉合及斷開開關(guān)瞬間、迅速移動滑動變阻器位置時，靈敏電流計指針都有偏轉(zhuǎn)，即回路中產(chǎn)生了感應電流。請同學們思考，大小螺線管之間并沒有發(fā)生相對運動，左邊回路中為什么產(chǎn)生了感應電流，請同學們嘗試從回路磁通量變化產(chǎn)生感應電流的角度，并以“開關(guān)閉合瞬間”操作為例進行分析。

學生活動：嘗試構(gòu)建出如圖6的分析流程。

設(shè)計意圖：將通電螺線管等效為條形磁鐵，注重培養(yǎng)學生的思維應用能力。關(guān)于大小螺線管之間并沒有發(fā)生相對運動而可以產(chǎn)生感應電流的現(xiàn)象，學生從磁通量變化的角度進行解釋，立意更高，真正理解到感應電流產(chǎn)生的條件。這有利于培養(yǎng)學生的物理觀念、模型建構(gòu)、科學推理及論證能力，也為后面進行感生電動勢教學打下基礎(chǔ)。

（4）課堂練習：強化物理觀念

練習1：下列四幅圖所描述的情境，能夠產(chǎn)生感應電流的是（ ）

A.甲圖中，線圈與條形磁鐵中心軸線在同一平面內(nèi)且遠離磁鐵

B.乙圖中，線圈在勻強磁場中垂直于磁場方向運動

C.丙圖中，條形磁鐵快速穿過有缺口的線圈

D.丁圖中，線圈在通電直導線下方以虛線為軸轉(zhuǎn)動

練習2：在剛才的“搖繩發(fā)電”游戲中，

①若增大搖繩的頻率，則電流傳感器的最大示數(shù)將（選填“增大”、“減小”、“不變”）；

②為了獲得較大電流，兩同學應該站立搖繩。（選填“東西”、“南北”）

設(shè)計意圖：練習一加深對感應電流產(chǎn)生條件的認識，強化物理觀念，并學以致用解決問題；練習二“跳繩”小游戲與課堂開頭相呼應，引導學生用所學知識解釋生活現(xiàn)象，培養(yǎng)其在生活情境中的建模、推理及創(chuàng)新等科學思維能力。

（5）課堂拓展：感應電流的大小

教師提問：在探究感應電流產(chǎn)生條件的實驗中，我們發(fā)現(xiàn)某些同學磁鐵插入的快、某些同學插入的慢，觀察到電流計指針的偏角也不一樣。那請問，感應電流的大小與磁鐵插入的快慢是否相關(guān)呢？

教師活動：當學生回答相關(guān)問題并猜想插入快的產(chǎn)生的感應電流大時，引導學生總結(jié)出感應電流的大小與磁通量的變化率成正相關(guān)。

教師提問：生活中哪些地方利用了電磁感應？

學生活動：小組討論并分享，如法拉第圓盤發(fā)電機、電磁爐、變壓器、手機的無線充電等。

教師演示：展示電磁爐，并利用電磁爐分別點亮匝數(shù)為1匝、2匝的小燈泡，如圖8所示。讓學生觀察現(xiàn)象并結(jié)合感應電流產(chǎn)生的條件解釋小燈泡為什么會發(fā)光，同時提問，感應電流的大小與匝數(shù)是否有關(guān)？

學生回答：電磁爐接上家庭交流電流，電磁爐所在線圈中產(chǎn)生變化的磁場，引起小燈泡所在回路的磁通量變化，使小燈泡所在回路產(chǎn)生感應電流而發(fā)光。感應電流的大小還與匝數(shù)n有關(guān)，匝數(shù)越多，小燈泡越亮，說明感應電流越大。

設(shè)計意圖：從磁鐵插入快慢處著手，設(shè)計實驗探究感應電流的大小的影響因素，意在拓展學生的思維，探究物理現(xiàn)象的本質(zhì)，培養(yǎng)學生質(zhì)疑、創(chuàng)新等思維能力。

（6）課堂小結(jié)：明晰知識結(jié)構(gòu)

本堂課主要圍繞感應電流產(chǎn)生的條件、感應電流的大小及電磁感應現(xiàn)象的應用展開，如圖9。

（六）教學反思

（1）尊重差異

教學過程中在處理練習1的丁圖時，旋轉(zhuǎn)線框改變的物理量有不同的理解。如：改變夾角、改變正對面積。由于學生所站的角度不同，理解存在差異，但最終都是改變線圈所在回路的磁通量。

（2）教材編排順序欠妥

教科版教材將電磁感應一節(jié)放置必修三第三章，將法拉第電磁感應定律放置選擇性必修二第二章中，從內(nèi)容跨度上講間隔了兩個章節(jié)內(nèi)容，學生很容易遺忘；從時間軸上看，電磁感應現(xiàn)象一節(jié)屬于高二上教學內(nèi)容，法拉第電磁感應定律多安排為高二下教學內(nèi)容，學生經(jīng)歷了寒假，不易與已學的電磁感應內(nèi)容相呼應。

三、啟示及展望

物理實驗作為教學的根本，既是教學內(nèi)容，更是方式方法。本堂課中設(shè)計跳繩發(fā)電小游戲、學生動手探究感應電流產(chǎn)生條件、教師演示感生電流及電磁爐點亮小燈泡等一系列實驗，不僅能很好的調(diào)動學生的積極性，激發(fā)了他們的好奇心與求知欲，而且能很好的鍛煉他們動手實踐能力，培養(yǎng)其細心、耐心、嚴謹、認真的科學態(tài)度。實驗中蘊含的模型建構(gòu)、觀察分析、假設(shè)論證、分析綜合、歸納演繹等科學思維方法更是有助于學生能力的提升，加深其對科學知識的認識。

參考文獻：

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[2]陳熙謀，吳祖仁.普通高中教科書物理必修三. 北京：教育科學出版社，2019.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020修訂） [M].北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯：加順花）