论文部分内容阅读
[摘 要]针对楞次定律教学中存在的问题，利用问题导向逐步引导、启发学生思维，以小组合作为载体，完成实验探究，使学生有效经历科学探究过程，充分调动学生的学习积极性和主观能动性，从而提高学生的学习能力、合作能力和科学思维能力，培养学生的物理学科核心素养。
[关键词]问题导向；学科核心素养；楞次定律；教学设计
[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）17-0029-03
楞次定律作为高中物理教学的难点，对教学设计的要求很高，仔细分析下来，这是培养高中学生物理学科核心素养的经典案例。楞次定律的教学过程，可将物理观念、科学思维和实验探究等物理学科核心素养融为一体，能培养学生发现问题、提出合理猜测与假设的能力。在具体教学过程中，教师可引导学生进行科学推理或通过实验引导学生探究找出相关的物理规律。教材从条形磁铁相对于螺线管运动的实验出发，引导学生以“感应电流的磁场”作为“中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律的表述。
教材的教学安排涉及原磁场方向、磁通量的变化、灵敏电流计指针偏转方向、感应电流方向、线圈绕向等众多物理因素，导致教学中出现实验目的不明确、学生思维链过长、教学不符合学生认知规律等问题。
为了避免出现以上教学问题[1]，本教学设计从物理规律研究出发，首先隐藏感应电流，以“楞次环”来拒去留的力学现象，降低学生的认知负荷，引导学生发现感应磁场的方向和原磁场的方向之间的定量关系，从而得出感应磁场的方向，根据右手螺旋定则，由感应磁场的方向确定感应电流的方向，从实验结果引导学生归纳总结感应电流的方向和楞次环磁通量变化的关系，从而得到楞次定律的完整表述；通过学生分组实验，完成教材上条形磁铁相对于螺线管运动的实验内容，对楞次定律进行实验验证。整个教学过程中通过丰富有趣的演示实验，学生分组实验，引发学生的认知冲突，通过科学思维逐渐发现楞次定律隐含的物理本质，充分体现物理来源于生活，从现象提升到物理规律的教学理念，从而培养学生物理学科核心素养。
一、创设认知冲突，激发学生的好奇心
通过磁铁与楞次环之间的相互作用，激发学生的好奇心。楞次环也就是铝环，铝不属于铁、钴、镍等磁性物质，不可能与磁铁相互吸引，更不会出现排斥的现象。通过设置的认知冲突，学生就非常渴望探寻现象背后的本质，从而导入新课教学。具体教学过程如下：
教师：同学们，大家知道磁铁可以吸引哪些物质？
学生：铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质。
（教师演示磁铁吸引铁磁类物体）
教师：磁铁能不能吸引铝质材料？
学生：不能。
教师：我们试试看能不能吸引。演示铝环实验，如图1，条形磁铁从闭合铝环中抽出，闭合铝环被条形磁铁吸引，跟着磁铁转动。
（若学生说：能吸引铝质材料，可以请学生上台展示，细微之处，体现课堂教学的生成性）
看到这样的实验现象，学生的疑问自然就产生了，也渴望进一步学习现象背后的奥秘。
二、通过问题引导，探索隐藏的规律
楞次环实验简单，包含的实验现象丰富，要真正利用简洁的物理实验，让学生思维聚焦，探寻实验所隐含的深层次原理。实验中磁铁靠近闭合铝环，铝环好像被排斥开，磁铁从铝环中抽出，铝环好像被吸引过来，在科学引导下，学生能主动利用等效思想，将产生了环形感应电流的闭合铝环等效为一个小磁铁，再结合右手螺旋定则，判断感应电流方向。教学过程通过问题导向，让学生小组合作，运用等效思想自主构建，体现出创新的理念。具体教学过程如下：
1.探究磁铁与铝环间的相互作用
教师：可能有同学会想，对铝质材料做成的环能吸引，对铝质材料不吸引，是不是这样的呢？
（不要求学生马上回答，只让学生思考）
教师演示实验：铝环实验，用不闭合的铝环做。让学生观察实验结果。
教师：磁铁对铝环是不是一定有吸引作用呢？
（让学生思考，简单回答是或不是，或学生不回答）
教师演示铝环实验，让条形磁铁靠近闭合铝环，闭合铝环好像被磁铁排斥，远离磁铁。
教师：这些实验现象说明了什么原理？请大家小组讨论。
学生：闭合铝环中产生了感应电流，这是电磁感应现象。
通过这一系列实验，不断提出问题，激发学生思维，让学生结合前面所学内容，就能自我发现磁铁和铝环之间的相互作用，本质上是磁铁和铝环中产生的感应电流的相互作用。
教师：刚才实验中磁铁与铝环之间存在相互作用，有吸引、有排斥，这里存在怎样的规律？我们通过分组实验（4人一小组）一起进行研究。请同学们根据表格记录实验结果。
表1
[序号 实验情境 N极靠近铝环 N极远离铝环 S极靠近铝环 S极远离铝环 1 实验图示 2 现象（排斥、吸引） 排斥 吸引 排斥 吸引 ]
教师：磁铁与铝环相互吸引、相互排斥的原因是什么？請大家小组讨论。
学生：铝环中产生了感应电流，环形电流等效为一个小磁铁，小磁铁和条形磁铁会相互吸引或者相互排斥。
教师追问：闭合铝环中为什么会产生感应电流？
学生：闭合铝环中磁通量发生了变化。
教师：在条形磁铁靠近或者远离闭合铝环的过程中，闭合铝环的磁通量发生了变化，产生了感应电流，那么产生的感应电流有什么规律呢？今天我们研究的重点就是感应电流方向的确定。
2.探究感应电流磁场与原磁场的关系
教师：大家能不能根据磁体和铝环间的相互作用来判断感应电流的方向？例如用N极从右向左插入铝环，如图2所示，铝环中感应电流沿什么方向？
请大家小组合作，讨论出判断感应电流方向的思路。 学生上台展示讲解：将环形电流等效为一个小磁铁，小磁铁的右边为N极，左边为S极，环形电流内部的磁场方向为向右，通过右手螺旋定则判断感应电流的方向，如图3所示。
教师：刚刚同学们回答得很好，大家有没有直接判断出铝环中感应电流的方向？
学生：没有，先判断出铝環内部的磁场方向，再根据右手螺旋定则确定感应电流方向。
维果斯基的“最近发展区理论”，强调教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有适当难度的内容，调动学生的学习积极性。判断感应电流方向并不是直接的，在科学引导下，学生也能发挥潜能，借助感应电流产生的磁场方向这一“中介”，再通过右手螺旋定则确定感应电流方向。
3.探究铝环感应电流磁场与磁通量变化的关系
根据磁铁与闭合铝环的相互作用，让学生成功找到了判断感应电流方向的“中介”——感应电流的磁场方向。在电磁感应现象中，如何寻找到感应电流的磁场方向是关键，是解决更普遍、更深层次问题的突破点[2]。结合学生已有的认知：产生感应电流的条件是通过闭合回路的磁通量发生变化。让学生意识到感应电流的磁场方向与磁通量变化有必然联系。具体教学过程如下：
教师：请大家根据我们刚刚总结的思路完成表格第二行到第五行的填空。
教师（实验展示，一手拿住铝环，另一手拿条形磁铁插入、拔出）：铝环中有没有感应电流？感应电流方向怎样判断？
学生：有感应电流，不好判断感应电流方向。
教师：我们刚刚为什么能判断感应电流方向？
学生：刚刚铝环运动了，就知道感应电流产生的磁场方向，这样才能判断感应电流的方向。
教师：找到一个更普遍的办法判断感应电流方向，关键是什么呢？
学生：找到感应电流磁场的方向。
教师：感应电流产生的条件是什么？
学生：磁通量发生变化。
教师：闭合回路的磁通量发生变化就会产生感应电流，感应电流方向的判断跟感应电流磁场的方向有关，所以我们接下来就要寻找磁通量变化和感应电流磁场方向的关系。
教师：请大家完成表格第六行和第七行的填写，小组讨论，能不能发现什么规律？
学生：磁通量增加，感应电流磁场与原磁场方向相反；磁通量减少，感应电流磁场与原磁场方向相同。
4.引导提炼归纳，让学生总结规律
波普尔认为：“有效的问题能引起学生积极的思维。”在创设的问题引导下，学生完成有意义的自我建构，不断发现现象背后所隐藏的原理，终于得到了楞次定律的雏形：当通过闭合铝环的磁通量增加时，铝环中感应电流磁场与原磁场方向相反；当通过铝环的磁通量减少时，铝环中感应电流磁场与原磁场方向相同。在此基础上完成进一步的抽象与提炼，让学生思维达到更深层次。
教师：铝环中原磁场磁通量增加，感应电流产生的磁场对磁通量增加有什么影响？铝环中原磁场磁通量减少，感应电流产生的磁场对磁通量增加有什么影响？
学生：感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化。
教师：楞次定律内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
（该规律是俄国物理学家楞次在 1834年发现的，人们为了纪念他对物理学的贡献，就把这个规律叫作楞次定律）
5.回归教材实验，让学生自主验证
实践是检验真理的唯一标准。学生得出楞次定律后喜悦之余也想验证自己的成果，根据教材上设计的实验，考虑到上课时间有限，让学生小组合作完成条形磁铁相对螺线管运动的实验，用灵敏电流计检验理论和实验的结果。
教师：学习了楞次定律后，我们进一步在实验中进行研究。根据我们准备的实验器材，按照表格中设计的实验来验证一下，通过楞次定律判断感应电流的方向是否正确。
三、联系社会实践，引导学生课后思考
利用图片、动画等形式讲解楞次定律在汽车电涡流缓速器和军事上电磁炮的运用及原理（如图4），将物理规律应用于实践当中，符合新课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。并利用趣味实验演示电磁炮现象。
物理本是一门阐述世间万物运行规律的学科，目的是解答各种疑问，帮助人们更清楚地认识世界。如果把物理仅仅变成“抽象概念、公式、难题”的结合体，则会因为艰难晦涩而被学生排斥，这无疑太可惜了。通过有趣的实验，让学生在深层次思维之余多一些兴趣，在分析实验原理的基础上体验成功的快乐，这样对学生物理学科核心素养的培养很有帮助。
演示趣味实验——“跳环”，让学生思考铝环为什么会跳起来。将可拆变压器的条形铁轭竖直放在U 形铁芯的一个芯柱上，再放入铝圈（如图5）。线圈的匝数可以是 0～1400匝（或0～800），接220V交流电流。通电，铝圈会突然跳起。解释：闭合开关的瞬间，穿过铝环的磁通量发生变化，产生感应电流， 环受到安培力
作用，而向上跳起。
四、小结
马赫穆托夫认为：“问题教学是真正的发展性教学，教学过程的组织是以问题为基础的，而有系统地解决学习性问题乃是此种教学的突出特征。”本设计首先通过磁铁与楞次环之间的相互作用，引发学生认知冲突，激发学生的求知欲，通过问题层层引导学生发现感应电流磁场是判断感应电流方向的重要“中介”；在实验中继续探究感应电流的磁场和原磁通量变化之间关系，并总结得出楞次定律的雏形：当闭合铝环中的磁通量增大时，感应电流磁场与原磁场方向相反；当闭合铝环中的磁通量减小时，感应电流磁场与原磁场方向相同。在提炼的基础上总结出楞次定律的完整表述。通过学生分组实验，验证楞次定律，让学生在应用中内化知识。最后，让学生在趣味实验中认识科学与社会的联系。教学主线就是：通过科学探究让学生在主动思维中建构知识，从而培养学生的科学思维能力，提升学生的物理学科核心素养。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 邢红军，宁成，胡扬洋.楞次定律教学的高端备课[J].中学物理教学参考，2013（4）：18-20.
[2] 陈庆炜，张军朋.“楞次定律”教学的创新设计[J].物理通报，2016（8）：52-55.
（责任编辑 易志毅）
[关键词]问题导向；学科核心素养；楞次定律；教学设计
[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2018）17-0029-03
楞次定律作为高中物理教学的难点，对教学设计的要求很高，仔细分析下来，这是培养高中学生物理学科核心素养的经典案例。楞次定律的教学过程，可将物理观念、科学思维和实验探究等物理学科核心素养融为一体，能培养学生发现问题、提出合理猜测与假设的能力。在具体教学过程中，教师可引导学生进行科学推理或通过实验引导学生探究找出相关的物理规律。教材从条形磁铁相对于螺线管运动的实验出发，引导学生以“感应电流的磁场”作为“中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律的表述。
教材的教学安排涉及原磁场方向、磁通量的变化、灵敏电流计指针偏转方向、感应电流方向、线圈绕向等众多物理因素，导致教学中出现实验目的不明确、学生思维链过长、教学不符合学生认知规律等问题。
为了避免出现以上教学问题[1]，本教学设计从物理规律研究出发，首先隐藏感应电流，以“楞次环”来拒去留的力学现象，降低学生的认知负荷，引导学生发现感应磁场的方向和原磁场的方向之间的定量关系，从而得出感应磁场的方向，根据右手螺旋定则，由感应磁场的方向确定感应电流的方向，从实验结果引导学生归纳总结感应电流的方向和楞次环磁通量变化的关系，从而得到楞次定律的完整表述；通过学生分组实验，完成教材上条形磁铁相对于螺线管运动的实验内容，对楞次定律进行实验验证。整个教学过程中通过丰富有趣的演示实验，学生分组实验，引发学生的认知冲突，通过科学思维逐渐发现楞次定律隐含的物理本质，充分体现物理来源于生活，从现象提升到物理规律的教学理念，从而培养学生物理学科核心素养。
一、创设认知冲突，激发学生的好奇心
通过磁铁与楞次环之间的相互作用，激发学生的好奇心。楞次环也就是铝环，铝不属于铁、钴、镍等磁性物质，不可能与磁铁相互吸引，更不会出现排斥的现象。通过设置的认知冲突，学生就非常渴望探寻现象背后的本质，从而导入新课教学。具体教学过程如下：
教师：同学们，大家知道磁铁可以吸引哪些物质？
学生：铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质。
（教师演示磁铁吸引铁磁类物体）
教师：磁铁能不能吸引铝质材料？
学生：不能。
教师：我们试试看能不能吸引。演示铝环实验，如图1，条形磁铁从闭合铝环中抽出，闭合铝环被条形磁铁吸引，跟着磁铁转动。
（若学生说：能吸引铝质材料，可以请学生上台展示，细微之处，体现课堂教学的生成性）
看到这样的实验现象，学生的疑问自然就产生了，也渴望进一步学习现象背后的奥秘。
二、通过问题引导，探索隐藏的规律
楞次环实验简单，包含的实验现象丰富，要真正利用简洁的物理实验，让学生思维聚焦，探寻实验所隐含的深层次原理。实验中磁铁靠近闭合铝环，铝环好像被排斥开，磁铁从铝环中抽出，铝环好像被吸引过来，在科学引导下，学生能主动利用等效思想，将产生了环形感应电流的闭合铝环等效为一个小磁铁，再结合右手螺旋定则，判断感应电流方向。教学过程通过问题导向，让学生小组合作，运用等效思想自主构建，体现出创新的理念。具体教学过程如下：
1.探究磁铁与铝环间的相互作用
教师：可能有同学会想，对铝质材料做成的环能吸引，对铝质材料不吸引，是不是这样的呢？
（不要求学生马上回答，只让学生思考）
教师演示实验：铝环实验，用不闭合的铝环做。让学生观察实验结果。
教师：磁铁对铝环是不是一定有吸引作用呢？
（让学生思考，简单回答是或不是，或学生不回答）
教师演示铝环实验，让条形磁铁靠近闭合铝环，闭合铝环好像被磁铁排斥，远离磁铁。
教师：这些实验现象说明了什么原理？请大家小组讨论。
学生：闭合铝环中产生了感应电流，这是电磁感应现象。
通过这一系列实验，不断提出问题，激发学生思维，让学生结合前面所学内容，就能自我发现磁铁和铝环之间的相互作用，本质上是磁铁和铝环中产生的感应电流的相互作用。
教师：刚才实验中磁铁与铝环之间存在相互作用，有吸引、有排斥，这里存在怎样的规律？我们通过分组实验（4人一小组）一起进行研究。请同学们根据表格记录实验结果。
表1
[序号 实验情境 N极靠近铝环 N极远离铝环 S极靠近铝环 S极远离铝环 1 实验图示 2 现象（排斥、吸引） 排斥 吸引 排斥 吸引 ]
教师：磁铁与铝环相互吸引、相互排斥的原因是什么？請大家小组讨论。
学生：铝环中产生了感应电流，环形电流等效为一个小磁铁，小磁铁和条形磁铁会相互吸引或者相互排斥。
教师追问：闭合铝环中为什么会产生感应电流？
学生：闭合铝环中磁通量发生了变化。
教师：在条形磁铁靠近或者远离闭合铝环的过程中，闭合铝环的磁通量发生了变化，产生了感应电流，那么产生的感应电流有什么规律呢？今天我们研究的重点就是感应电流方向的确定。
2.探究感应电流磁场与原磁场的关系
教师：大家能不能根据磁体和铝环间的相互作用来判断感应电流的方向？例如用N极从右向左插入铝环，如图2所示，铝环中感应电流沿什么方向？
请大家小组合作，讨论出判断感应电流方向的思路。 学生上台展示讲解：将环形电流等效为一个小磁铁，小磁铁的右边为N极，左边为S极，环形电流内部的磁场方向为向右，通过右手螺旋定则判断感应电流的方向，如图3所示。
教师：刚刚同学们回答得很好，大家有没有直接判断出铝环中感应电流的方向？
学生：没有，先判断出铝環内部的磁场方向，再根据右手螺旋定则确定感应电流方向。
维果斯基的“最近发展区理论”，强调教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有适当难度的内容，调动学生的学习积极性。判断感应电流方向并不是直接的，在科学引导下，学生也能发挥潜能，借助感应电流产生的磁场方向这一“中介”，再通过右手螺旋定则确定感应电流方向。
3.探究铝环感应电流磁场与磁通量变化的关系
根据磁铁与闭合铝环的相互作用，让学生成功找到了判断感应电流方向的“中介”——感应电流的磁场方向。在电磁感应现象中，如何寻找到感应电流的磁场方向是关键，是解决更普遍、更深层次问题的突破点[2]。结合学生已有的认知：产生感应电流的条件是通过闭合回路的磁通量发生变化。让学生意识到感应电流的磁场方向与磁通量变化有必然联系。具体教学过程如下：
教师：请大家根据我们刚刚总结的思路完成表格第二行到第五行的填空。
教师（实验展示，一手拿住铝环，另一手拿条形磁铁插入、拔出）：铝环中有没有感应电流？感应电流方向怎样判断？
学生：有感应电流，不好判断感应电流方向。
教师：我们刚刚为什么能判断感应电流方向？
学生：刚刚铝环运动了，就知道感应电流产生的磁场方向，这样才能判断感应电流的方向。
教师：找到一个更普遍的办法判断感应电流方向，关键是什么呢？
学生：找到感应电流磁场的方向。
教师：感应电流产生的条件是什么？
学生：磁通量发生变化。
教师：闭合回路的磁通量发生变化就会产生感应电流，感应电流方向的判断跟感应电流磁场的方向有关，所以我们接下来就要寻找磁通量变化和感应电流磁场方向的关系。
教师：请大家完成表格第六行和第七行的填写，小组讨论，能不能发现什么规律？
学生：磁通量增加，感应电流磁场与原磁场方向相反；磁通量减少，感应电流磁场与原磁场方向相同。
4.引导提炼归纳，让学生总结规律
波普尔认为：“有效的问题能引起学生积极的思维。”在创设的问题引导下，学生完成有意义的自我建构，不断发现现象背后所隐藏的原理，终于得到了楞次定律的雏形：当通过闭合铝环的磁通量增加时，铝环中感应电流磁场与原磁场方向相反；当通过铝环的磁通量减少时，铝环中感应电流磁场与原磁场方向相同。在此基础上完成进一步的抽象与提炼，让学生思维达到更深层次。
教师：铝环中原磁场磁通量增加，感应电流产生的磁场对磁通量增加有什么影响？铝环中原磁场磁通量减少，感应电流产生的磁场对磁通量增加有什么影响？
学生：感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化。
教师：楞次定律内容：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
（该规律是俄国物理学家楞次在 1834年发现的，人们为了纪念他对物理学的贡献，就把这个规律叫作楞次定律）
5.回归教材实验，让学生自主验证
实践是检验真理的唯一标准。学生得出楞次定律后喜悦之余也想验证自己的成果，根据教材上设计的实验，考虑到上课时间有限，让学生小组合作完成条形磁铁相对螺线管运动的实验，用灵敏电流计检验理论和实验的结果。
教师：学习了楞次定律后，我们进一步在实验中进行研究。根据我们准备的实验器材，按照表格中设计的实验来验证一下，通过楞次定律判断感应电流的方向是否正确。
三、联系社会实践，引导学生课后思考
利用图片、动画等形式讲解楞次定律在汽车电涡流缓速器和军事上电磁炮的运用及原理（如图4），将物理规律应用于实践当中，符合新课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。并利用趣味实验演示电磁炮现象。
物理本是一门阐述世间万物运行规律的学科，目的是解答各种疑问，帮助人们更清楚地认识世界。如果把物理仅仅变成“抽象概念、公式、难题”的结合体，则会因为艰难晦涩而被学生排斥，这无疑太可惜了。通过有趣的实验，让学生在深层次思维之余多一些兴趣，在分析实验原理的基础上体验成功的快乐，这样对学生物理学科核心素养的培养很有帮助。
演示趣味实验——“跳环”，让学生思考铝环为什么会跳起来。将可拆变压器的条形铁轭竖直放在U 形铁芯的一个芯柱上，再放入铝圈（如图5）。线圈的匝数可以是 0～1400匝（或0～800），接220V交流电流。通电，铝圈会突然跳起。解释：闭合开关的瞬间，穿过铝环的磁通量发生变化，产生感应电流， 环受到安培力
作用，而向上跳起。
四、小结
马赫穆托夫认为：“问题教学是真正的发展性教学，教学过程的组织是以问题为基础的，而有系统地解决学习性问题乃是此种教学的突出特征。”本设计首先通过磁铁与楞次环之间的相互作用，引发学生认知冲突，激发学生的求知欲，通过问题层层引导学生发现感应电流磁场是判断感应电流方向的重要“中介”；在实验中继续探究感应电流的磁场和原磁通量变化之间关系，并总结得出楞次定律的雏形：当闭合铝环中的磁通量增大时，感应电流磁场与原磁场方向相反；当闭合铝环中的磁通量减小时，感应电流磁场与原磁场方向相同。在提炼的基础上总结出楞次定律的完整表述。通过学生分组实验，验证楞次定律，让学生在应用中内化知识。最后，让学生在趣味实验中认识科学与社会的联系。教学主线就是：通过科学探究让学生在主动思维中建构知识，从而培养学生的科学思维能力，提升学生的物理学科核心素养。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 邢红军，宁成，胡扬洋.楞次定律教学的高端备课[J].中学物理教学参考，2013（4）：18-20.
[2] 陈庆炜，张军朋.“楞次定律”教学的创新设计[J].物理通报，2016（8）：52-55.
（责任编辑 易志毅）