周革潤(rùn)

(北京市第一〇一中學(xué)，北京 100091)

為了體現(xiàn)高中階段學(xué)生探究產(chǎn)生感應(yīng)電流條件的思維過(guò)程,幫助學(xué)生建構(gòu)和理解磁通量及磁通量變化的概念,順利完成從初中階段學(xué)生僅停留在操作層面的認(rèn)識(shí)——閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng),提升到高中階段抽象歸納出本質(zhì)原因——閉合回路的磁通量發(fā)生變化.這需要應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論來(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),開展教學(xué)活動(dòng)．在科學(xué)思維和探究方面,學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行的推理論證,可以有效培養(yǎng)學(xué)生合理作出假設(shè)和猜測(cè)、獲得證據(jù)和分析證據(jù)、交流和表達(dá)科學(xué)探究結(jié)果的能力．

1 設(shè)計(jì)流程

按照學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論——事實(shí)經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合應(yīng)用的5個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì),通過(guò)學(xué)生積極參與一系列探究活動(dòng)和對(duì)探究活動(dòng)的思考,不斷推動(dòng)和發(fā)展學(xué)生思維,讓學(xué)生將感應(yīng)電流產(chǎn)生條件不僅僅單獨(dú)與磁場(chǎng)變化、面積變化關(guān)聯(lián)起來(lái),而且進(jìn)一步將二者同時(shí)建立關(guān)聯(lián),最后引入磁通量變化總結(jié)探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．具體設(shè)計(jì)流程如表1所示.

2 教學(xué)活動(dòng)

2.1 教師活動(dòng)1

演示實(shí)驗(yàn)1:電磁爐上放一個(gè)金屬碗,導(dǎo)線與燈泡相連構(gòu)成閉合回路,打開電磁爐開關(guān)使其工作,將閉合回路的部分導(dǎo)線繞成線圈放在電磁爐上靜止不動(dòng),此時(shí)燈泡發(fā)光．

學(xué)生活動(dòng)1.觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考原因．

活動(dòng)說(shuō)明:通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,通過(guò)現(xiàn)象引發(fā)認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)熱情,引出探究主題．學(xué)生意識(shí)到初中從切割磁感線運(yùn)動(dòng)判斷感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件不完善,不是普遍規(guī)律,需要修正完善,找到本質(zhì)原因．

表1 “探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件設(shè)計(jì)流程”

2.2 教師活動(dòng)2

探究主題:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件.

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)1:如圖1所示,線圈、檢流計(jì)、條形磁鐵、導(dǎo)線兩根．

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)2:如圖2所示,學(xué)生電源、帶鐵芯的螺線管、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線若干、開關(guān)、線圈、檢流計(jì)．

圖1 分組實(shí)驗(yàn)1

圖2 分組實(shí)驗(yàn)2

問(wèn)題1:分組實(shí)驗(yàn)1用條形磁鐵探究,分組實(shí)驗(yàn)2用通電螺線管探究．探究如何操作可以產(chǎn)生感應(yīng)電流,你的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么?

學(xué)生活動(dòng)2.學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論．

分組實(shí)驗(yàn)1:將條形磁鐵插入或者拔出大螺線管過(guò)程,或者將線圈套入條形磁鐵、線圈抽出條形磁鐵等．分組實(shí)驗(yàn)2:開關(guān)閉合或斷開,在開關(guān)閉合時(shí)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器改變通電螺線管的電流大小,移動(dòng)通電螺線管,改變螺線管與線圈的相對(duì)位置．學(xué)生結(jié)論:無(wú)論相對(duì)運(yùn)動(dòng)還是變化的電流,線圈中磁場(chǎng)發(fā)生變化．

活動(dòng)說(shuō)明:本環(huán)節(jié)是讓學(xué)生完成從現(xiàn)象到本質(zhì)的思考,從導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)進(jìn)階到導(dǎo)體和磁場(chǎng)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng),從導(dǎo)體和磁場(chǎng)的相對(duì)位置發(fā)生變化進(jìn)階到線圈中磁場(chǎng)發(fā)生變化,從通電螺線管電流變化進(jìn)階到線圈中磁場(chǎng)發(fā)生變化,最終與磁場(chǎng)變化建立關(guān)聯(lián)．

2.3 教師活動(dòng)3

問(wèn)題2:線圈與檢流計(jì)連接成閉合回路,閉合產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的電源開關(guān),你會(huì)看到什么現(xiàn)象,為什么會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象?如果擠扁線圈,此過(guò)程線圈回路有感應(yīng)電流嗎,理由是什么?

圖3 分組實(shí)驗(yàn)3

問(wèn)題3:線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線運(yùn)動(dòng)就一定會(huì)有感應(yīng)電流嗎?線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)整體平動(dòng)切割磁感線,你看到了電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)嗎?說(shuō)明切割磁感線運(yùn)動(dòng)不是感應(yīng)電流產(chǎn)生的根本原因,根本原因是什么發(fā)生了變化?

演示實(shí)驗(yàn)2:如圖3所示,線圈與檢流計(jì)連接成閉合回路,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi),擠扁線圈的過(guò)程中,回路有感應(yīng)電流．

學(xué)生活動(dòng)3.分析論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象確認(rèn)．依據(jù)線圈切割磁感線運(yùn)動(dòng),判斷有感應(yīng)電流．通過(guò)觀察對(duì)比線圈整體平動(dòng)切割實(shí)驗(yàn)說(shuō)明“切割磁感線”不是產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)原因．依據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程擠扁線圈,想到線圈的形狀發(fā)生改變,即回路面積發(fā)生變化．

活動(dòng)說(shuō)明:通過(guò)觀察磁場(chǎng)不變、回路面積發(fā)生變化,閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流,引導(dǎo)學(xué)生從切割磁感線運(yùn)動(dòng)進(jìn)階到回路面積發(fā)生變化,從而將閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件與磁場(chǎng)發(fā)生變化、面積發(fā)生變化兩個(gè)因素建立關(guān)聯(lián)．

2.4 教師活動(dòng)4

問(wèn)題4:我們用控制變量法研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化、線圈面積S不變,以及B不變、S變化,閉合回路產(chǎn)生了感應(yīng)電流,大家還想探究什么情況下,閉合回路能產(chǎn)生感應(yīng)電流? 提出你的實(shí)驗(yàn)方案并猜想實(shí)驗(yàn)結(jié)論?

問(wèn)題5:感應(yīng)電流的產(chǎn)生不僅僅與回路S變化、B變化兩個(gè)因素有關(guān)聯(lián),而且應(yīng)該是二者同時(shí)共同作用的結(jié)果,能找到一個(gè)物理量來(lái)兼顧這兩個(gè)因素?請(qǐng)用最簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言概括一下:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件到底是什么?

問(wèn)題6:閉合回路B、S都發(fā)生變化,一定有感應(yīng)電流嗎?為什么?

演示實(shí)驗(yàn)3:將產(chǎn)生磁場(chǎng)的電源開關(guān)閉合瞬間,同時(shí)把線圈擠扁,線圈中可能會(huì)有感應(yīng)電流,也可能沒(méi)有感應(yīng)電流．

演示實(shí)驗(yàn)4:如圖4所示,將線圈套在曲面底部(該曲面是圓柱形磁鐵的某一條磁感線繞磁鐵中心軸線旋轉(zhuǎn)而形成的曲面),將線圈沿曲面向上移動(dòng),此過(guò)程中線圈內(nèi)的B變大、但S變小了,線圈中無(wú)感應(yīng)電流．

圖4 演示實(shí)驗(yàn)4

學(xué)生活動(dòng)4.學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析歸納總結(jié)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．依據(jù)與B、S的變化同時(shí)有關(guān),學(xué)生猜想是閉合回路的磁通量發(fā)生變化．對(duì)演示實(shí)驗(yàn)4的解釋,基于磁感線分布的立體模型理解線圈的磁通量不變,形成從磁通量變化的角度分析是否產(chǎn)生感應(yīng)電流．

活動(dòng)說(shuō)明:推理感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件的共同特征,從個(gè)別到一般,從現(xiàn)象到本質(zhì),幫助學(xué)生意識(shí)到磁通量變化是產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)條件．通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)B和S同時(shí)變化,但閉合回路的磁通量不變,沒(méi)有感應(yīng)電流,例證結(jié)論的正確性．

2.5 教師活動(dòng)5

問(wèn)題7:利用實(shí)驗(yàn)裝置,你還可以有哪些操作也能產(chǎn)生感應(yīng)電流?

問(wèn)題8:線圈放在電磁爐上,為什么線圈有感應(yīng)電流?猜測(cè)一下:具有無(wú)線充電功能的手機(jī)內(nèi)部一定會(huì)有什么?這是打開手機(jī)后殼的圖片,看到了多匝銅質(zhì)線圈,現(xiàn)在能想到無(wú)線充電的原理嗎? 你能想到無(wú)線充電器內(nèi)部一定會(huì)有什么?

演示實(shí)驗(yàn)5:手機(jī)無(wú)線充電過(guò)程．展示打開手機(jī)后殼的圖片,讓學(xué)生看到線圈．將手機(jī)上拆下的線圈與小燈泡連接成閉合回路,放置在無(wú)線充電器上,如圖5所示,發(fā)現(xiàn)小燈泡點(diǎn)亮,驗(yàn)證猜想．

學(xué)生活動(dòng)5.學(xué)生操作線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流并分析推理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因．根據(jù)探究結(jié)論想到線圈磁通量發(fā)生變化,電磁爐產(chǎn)生了變化磁場(chǎng)．學(xué)生分析手機(jī)無(wú)線充電的原理．

活動(dòng)說(shuō)明: 通過(guò)對(duì)實(shí)際生活中無(wú)線充電技術(shù)的逐步剖析,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到其工作原理,充電裝置利用線圈通交變電流產(chǎn)生變化磁場(chǎng),接收裝置內(nèi)置線圈因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電流,體現(xiàn)知識(shí)應(yīng)用和服務(wù)生活的價(jià)值,從而達(dá)到在鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),既落實(shí)了能力的培養(yǎng),又激發(fā)了學(xué)習(xí)與研究的興趣．

3 活動(dòng)總結(jié)

(1) 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效滲透,要為學(xué)生的學(xué)習(xí)營(yíng)造一個(gè)利于學(xué)習(xí)的“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”．在具體教學(xué)活動(dòng)中,注重學(xué)生間平等民主,互動(dòng)合作,自主探究,從“接受型教學(xué)”向“質(zhì)疑型

教學(xué)”轉(zhuǎn)變．本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)以教學(xué)活動(dòng)中的8個(gè)問(wèn)題為線索,讓學(xué)習(xí)真實(shí)的發(fā)生,創(chuàng)建了一個(gè)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的生態(tài)環(huán)境,教師和學(xué)生活動(dòng)是交互式的,幫助學(xué)生形成抽象思維,發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維和批判性思維．這樣學(xué)生改變以往盲目的接受型思維習(xí)慣,激發(fā)學(xué)習(xí)欲望不斷思考,在探究的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生自主獲取知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力,發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力,以問(wèn)題、詢問(wèn)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)就屬于深度學(xué)習(xí)方式．

(2) 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效滲透,要培養(yǎng)學(xué)生成為擁有“主體性覺(jué)悟”的“探究者”,而不是“記憶者”．在具體教學(xué)活動(dòng)中,通過(guò)探究活動(dòng)的實(shí)施,讓師生成為“探究的共同體”,合作學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效率,陪伴學(xué)生自主學(xué)習(xí)同時(shí)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和輔助學(xué)生順利實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階．本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)了5個(gè)教師和學(xué)生的活動(dòng),讓學(xué)生自主思考,積極推動(dòng)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展,抓住學(xué)生的原有認(rèn)知,通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象來(lái)引發(fā)認(rèn)知沖突,引導(dǎo)學(xué)生分析背后的原因,從具體到抽象,實(shí)現(xiàn)物理邏輯思維的連貫性和進(jìn)階性．在學(xué)生活動(dòng)中,不斷重復(fù)“描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——總結(jié)規(guī)律——解釋原因”的科學(xué)研究的3個(gè)環(huán)節(jié),幫助學(xué)生從現(xiàn)象走向本質(zhì),如何觀察和研究現(xiàn)象,找到發(fā)生現(xiàn)象的原因．這是在發(fā)揮物理學(xué)科科學(xué)育人的功能,用科學(xué)方法來(lái)探究問(wèn)題,在解決問(wèn)題中理解方法,獲得知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生歸納和科學(xué)推理能力．學(xué)生收獲的不僅僅是知識(shí)層面,也有科學(xué)探究的方法,為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ),這正是學(xué)生應(yīng)具備的能夠適應(yīng)終生發(fā)展需要的關(guān)鍵能力,是實(shí)實(shí)在在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．

(3) 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效滲透,要重視物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研發(fā)．要重視實(shí)驗(yàn)研究,特別是要重視演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生探究素養(yǎng)方面的價(jià)值,同時(shí)教學(xué)過(guò)程中要重視引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)揭示的物理原理．加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究,本節(jié)設(shè)計(jì)了5個(gè)演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn),可以改變教學(xué)方式,借助實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)概念,學(xué)會(huì)抽象思維,并能夠幫助理解規(guī)律．通過(guò)實(shí)驗(yàn)將物理知識(shí)聯(lián)系生活實(shí)際,用物理視角分析生活現(xiàn)象,讓學(xué)生知道物理有用、有趣.這是加深概念和規(guī)律理解的有效方法,發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．