基于物理核心素养导向的实验情境教学——以“楞次定律”的教学为例

朱顺明 蒋建明

(江苏省天一中学,江苏 无锡 214101)

《普通高中物理课程标准修订稿》内部征求意见稿中指出:物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质．物理核心素养主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等4个方面的要素构成,其中科学探究又包括问题、证据、解释、交流与合作等要素．它要求学生能基于事实得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．因此优化实验教学推动学生学会思考积极研究勇于创新,这有助于提升学生的学科核心素养．

笔者在“楞次定律”一节的教学中,积极创设实验情境,引导学生探究分析和交流总结,提升学生科学思维能力和探究能力．

1 设置情境实验,激发求知欲望

教师利用身边的器材设计简单的实验,从而为学生创设需要解决的真实环境.这样可以使学生产生认知冲突激发求知欲．只有在真实情境中的自主探究,才能体现学生的探究能力和科学素养．

“楞次定律”是人教版高中物理选修3-2第4章第3节的内容,教科书通篇都是规律教学,先是理论探究得出楞次定律,然后安排规律的应用．尽管课文内容结构合理思维严谨,但却不能调动学生学习的热情,学生感觉不出判断出感应电流的方向的目的和意义．为此笔者在课前设置演示实验,有效调动了学生学习的热情,构建富有生命力的生长课堂．

图1

创设情境,激趣导入:(跳环实验)将J2425型教学用可拆变压器的条形铁芯竖直放置(如图1),一轻质铝环套在铁芯上,接通220V的交流电源瞬间看到铝环向上跳．提出问题:铝环向上跳说明铝环受到向上的力．到底是什么力呢?引出课题．

2 挖掘实验共性,巧妙探究本质

图2

实验设计要有利于学生知识的建构,要能简化所要研究的问题情境．学生可以通过掌握的基本知识和技能以及运用科学的方法达到解决问题的目的．教材中对于楞次定律的探究是从条形磁铁相对螺线管运动的实验出发,利用“感应电流的磁场”作为中介,列表归纳得出定律．此探究过程涉及原磁场方向、感应电流方向、线圈绕向、感应电流的磁场方向、磁通量的变化等诸多因素,由此带来教学逻辑的繁冗,实验探究的混乱．为此笔者选择“线圈小车”实验(图2)作为基本出发点和突破口,创设实验情境进行探究规律．

合作探究,建构新知:将铝环看作很多匝的闭合线圈．把线圈固定在玩具小车上,当磁铁插入线圈,看到什么现象?前进．拔出时又是什么现象?改变磁铁的极性,再做同样的实验(图3)．插入—前进;拔出—后退(图4)．可见无论是N极插入还是S极插入都是前进,拔出都是后退．

图3图4

实验操作实验现象相互作用力线圈的磁场方向与原磁场方向磁通量的增减N极插入前进排斥相反增加拔出后退吸引相同减少S极插入前进排斥相反增加拔出后退吸引相同减少来拒去留增反减同阻碍

根据实验现象记录表(表1)分析得到从相对运动角度是“来拒去留”的现象,从磁通量变化角度是“增反减同”的规律．至此从一般现象到特殊规律我们概括出最为简洁的“阻碍”两个字．这符合物理学追求简洁美的思想．即感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化．

3 创设实验环境,学生躬行知事

实验是物理研究的重要手段,它借助物理现象体现物理规律,在现象和理论之间搭建桥梁,帮助学生建立和理解概念和规律．在课堂教学中教师可以创设实验环境,让学生亲身实践,这有助于增强学生的问题意识,学习科学方法,培养创造性思维．

实验验证,强化理解:若已知感应电流的磁场,根据右手螺旋定则可以判断出感应电流的方向．感应电流的方向真的是这样的方向吗?我们在线圈上接两个发光二极管(左蓝右红)(图5),它们是并联反接(图6)．根据二极管的单向导通性,通过发光情况可以直接判断出感应电流方向．若是蓝灯亮说明线圈中的电流是逆时针,若是红灯亮说明线圈中的电流是顺时针．

图5图6

学生填写表2.

表2 磁铁与线圈的实验记录

4 精设实验问题,提升探究能力

通过特定的实验情境,能使物理问题与学生的原有认知结构中的经验发生联系,激活现有的经验去“同化”和“顺应”学习活动中的新知识,赋予新知识以意义,导致认知结构的改建或重建．在设计问题时,那些与学生已有知识密切联系的问题最能激起学生探究的欲望．对于重难点的内容,教师要铺设一些台阶,设计有层次和梯度的问题,从而引导和鼓励学生积极探究．

图7

问题1.若将磁铁竖直穿过线圈,请问两发光二极管的发光情况是什么?(学生通过实验探究(图7),教师通过手机慢动作拍摄得出结论)

问题2.为什么会出现这样的现象,请试用楞次定律解释?

问题3.在磁铁下落过程中,靠近和远离线圈时磁铁受到的磁场力方向如何?

问题4.与自由落体运动相比,磁铁在多个线圈中下落的运动快慢情况(图8)?若将磁铁穿过铜管快慢情况又如何?(图9)

问题5.从能量转化角度看,实现了什么能向什么能转化?

——学生通过发光二极管的依次闪亮可以很判断出磁铁将机械能转化为线圈中的电能．

图8 图9

5 开发拓展实验,开阔学生视野

拓展实验是基于常规实验进行的创新,它能使学生获得更多的生活情境体验,学生可以从拓展实验中吸取更多的营养,领悟科学研究的方法,特别是感受到物理实验是来源于生活,又应用于生活．在实践活动中拓展实验对于学生领悟科学研究方法,培养学生创造力等核心素养有重要推动作用．

图10

联系实际,体验价值．回顾跳环实验,学生解释现象．对于跳环实验从能量守恒角度看实现电能向机械能的转化,当线圈匝数分别是400匝和200匝,接通交流电源分别做跳环实验并比较两次的高度．思考:如果把铝环

变成一枚炮弹,可以发明一种什么武器?——电磁炮(图10)．当线圈匝数是800匝时,接通交流电源,铝环悬浮在空中．思考:根据这个现象,我们做什么用途?——磁悬浮(图11)．如果把铝环按住不动,发现铝环在原地抖动,然后让学生触摸铝环发现发热．思考:从能量守恒角度看此时电能会转化什么能?根据这个现象,我们可以发明什么用电器?——电磁炉(图12)．

图11图12

参考文献：

1 彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理:高中版,2016(2):2.

2 刘成刚.改进实验提高课堂教学效果[J].中学物理教学参考,2016(11):25-26.

3 徐卫兵.优化实验教学提高核心素养[J].中学物理教学参考,2016(10):11-13.

4 邢红军.高中物理高端备课[M].北京:中国科学技术出版社,2014.

5 戴国成.基于核心素养的物理实验创新性探讨[J].物理教师，2016(12)： 43-44.