基于高中物理核心素养的科学探究——以探究“楞次定律实验”为例

(昆明市第三中学 云南 昆明 650500)

核心素养是个人终身发展和可持续发展的基础，学生发展核心素养是指培养学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，高中物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面[1].本文以科学探究楞次定律实验为例，在教学中把物理核心素养真正落实到位.

楞次定律是高中物理电磁学知识的重点、难点，教学中一般按照教材的实验设计进行演示实验，通过G表的偏转判断感应电流方向，得出感应电流磁场的方向，再得出感应电流磁场方向与原磁场的方向关系，从而验证楞次定律.问题是：

(1)以往的教学过程中发现部分学生对成品线圈的绕向一头雾水;

(2)演示实验的教学设计在教学中省时，但调动学生的积极性欠佳，部分学生处于被动接受状态;

(3)实验过程对学生能力要求较高，实验如果能够从易到繁，更符合学生的认知规律，从而突破教学难点.

1 刺激认知 为科学探究做铺垫

充分利用资源，自制线圈.

(1)准备材料

笔者提前网购好直径0.4 mm的漆包铜导线1 kg;内径26 mm，厚度4 mm，外径34 mm，高为12 cm的铝管和铜管各一个；内径28 mm，厚度2 mm，外径32 mm，高为3 cm的铝管若干；起电电压为1.8 V的黄色和红色二极管若干；直径为2 cm，高1 cm的圆柱形钕铁硼强磁铁若干.

(2)刺激认知

1)把平行板电容器的极板(铝板)和绝缘板(塑料板)用白纸蒙起来，靠桌边同高度倾斜放置，让两块相同的直径为2 cm，高1 cm的圆柱形钕铁硼磁铁分别从两块不同的板上同一高度滑下，让学生观察磁铁的运动，猜测板的材质.

2)利用实验室的3D打印机指导学生打印内径28 mm，厚度2 mm，外径32 mm，高为3 cm和6 cm的塑料内芯若干，利用学生的优势调动学生的积极性，同时许诺学生：探究实验完成的好,可以奖励学生用3D打印机打印自己喜欢的物件.

3)自制线圈

指导学生绕制不同型号的线圈(内芯分别为铝环和塑料，匝数分别为200匝和400匝)，高分别为3 cm和6 cm.

以上活动都是利用业余时间和学生一起完成，绕制线圈时故意把12 cm的铝管和铜管放在容易引起学生注意的位置，同时圆柱形强磁铁放在铝管旁边，好玩是学生的天性，有学生让磁铁从铝管、铜管中下落，发现磁铁下落较自由落体慢很多.学生热情高涨，认真观察和思考，为更好地探究楞次定律打下了很好的伏笔.

2 提出问题 引导学生设计实验方案

(1)给出各种实验仪器，有的是学生自己做的，有的是以前学生完成其他实验用到的，如图1所示(另外还给学生准备了透明胶带).

(2)提出问题

1)哪些仪器可以测出电流的方向或通过什么仪器能知道电流的方向.

2)如何判断二极管的正负极.

3)哪些物体具有磁性，电流和磁性物体之间是否具有力的作用.

4)产生感应电流的条件是什么?

5)利用实验桌上的仪器设计实验方案，如何判断感应电流的方向?

图1 实验仪器

(3)教师引导学生设计判断感应电流的实验方案

虽然学生的实验方案众多，也有个别学生一头雾水，但是也有部分学生能在有效的时间内想出可行的方案，让学生展示自己的方案，教师根据情况引导实施实验.

1)学生让一个圆柱形的强磁铁从铝管或铜管中下落，如图2所示，根据磁铁下落的运动明显比塑料管中慢，说明铝管中有感应电流，根据初中所学同名磁极排斥得出铝管两端的磁性，再用初中所学的右手螺旋定则判断感应电流的方向.进一步引导学生如何验证学生得到的电流方向正确，也就是引导学生找出证据.

图2 磁铁从管中下落

2)学生把线圈和二极管串联，让3个(4个、5个、6个)圆柱形强磁铁插入线圈，通过二极管是否亮判断感应电流方向.

有很少数的小组实验中二极管亮了，让学生适时展示成果.

问题1：有的小组无论如何操作二极管都不亮，学生茫然；让学生寻求二极管不亮的原因，并给出解决方案.

问题2：当用万用表的电压档和数字电压表检查磁铁插入线圈时线圈两端的电压，发现电压值非常小不超过0.3 V.

解决方案：提高磁铁插入线圈的速度；增加匝数；把干电池和二极管串联，保证达到二极管的起电电压等等.

问题3：提高插入速度，当电压表读数达到0.3 V时，发现二极管微微的闪了一下.

疑惑：难道二极管的起电电压不是1.8 V，还是测得不对?笔者介绍电压传感器，再用电压传感器测量电压，显示峰值最高到0.8 V(采样频率是20 Hz，开始忽视了有采样频率，更没有意识到不同的采样频率，测量误差有这么大).

增大采样频率到100 Hz，发现线圈两端的电压在二极管亮的时候已经超过了1.8 V.

通过一系列的刺激，学生直呼眼见不一定为实，拨开云雾，兴趣越来越浓.

3)利用验证牛顿第二定律的装置，学生用胶带把线圈固定在小车上，线圈两端和二极管相连构成闭合电路，小车放在轨道上，当磁铁插进或拔出时根据小车的运动判断感应电流的方向，用二极管验证判断是否正确,如图3所示.问题：有的小组小车不动(线圈是塑料内芯的不动)[2].

图3 二极管验证实验

3 制造新的问题 寻找证据

笔者在学生给出方案的基础上提升战果，进行演示实验，实验电路图如图4所示[3].让两个二极管、两个电源分别串联成两条支路(注意二极管和电源的极性，两支路二极管的正、负极相反)，然后并在200匝的线圈两端.

图4 演示实验电路图

(1)问题：投影仪投影整个实验过程，磁铁插入线圈过程中，发现红色和黄色(反向并联)二极管几乎同时亮；磁铁拔出线圈过程中，也发现红色和黄色二极管几乎同时亮；这时学生再次沉默，求助的目光投向教师.

(2)证据：把电压传感器的两端接在线圈的两端，通过示波器显示整个过程的电压随时间变化的图像.

1)一只手拿线圈，另一只手把磁铁迅速插入和拔出线圈，由于3个磁铁和线圈等高，都是3 cm，迅速插入时磁铁已经穿出了线圈，故意设置干扰因素，训练学生的观察能力，刺激学生现有的原认知，让学生观察图像，如图5所示(开始，学生会误以为正向是磁铁插入线圈的图像，负向是磁铁从线圈中拔出的图像).

图5 磁铁迅速插入和拔出线圈时电压随时间变化的图像

2)分解动作重复上面实验，图像如图6所示.

图6 分解动作重复实验图像

4 解释和交流

面对笔者环环相扣的问题，学生的积极性已经被推向高潮，现场气氛热烈.还有好多学生不相信实验事实，这时让学生按照教师的演示实验电路图重新连接实验器材完成实验，自己验证.

(1)组织学生讨论，交流

(2)学生总结结论

1)磁通量增加时，感应电流的磁场方向和原磁场方向相反，阻碍磁通量的增加.

2)磁通量减少时，感应电流的磁场方向和原磁场方向相同，阻碍磁通量的减少.

3)得出楞次定律并引导学生用自己的语言理解楞次定律.①阻碍相对运动;②增反减同;③阻碍磁通量的变化;④产生感应电流的过程是其他形式的能转化为电能的过程.

(3)解释问题

分解动作，可以发现磁铁N极向下插入(磁铁底部已经穿出线圈底部)，磁通量向下先增大后减小，先红色二极管亮，然后黄色二极管亮，分别对应于图6的第一段和第二段；磁铁从线圈中拔出时依旧是磁通量向下先增大后减小，先红色二极管亮，然后黄色二极管亮，分别对应于图6的第3段和第4段.

综上所述，通过学生自己动手用3D打印机打印线圈内芯和绕制线圈，培养学生的兴趣，剔除线圈绕向不清楚的疑点，给出不同的线圈，笔者故意制造思维障碍，刺激学生的原认知，通过环环相扣的问题把学生引进问题链陷阱，要解决问题只有寻找证据，合作交流.科学探究的过程不但训练学生质疑创新，透过现象寻求本质的科学论证和推理的科学思维能力，而且培养了学生的科学态度与责任，同时通过电压传感器描绘的图像为感应电动势大小的定性研究做好切实可行的铺垫，科学思维进一步升华.

笔者和学生一起进行的科学探究楞次定律的实验，以人为本，培养学生适应终身发展和社会发展需要的能力，真正把核心素养落到实处.