彰显物理学科魅力 培养学生核心素养—— 以“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”的两次教学实践为例

(温州市第五十一中学 浙江 温州 325014)

本文就课例“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”的两次教学实践，把握住对教材的深入理解，不断反思自己的教学行为，改进教学方法，合理利用创新实验，帮助学生建立“科学观念”，形成“科学思维”，引导学生“科学探究”，培养学生“科学态度和责任”，充分彰显物理学科的魅力，有利于培养学生的核心素养.

1 第一次教学实践

1.1 教学设想

以电磁炉为例引入新课，复习电磁感应相关知识，采用理论联系实际开展启发式教学，引导学生从知识迁移的原则思考教师提出的问题，利用演示实验、教材插图等多种方法，从而了解涡流的成因和应用.

1.2 教学过程

活动1 创设情境 引入新课

(1)演示实验：将电磁炉的面板去掉，接通电源，将串有发光二极管的闭合线圈靠近电磁炉，看到发光二极管亮起来.

(2)问题1：为什么二极管会亮起来?(引导学生回顾产生感应电流的条件)

(3)问题2：如果将不锈钢盘子靠近电磁炉，是不是也会产生感应电流?你怎么知道有感应电流产生?(通过盘子产生热量的现象，知道有感应电流产生)

活动2:寻找成因 认识涡流

(1)多媒体展示：处在磁场中的盘子由无数个闭合线圈组合起来.

(2)分析：每个闭合线圈在磁场中产生感应电流方向都相同，如同水中的旋涡一样，这种感应电流叫做涡旋电流，简称涡流.

(3)原理解释：引导学生解释生活中电磁炉对铁锅中食物加热的原理.

活动3:利用插图 了解应用

(1)利用教材插图如图1所示，了解真空冶炼炉的构造.

图1 真空冶炼炉

(2)问题1：真空冶炼炉的工作原理是什么?有什么好处?

活动4:实验演示 体会阻尼

(1)演示实验：介绍装置，如图2所示，实验时，没有磁铁，让阻尼摆作自由摆动，可观察到阻尼摆经过相当长的时间才停下来.当阻尼摆在两磁极间前后摆动时，阻尼摆会迅速停下来.

(2)问题1： 磁铁会不会吸引铝摆?

(3)问题2： 铝摆为什么会那么快停下来?

(4)知识迁移：通过回顾知识，闭合线圈在磁场中运动，产生感应电流，会使处在磁场中的这部分线圈受到安培力，安培力会阻碍线圈的相对运动.引导学生认识铝摆上产生涡流，受到安培力，阻碍铝摆的运动.从而定义出电磁阻尼.

图2 实验装置

活动5:分组实验 体验阻尼 了解应用

(1)分组实验：每两位学生一个阻尼摆，一个磁电式仪表线圈.让学生自己动手感受体验电磁阻尼.

(2)问题1：我们如果换上同样外形的塑料摆，是不是也很快停下来?(让学生对电磁阻尼有感性认识)

(3)问题2：通过大家观察磁电式仪表的线圈，线圈是绕在铝框上的，那可不可以把线圈绕在更便宜、更轻的塑料框上?

(4)理论分析：由于铝框转动时其中有感应电流，铝框受到安培力，由于电磁阻尼，使铝框很快稳定下来，从而带动指针稳定在某读数.但是塑料框不能产生感应电流，没有电磁阻尼，无法迅速稳定.

活动6:实验体会 电磁驱动

(1)问题1：利用刚才的铝摆，我们能不能不接触铝摆，通过磁铁让它摆动?

(2)演示实验如图3所示，转动磁铁，观察铝框的运动，怎么解释铝框的运动?

图3 演示实验

(3)引导学生分析，这种现象类似于电磁阻尼的原理，安培力阻碍相对运动，但是此时安培力驱动铝框随磁铁一起运动.从而了解电磁驱动现象.

(4)简单介绍：交流感应电动机利用电磁驱动的作用原理.

活动7:找钥匙游戏

(1)找钥匙游戏，请一位学生将金属钥匙随意放身上，老师手拿金属探测仪，可以迅速找到钥匙的位置.

(2)原因分析：探测仪中发出变化的磁场，会使探测的金属中感应出涡流，涡流的磁场反过来影响探测仪，从而找出金属钥匙的位置.

1.3 教学反思

本次教学实践采用电磁炉引入新课，看似非常简单，却贴近生活，能够激发学生学习兴趣，但是电磁炉的构造包括工作原理相对比较复杂，不利于学生的认知过程.笔者甚至发现有教师采用铝板在电磁炉上加热的实验，由于铝的磁导率很小，事实上铝制品在电磁炉上无法正常加热.所以应该引入更简短，并能激发学生兴趣的实验.在涡流成因上，本次教学实践采用多媒体展示将铁盘分成无数个闭合线圈，体现了感应电流成因的知识迁移，但是全程学生参与度和思考度不够，而且教材是以块状物体体现的涡流为例.同时在本次实践中，学生缺乏体验、探究对影响涡流大小因素的认知过程,以及在真空冶炼炉和电磁炉中为什么采用高频交流电源也没有体现.而且在大量解释涡流的应用中，缺乏真实的实验或视频，甚至没有涉及涡流危害性的防止，物理研究的科学性、全面性不够.在电磁阻尼和电磁驱动现象中利用传统的电磁阻尼教学装置，能比较好地说明电磁阻尼，但是利用此装置做电磁驱动实验效果并不好，而且学生观察效果也不好.在学生核心素养的培养中,该课例只达到了科学思维的基本要求,没有建立科学观念，没有体现科学探究,更没有让学生的科学态度和责任得到提升.

2 第二次教学实践

2.1 教学过程

活动1:影片片段 激发悬疑

(1)视频播放:学生观看地雷战影片片段如图4所示.

图4 探雷器

(2)问题：片段中日本工兵的探雷器是利用什么原理探出地雷?我们又是用什么办法让他们探不出来，还把敌人炸死.

设计意图：通过简短的影视片段，激发学生爱国情绪，并激发学生学习兴趣，培养学生科学态度与责任，引入本节学习的课题.

活动2:对比试验 体会区别

(1)通过自制演示装置如图5所示，让学生观察在两个相同线圈中通入相同的交变电流，线圈内放两支完全相同的试管，试管内放入等量的水，其中有一支试管中放入小铁柱，通过摄像头展示在大屏幕上，如图6所示，放有小铁柱的试管内的水很快会沸腾.

图5 自制演示装置

图6 屏幕上显示演示实验

(2)问题：线圈对试管中的水加热效果应该是一样的，那使试管中的水沸腾的热量主要从哪里来?(看出区别，热量不仅来自线圈的热传递，学生会联想到感应电流)

设计意图：通过对比实验，让学生能知道热量应该来自小铁柱，让学生意识到金属块状物体上产生感应电流，培养学生科学推理和能量观念.

活动3:分析成因 引入概念

(1)教师在黑板上画出小铁柱模型.

(2)问题1：要产生感应电流，必须要闭合回路，在这个小铁柱的横截面上，有没有一圈一圈的闭合回路?(引导学生思考并在横截面上找出闭合回路)

(3)问题2：线圈中通入交变电流，产生变化磁场.小铁柱放入变化磁场，每个闭合回路中磁通量都有变化，小铁柱横截面上的感应电流画出来像什么形状?

设计意图：本环节是这堂课的重点，采用渐进式的问题引导和思考，通过知识迁移的方法，减小思维难度，培养学生模型建构的能力，认识涡流的科学本质.

活动4:猜想因素 实验验证

(1)引导学生猜想涡流大小和什么因素有关，如图7所示，通过利用变频电源实验验证学生的猜想.

图7 变频电源

(2)问题1：那怎样能让小铁柱中的涡流更大?

(3)学生猜测的可能因素：改变导体大小;换用电阻率比较小的材料;改变通入线圈中交流电的频率;改变线圈的匝数等.

(4)引导学生理论解释这些因素影响涡流大小的原因.并通过变频电源将50 Hz的交变电流转换成频率为200 Hz的交变电流输入线圈，实验验证改变通入线圈中交流电的频率对涡流大小的影响.

设计意图：本环节是这堂课的难点和创新之处，培养学生科学探究和科学论证的能力，通过创新使用变频电源实验能让学生直观了解改变交变电流频率对涡流的影响，并且为下面电磁炉和真空冶炼炉的原理解释做好了铺垫.

活动5:了解涡流热效应的应用

(1)涡流可以产生热量，日常生活中有什么东西是利用涡流来加热的?(电磁炉以及内部线圈展示,如图8所示)

图8 电磁炉内线圈

(2)引导学生分析电磁炉是如何加热食物的原理，并提问如果要使食物更快得烧熟，通入线圈的电流频率是高一些还是低一些?(了解电磁炉快速加热食物，需要交变电流频率升高)

(3)问题：真空冶炼炉的工作原理是什么?有什么好处?为什么采用高频电源?

(4)视频展示涡流加热过程.

活动6:了解探测器 解释影片悬疑

(1)老师手拿金属探测器，和学生做找钥匙游戏，并引导学生思考为什么有金属它会响起来?(并做原因分析)

(2)问题1：那我们回到刚才上课前的影片片段中的问题，日本工兵的探雷器是用什么原理探出地雷的?

(3)问题2：如果我们做为抗日战士的话，可以利用什么办法让它探不出来，还把敌人炸死.(学生讨论)

设计意图：引导学生运用所学的知识去分析解释大量生活生产中的电磁感应现象，以及列举如电磁炉、金属冶炼炉、金属探测器等与现代科技联系很密切的内容来激发学生的兴趣和好奇心.充分彰显物理学科的魅力，通过解释影片悬疑，互相呼应，学以致用，培养学生的科学思维和科学态度与责任的素养.

活动7:全面认识 防止涡流

(1)问题1：变压器的线圈绕在铁芯上，主要是为了增大磁感应强度，硅钢片变压器铁芯如图9所示.但是线圈通入交变电流，铁芯会产生涡流，铁芯会发热，浪费能量，还有可能损坏电器，怎么减小涡流?(学生讨论)

图9 硅钢片变压器铁芯

(2)问题2：我们常用的变压器频率为50 Hz，是不变的.所以我们主要是增大铁芯电阻，那怎么做可以增大铁芯电阻?

(3)问题3：铁芯的材料常用硅钢，它的电阻率比较大.为了增大铁芯电阻，我们还可以怎么做呢?

设计意图：通过对变压器铁芯构成的讨论和分析，设计问题串，加深对涡流影响因素的了解，而且知道涡流不仅可以应用有时也需防止，培养学生科学推理和用辩证唯物主义的观点认识问题的科学素养.

活动8:实验探究 体会阻尼

(1)自制简易铝盘，演示电磁阻尼实验，如图10所示.

图10 电磁阻尼实验

(2)问题1：拿着磁铁靠近它，不接触，铝盘很快就停下来了，你觉得现在主要是受到什么力的作用?

(3)问题2：使处在磁场中的铝盘受到安培力.那铝盘受到的安培力是动力还是阻力?

(4)分组实验：每两位学生一个阻尼摆，一个磁电式仪表线圈.让学生自己动手体验电磁阻尼.

(5)问题3：我们如果换上同样外形的塑料摆，是不是也很快停下来?(让学生对电磁阻尼有感性认识)

(6)问题4：通过大家观察磁电式仪表的线圈，线圈是绕在铝框上的，那可不可以把线圈绕在更便宜、更轻的塑料框上?

设计意图：通过自制简易铝盘实验和电表内部机构图片，能让学生更清楚直观地观察到电磁阻尼的现象.并且学生通过亲身体验有了更感性的认识.

活动9:电磁驱动及应用

(1)问题1：有没有办法使磁铁不接触铝盘，而让这个铝盘摆动起来?

(2)问题2：铝盘摆动受到的安培力是动力还是阻力?

(3)实验演示教材中的实验，电动机应用原理解释.

设计意图：通过自制简易铝盘实验和电动机原理分析，理论解释生活中的物品，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念.

2.2 教学反思

核心素养的培养不是口号,而是要创设情境,通过学生参与活动，让学生感受、体验与内化.第二次实践是以物理实验为主线，以学生为中心，以培养学生核心素养为目标.利用物理实验贯穿整个教学过程，在实验中，有高端的实验仪器，有自制实验仪器，也有随手拿来的小物件，又与生活生产紧密联系，彰显了物理学科的魅力.教学过程中，通过视频、实验、探究、思考、分析，逐步培养学生的物理核心素养.