基于“楞次环”实验 培养学生科学探究能力——以楞次定律教学为例

张海军 唐安全

四川省成都市航天中学(610101) 四川省成都市龙泉驿区教育科学研究院(610101)

新课程标准中的科学探究指的是学生探究式的学习活动而非科学家的科学探究，是在教师的指导和帮助下，学生亲身经历科学工作者进行科学探究时的相似过程。楞次定律作为高中阶段最为抽象的一个物理规律，其教学长期困扰着一线物理教师。笔者通过“楞次环”实验，让学生自己动手，亲身经历科学探究的过程，取得了较好的教学效果。

1 传统教学方法的不足

传统的教学方法是通过教师演示“四组螺线管”实验来展开教学的。首先让学生观察不同磁极插入、拔出螺线管过程中灵敏电流计指针的偏转方向(见图1)，然后完成实验记录表格，最终通过表格中记录的数据归纳出楞次定律。这种做法存在两个明显的弊端。

图1 螺线管实验

1.1 需要观察的要素繁多，难以理清头绪

我们知道上述实验涉及“螺线管线圈的绕向”“电流表指针偏转方向”“原磁场方向”“感应电流的磁场方向”“磁通量的变化”等诸多要素，这诸多的信息会导致学生在观察时顾不过来，当然至于这些要素之间又有什么样的联系，学生更是很难在有限的课堂教学时间内理出头绪来，从而导致教学效果欠佳。

1.2 不利于探究学习

建构主义理论认为，学习是一个文化参与的过程，它不仅是个体对学习内容的主动加工而且需要学习者进行合作互助。探究学习要求学生要亲身经历知识的获得过程，让学生通过不断的发现问题和解决问题来学习科学探究的方法，从而形成解决问题的能力及自主学习的能力。

而传统的教学设计与安排却让学生不能亲身经历科学探究的过程，因此这不利于培养他们的科学探究能力。经多次摸索后，笔者发现用现行人教版物理选修3-2教材上习题6的“楞次环”来代替“四组螺线管”实验进行教学，效果很好。因为“楞次环”实验需要的器材简单(见图2)、容易操作且观察要素少，实验现象也较明显。通过楞次环与条形磁铁间的排斥与吸引现象可以直接判断出感应电流的磁场方向，再利用安培定则就可判断出感应电流的方向。因此，用“楞次环”代替“四组螺线管”非常有利于学生进行分组实验，适于学生进行实验探究。

图2 “楞次杯”实验

2 学生实验探究的过程

2.1 提出问题

教师先提出问题，让学生猜想。根据感应电流产生的条件我们知道，当磁铁靠近或者远离闭合的铝环A时，环中会产生感应电流。那么，感应电流的方向可能会与哪些因素有关呢？我们又该如何来判定它的方向呢？

2.2 猜想与假设

让学生尝试用不同的磁极去靠近或者远离A环，观察A环的运动情况。他们发现A环的运动情况是不一样的，学生不难想到A环中感应电流的方向也会不同，所以学生可能的猜想有：磁铁的极性、磁铁的运动方向、磁场强度的变化、磁通量的变化等因素。

要让学生的猜想转化为科学的假设，还需要教师的引导。只有做出科学的假设，才能确立探究活动的内容和方向，从而进一步探究。教师引导：磁铁的极性可视为原磁场的方向，磁铁运动的方向或磁场强度的变化可影响磁通量的变化。于是，我们假设感应电流的方向概括起来应该是可能与原磁场方向、磁通量的变化情况这两个因素有关。

2.3 分组实验、验证猜想

假设是否正确，需要通过实验验证，引导学生利用图2所示的实验装置设计出实验探究的方案，然后小组做好分工，进行实验。

2.3.1 实验方案及任务

(1)让磁铁N极靠近(远离)闭合铝环A，观察铝环A的运动情况并记录下来。

(2)标出通过铝环感应电流的磁场方向。

(3)标出感应电流的方向。

(4)记录磁通量的变化情况。

(5)让磁铁S极靠近(远离)闭合铝环A，观察铝环A的运动情况并记录下来，重复上述(2)(3)(4)实验步骤。

2.3.2 设计并完成实验记录表格

实验记录见表1。

表1 探究感应电流的方向与原磁场、磁通量变化的关系

2.4 分析论证，得出结论

学生交流讨论，从表格1中可以获得哪些信息，然后分组汇报。他们很容易就发现：感应电流的方向与原磁场的方向和磁通量的变化情况都有关。

(1)在磁通量增加的两次实验中，原磁场方向与感应电流磁场方向是相反的；在磁通量减小的两次实验中，原磁场方向与感应电流磁场方向是相同的，即“增反减同”。

(2)确定了感应电流磁场的方向就可以根据安培定则判断出感应电流的方向，感应电流方向与原磁场方向通过中间环节“感应电流磁场方向”建立起了紧密的联系。进一步引导学生梳理出“感应电流磁场方向”“感应电流方向”“磁通量的变化”三者的关系(见图3)。

图3 关系图

因此，根据这三者的关系可以总结出判断感应电流方向的方法，即：如果是由磁通量的增加引起的感应电流，则感应电流磁场的方向与原磁场反向；如果是由磁通量的减少引起的感应电流，则感应电流磁场的方向与原磁场同向。

2.5 总结升华

当磁通量增加时感应电流的磁场方向与原磁场反向，阻碍了磁通量的增加；当磁通量减少时感应电流的磁场方向与原磁场同向，则阻碍了磁通量的减少。可见，感应电流的磁场(B感)对磁通量的变化(ΔΦ)起着阻碍的作用，由此得到楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。但是仅仅从磁通量变化的角度来理解楞次定律是不完整的，我们还要引导学生从力学的角度来理解，通过表1我们发现无论哪个磁极靠近闭合铝环A，它们都是排斥的；无论哪个磁极远离A环，它们都是吸引的。可见从力学角度理解楞次定律是：安培力(感应电流的结果)阻碍了外力F的作用(产生感应电流的原因)，即“来拒去留”。当然，楞次定律也是能量守恒定律在电磁感应中的体现。因此，我们也要引导学生从能量的角度来理解，因为无论磁铁靠近或者远离闭合铝环均有外力克服安培力做了功，根据功能关系可知，一定有其他形式的能量转化为电能。所以，楞次定律“阻碍”的过程实际上就是能量转化的过程。

3 结束语

在本节课的教学中，我们将课本的演示实验设计成学生实验，又把比较繁杂的“四组螺线管”实验换成简单、直观的“楞次环”实验，于是让学生在实验中自主探究成为了可能。在这个自主探究的过程中，学生不仅深刻理解、牢固掌握了知识，而且由于突出了知识的发现过程，学生体验到了知识获得的乐趣，从而激发了他们主动探究的热情，培养了他们科学探究的能力，同时他们的核心素养也得到了提升。