基于核心素养的高中物理教学设计探讨——以“楞次定律”为例

张国泉

(南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003)

物理学科的核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”四个方面。如果我们的课堂是填鸭式的，仅有教师的讲授，缺失学习者的主动参与和建构，很难真正将上述核心素养的培养落到实处。因为一步到位直接给出结论的教学，无法使学生深入理解所学的知识，也谈不上真正掌握。这样的教学更是有悖于科学的本质，因为科学讲究证据，避免偏见。若长此以往，将使学生对科学形成错误的认知，认为科学发展总是一帆风顺的，甚至会以偏概全，不利于核心素养的培养。著名数学家波利亚说：“在教一个科学的分支(或一个理论、一个概念)时，我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那最关键的步子。”因此作为教师最该做的不是急于将知识直接交给学生，而是要回溯到它产生时的原始状态，引导学生去经历知识的发生过程，即以学科知识为载体，以学习者为中心，开展合作交流、问题讨论等学习活动。当知识成为学生探究与实践对象的时候，其学习过程必将是核心素养发展的过程。基于以上的认识，笔者针对“楞次定律”的教学，设计了如图1所示的流程，具体可分为6个环节，现阐述每一个环节的设计意图以及具体操作，与同行交流。

图1

1 观察现象，科学猜想

杨振宁先生说：“绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。”因此创设相关情境，使学生观察后有所关注、有所联想，从而发现、提出物理问题。笔者先进行实验演示，用磁铁的不同磁极插入或拔出左侧线圈(图2)，并设计了以下问题。

图2

问题1：你观察到了那些现象？这些现象说明了什么？

设计意图：使学生通过观察发现：实验中不仅产生了感应电流，而且不同操作引起的二极管发光情况不同，也就是说产生的感应电流方向不同，引出课题：探究感应电流方向的规律。

问题2：感应电流的方向可能与哪些因素有关？

设计意图：引导学生明了探究活动的方向和内容，科学发现中最活跃的因素是直觉、猜想与假设。猜想是形成假设的前期准备，假设起着指向作用，只有做出科学的假设，才能确立探究活动的方向和内容。

问题3：哪些因素可归纳为一个的因素？

设计意图：针对学生提出的不同猜想，进一步确定探究的方向，即影响感应电流方向的两个可能因素：磁场的方向和磁通量的变化。

2 设疑集思，设计实验

科学需要证据，这就要求学生能设计和实施实验探究方案，在实验中采集数据，进而获得证据。而采集、记录数据的方式应尽可能简单明了，有利于学生更好地基于证据找寻规律，笔者设计了以下问题。

问题4：实验中二极管的发光情况说明感应电流的方向有所不同，请设计一个实验，帮助我们更直观记录感应电流的方向。

设计意图：引导学生进一步思考，改进实验方案，引导学生借助电流计的指针偏向直观地展示感应电流的方向(图3)。

图3

问题5：如何记录感应电流的方向？

设计意图：引导学生借助干电池的正负极，运用试触的办法来确定感应电流的方向与灵敏电流计指针偏转方向的关系。

问题6：应该记录哪些信息？如何记录？

设计意图：引导学生针对方案操作和实验目的，明确应该记录的信息，并用表格的方式呈现(表1)。

表1

3 分组实验，探索研究

学科知识只是培养学生的核心素养的载体，而学科活动才是培养学生的核心素养的渠道。因此，要转变学习方式，倡导深度学习与协作学习。每4人组成一个小组，协同合作，完成实验，并提出以下问题。

问题7：小组成员协同操作并记录，讨论实验结果背后有何规律？

设计意图：通过分组实验，使得学生在探究过程中，主动与他人合作，协同完成任务并交流分享，准确表述、评估和反思实验过程和结果(表2)。

表2

问题8：请各小组派代表跟大家分享，你们组有什么发现？对小组代表的发言，其他组的同学可以提问。

设计意图：为学生提供充分表达的机会，鼓励学生准确而富有逻辑地进行表达，评估结果对实验现象的解释，并引起他人的讨论与思考，通过交流确定感应电流的特点，并初步得出结论。

4 综合分析，得出结论

在实验结果的基础上进行思考、分析，发现事物间的联系和规律，对实验现象进行必要的解释，合理地说明事物联系、变化的原因，问题设计如下。

问题9：我们猜想的因素之一为原磁场的方向，现在我们得到了感应电流的方向(顺时针或逆时针方向)，能否找到一个“中介”来进行研究？

设计意图：在处理实验信息时，要让学生依据事实、运用逻辑方法确立物理量之间的关系，从而发展学生基于已知、依据证据、运用推理、大胆创新进行科学论证和解释的能力，引导学生联想到可以借助感应电流产生的磁场来进一步研究(图4)。

图4

问题10：当磁通量增加时B感与B原反向，当磁通量减少时B感与B原同向。可否进一步归纳、描述规律？

设计意图：科学思维是对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，包括分析综合、推理论证等。要求学生能通过科学推理，形成规律性认识。

问题11：刚才这一认识是否具有普遍性呢？如何才能把它作为一条定律确定下来？

设计意图：科学态度与责任是物理学科核心素养的重要方面，要求学生在认识科学本质等的基础上，养成科学态度和社会责任。物理研究的成果具有相对持久性、普适性，同时也可能具有局限性，最终确定感应电流方向判断的规律——楞次定律(图5)。

图5

5 深入讨论，揭示本质

物质观念、运动与相互作用观念、能量观念具有关联性，因此从不同角度分析研究，建立各个物理观念间的联系，有助于进一步认识物理规律的本质，问题设计如下。

问题12：画出感应电流的产生的磁场方向，结合条形磁铁的运动，你有什么发现？

设计意图：引导学生从动力学角度分析出感应电流的磁场总是在阻碍条形磁铁与线圈间的相对运动(图6)，从而引发学生从能量角度进行进一步分析。

图6

问题13：条形磁铁总是在克服感应电流的磁场力做功，意味着能量在发生怎样的转化？

设计意图：引导学生进一步认识楞次定律的本质，即产生感应电流的过程是实现能量的转化的过程，从而形成更为深刻、准确的物理观念。

6 实践应用，总结方法

学生自主建构的知识具有很强的迁移应用的活力，通过问题的分析、解决，加深学生对所获取知识的理解，进而培养学生的高阶思维能力，设计的问题如下。

问题14：请判断图7中ab棒中的电流方向，感应电流的受到的安培力会使得ab棒速度如何变化？

图7

设计意图：让学生利用楞次定律判断感应电流方向，并进一步体会楞次定律的本质，即能量的转化，在此基础上总结出右手定则。

问题15：观察如图8所示的实验，你能否运用今天所学的楞次定律解释小磁铁在铝管中下落得较慢的现象？

图8

设计意图：通过与学生预设相冲突的实验，让学生进一步认识楞次定律中“阻碍”的涵义。

7 结语

“楞次定律”是高中物理的重要内容，上述针对这节内容的教学设计一言以蔽之：以实验为载体、问题为核心，促进学生思维的螺旋式上升，提升他们的核心素养。著名物理学家、教育家陈佳洱先生指出：“物理学不只是图表和数据，它能带给你很多更珍贵的东西：理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路。”基于物理核心素养的教学设计，是在研究课程标准和教材的基础上，确定教学目标以及教学流程，这样的教学设计将有助于教师从知识本位转向核心素养的培养，关注物理学的文化取向，实现物理课程的育人价值，把对学生核心素养的培养落到实处。