基于核心素养的“楞次定律”实验创新与教学设计

代 伟 黎 蕊 张 奕 母志远

（西华师范大学物理与空间科学学院，四川 南充 637002）

1 引言

高中物理实验主要包括“演示实验”、“学生分组实验”、“课后活动实验”几种形式.在高中物理教学中教师可分别从这三种不同形式的物理实验教学中去培养学生物理核心素养.在演示实验教学中可以巧妙选择实验对象，培养学生物理观念；通过直观展现实验现象、创设生动实验情景、递进设置实验问题培养学生科学思维素养；通过师生共同构建实验模式，培养学生实验探究素养；创新使用实验器材培养学生科学态度与责任素养等教学策略.在学生分组实验中教师可以让学生亲身体验实验探究过程，培养物理基本观念；迁移使用实验内容、鼓励实验优化创新，培养学生科学思维；通过合理编排实验探究内容，培养学生实验探究素养；注重关注实验反思、善用分组实验方式培养学生科学态度与责任素养.在课后活动实验方面可以让学生重视“课后实验”，善用实验巩固核心知识；体验课后实验探究，培养学生科学思维；建立家庭物理实验室，创造物理学习空间；注重物理与生活紧密联系，渗透“STSE”理念等实验教学策略进而发展学生物理核心素养.

2 基于核心素养的“楞次定律”创新实验教学设计

2.1 “楞次定律”内容分析

楞次定律选自人教版选修3- 2第4章电磁感应第三节的内容，本节课是在学生认识电磁感应现象和探究了感应电流的产生条件之后安排的.楞次定律的学习既是对前面所学内容的进一步深入探索，同时也与后面的法拉第电磁感应定律紧密相连，本节内容为学生后面的学习奠定了基础.

楞次定律是高中物理电磁学教学的重点内容，通过课堂观察和与教师学生的交谈得知，本节课对学生来说难度较大.楞次定律所牵扯的物理规律和物理知识较多，学生往往只能记住楞次定律的内容但却无法灵活的进行应用.究其原因是学生没有亲身体验楞次定律的产生过程.因此为了突破这个学习重点与难点，教学设计考虑通过学生分组进行实验探究的方式，借助创新自制教具探究楞次定律的产生过程.将物理规律复杂的变化过程转化为直观的实验现象，帮助学生对核心知识的理解与应用.

2.2 学生学习“楞次定律”前的学情分析

从学生主体性角度来看，高二学生经过一年的物理学习后已经具备一定的实验观察能力与实验操作能力，能分组完成有一定难度的探究实验.从学生已学知识和经验角度来看，学生在本节课之前已经学习过电磁感应现象并经历过感应电流产生条件的探究过程.为本节课楞次定律的学习与实验探究打下了一定的基础.物理核心素养要求学生具有一定的实验探究能力，培养创新思维和科学态度与责任素养.因此本节课的创新实验教学设计将通过带领学生亲身体验实验探究过程，培养学生物理核心素养.本节课的创新实验教学设计思路为：通过演示实验创设情景、质疑设问、确定主题；通过分组实验、利用创新自制教具合作探究、理解楞次定律产生过程；交流信息、探讨结论、得出楞次定律；借助自制教具拓展延伸、推广应用、落实效果.

2.3 课前引入演示实验教学设计

课前引入演示实验装置如图1所示，演示实验装置为一电磁炮，电磁炮由线圈，铁芯，铝环构成.课前先播放电磁炮的视频，然后用自制的教具进行演示，当接通电磁炮电源时学生会看到套在电磁炮铁芯上的闭口铝环会被高高弹起，而开口铝环则不能.通过课前视频和自制教具演示激发学生学习兴趣，引导学生思考电磁炮的工作原理是什么？为什么只有闭口的铝环才能被弹起？通过演示实验创设情景、质疑设问、确定主题让学生带着问题进入新课学习，充分调动学生的主观能动性，培养学生物理观念、观察能力和科学思维能力.

图1 电磁炮

2.4 利用创新自制教具探究闭合线圈感应电流方向

探究闭合线圈中感应电流的方向的创新实验教学设计思路如图2所示.

图2 探究闭合线圈感应电流方向教学设计思路

为了在学生分组实验中帮助学生亲身体验实验探究过程，培养物理基本观念，分组探究的创新实验自制教具如图3所示.教具包括用有机玻璃做成的平板小车，一个固定有磁铁的支架，一个可以放置在小车上的闭合线圈，一个圆柱形强力磁铁.教具使用方法是首先将固定有磁铁的支架放在小车上，根据磁铁的方向可以判断当圆柱形磁铁靠近小车上的磁铁支架时，依据磁极同名相斥，异名相吸的原理，小车会被圆柱形磁铁推开或吸拢.把闭合线圈放在小车上也会发生同样的情况，这说明磁铁支架和闭合线圈所起的作用效果是相同的.为此可以判断出线圈中感应电流产生的磁场方向，知道了线圈中感应电流的磁场方向后根据线圈的缠绕方向，依据右手螺旋定则就可以判断出线圈中感应电流的方向.借助此教具老师通过合理编排实验探究内容，培养学生实验探究素养，所以利用自制教具可让学生进行以下探究.

图3 探究线圈中感应电流方向自制教具

任务1：分别进行四组实验，在表1中记录线圈的受力情况.

表1 利用自制教具分组探究线圈的受力情况，等效磁铁的磁极

任务2：根据线圈受力情况，将线圈的等效磁铁的磁极标在图中相应位置.

任务3：根据磁铁磁极在磁感线上用箭头标出两磁场的方向.

利用分组实验方式培养学生科学态度与责任素养，通过分组探究实验老师引导学生总结得出.

图4

楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场，总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.

2.5 利用创新自制教具“楞次定律演示仪”判断闭合线圈中感应电流的方向

多年来楞次定律实验一直使用灵敏电流计或检流计来显示感应电流的方向，但由于电表结构是密闭的，感应电流的方向显示不直观.为此利用创新自制教具“楞次定律演示仪”判断闭合线圈中感应电流的方向.演示仪如图5所示，教具由发光二极管和闭合线圈以及圆柱形强力磁铁组成.发光二极管与电流的关系如图6所示，通过观察二极管的发光情况可判断出线圈中感应电流的方向（表2），通过创新教具提高学生灵活运用知识的能力，培养学生的创新意识.

表2 探究闭合线圈感应电流方向规律实验记录表

图5 楞次定律演示仪

图6 发光二极管与电流的关系图

通过实验师生共同总结出利用楞次定律判断感应电流方向的基本思路：

图7

设计意图：利用自制“楞次定律演示仪”来判断线圈中感应电流的方向实验现象明显、直观，方便学生观察，教具具有启发性.实验记录表只有“原磁场的方向”、“磁通量的变化”和“感应电流的方向”三个物理量，这样的探究过程比较符合学生的认知规律，通过探究学生获得了必要的感性认识，也学会了实验探究的一般方法，这对培养学生的科学思维能力，提升学生的物理核心素养能起到很好的示范作用.

3 学以致用，解释跳楼机、电磁炮的工作原理

教师通过迁移使用实验内容，进行实验优化创新，培养学生科学思维.依据楞次定律自制的跳楼机如图8所示，在有机玻璃管内每相隔20 cm固定一个圆柱形磁铁，管长大约1 m.在线圈骨架上缠绕线圈构成跳环，线圈与反向并联的红、黄二极管串联构成闭合回路.将跳环套在有机玻璃管上，跳环下落时学生会观察到当其下落到靠近和离开磁铁位置时跳环小落会受到阻碍，同时还观察到跳环靠近磁铁时红灯亮，离开时绿灯亮，让学生课后思考跳楼机的工作原理，巩固所学楞次定律的知识，培养学生从生活走向物理，从物理走向社会.

图8 跳楼机

课后反思课前演示的电磁炮中用到的物理知识，图9为课前演示实验电磁炮的原理示意图.通过楞次定律可知当电磁炮电源接通瞬间原线圈中的磁通量突然增大，套在电磁炮铁芯上的闭合铝环在这个磁场的作用下就会产生感应电流，感应电流产生的磁场与原磁场相互排斥，闭合铝环在排斥力的作用下就被高高弹起.开口铝环由于电流形不成通路也就形不成感应磁场，所以不能产生排斥力.通过课后反思巩固所学，加深理解，深刻领会物理知识的重要，提高学生物理核心素养.

图9 电磁炮

4 结束语

物理是一门以实验为基础的自然学科，学习方法上以实验探究为主.实验探究不仅是学生学习和掌握物理知识的，也是学生物理学习的重要内容.本文通过创新的自制教具对楞次定律教学设计进行了创新，教学设计着眼于对学生创造性思维能力的培养，充分调动学生的学习热情.通过实践发现在中学物理教学中教师可以通过自制实验器材，营造“鲜活、灵动、激趣、励志”的教学氛围，从而有效培养和提升学生的物理学科核心素养.