基于科学探究素养的高中物理教学设计——以人教版“电磁感应现象及应用”为例

王永强

(甘谷县第二中学 甘肃 天水 741200)

1 引言

《普通高中物理课程标准》(2017年版2020年修订)指出高中物理核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面.其中科学探究素养主要包括问题、证据、解释、交流等4个要素[1].本文根据科学探究素养的4个要素,将整个教学过程按照4个要素进行融合,充分体现新课标倡导的教学理念,教师作为帮助学生学习的主导者,教学的每一个环节始终以学生为主体,在教学实践中逐渐培养学生的科学探究素养.下面以高中物理人教版“电磁感应现象及应用”为例进行阐述.

2 教材和学情分析

“电磁感应现象及应用”是高中物理必修第三册的内容.本节主要包括3部分,电磁感应现象发现的历史概述、探究产生感应电流的条件以及电磁感应的应用.课程标准的要求是:通过实验,了解电磁感应现象,了解产生感应电流的条件,知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响[2].

前两节学生已经学习了磁感应强度和磁通量的概念,对磁通量的有无以及是否变化比较熟悉.初中还学了切割磁感线能产生感应电流.学生对产生感应电流的一般条件认识不充分.学生对实验现象背后的本质不易发现,归纳实验共同特征时课堂容易发散,教师要适时地进行引导.

3 教学目标

3.1 物理观念

了解电磁感应现象曲折的发现过程,学习法拉第坚持理想信念、勇于探索的科学精神.

3.2 科学思维

培养学生观察、分析、比较、推理和归纳总结科学规律的能力.

3.3 科学探究

(1)明确提出需要探究的问题,设计实验方案得到证据,解释感应电流产生的条件,并与其他探究小组交流得到的结论;

(2)通过探究过程,体会科学探究的4个要素.

3.4 科学态度与责任

(1)知道电磁感应现象的应用及其对现代社会的影响;

(2)了解生活中与电磁感应有关的应用,尝试解释工作原理.

4 教学重点、难点

重点：引导学生通过探究实验,归纳总结出产生感应电流的一般条件.

难点：如何设计、模仿法拉第电磁感应实验,通过观察和分析,将初中所学的产生感应电流的条件提升为磁通量的变化,并对初中所学的条件进行补充和解释[2].

5 教学过程

5.1 教学前测

【题目】如图1所示,虚线MN左侧存在垂直于纸面的匀强磁场,闭合线框位于纸面内,线框由位置Ⅰ沿直线运动到位置Ⅱ的过程中,穿过线框的磁通量( )

图1 线框进入磁场示意图

A.一直变小 B.一直变大

C.先变大后变小 D.先变小后变大

5.2 复习导入

1820年,丹麦物理学家奥斯特发现,通电导线能使下方的小磁针发生偏转.

【教师活动】引导学生思考:奥斯特的实验说明了什么?

生:电流能产生磁场.

师:人们根据对称性思想:既然电流能产生磁场,那磁场应该也能产生电流.“磁怎样才能生电呢”?很多科学家为此做了大量的研究和实验.其中有一位科学家,坚信磁一定能生电,并为此进行了长达10年的探索,他进行了很多次尝试,经历了一次又一次的失败,最终于1831年发现了磁生电现象.他就是英国物理学家法拉第.

设计意图：用法拉第坚持理想信念、勇于探索的科学精神,鼓舞学生.

【学生活动】阅读教材117页“法拉第与电气化时代”[3],了解法拉第和电磁感应现象发现的历史背景.

设计意图：通过阅读教材,培养学生获取信息、提升自主学习的能力[4].

【教师活动】展示法拉第当时所用线圈的图片.他把两个线圈绕在一个铁环上,一个线圈接电源,另一个线圈接“检测电流的装置”.当给一个线圈通电或断电的瞬间,在另一个线圈上出现了电流.

师:电磁感应的发现不仅对物理学和现代技术的发展做出了划时代的贡献,对整个现代文明的发展也有着深刻的影响,使人们的生产和生活进入了电气化时代.可以说这是“划时代的发现”.

5.3 划时代的发现

1831年,法拉第发现了“磁生电”现象,称为电磁感应,产生的电流叫做感应电流.

师:在学习初中物理时产生感应电流的条件是什么?

生:导体切割磁感线.

5.4 引发认知冲突——闭合线圈切割磁感线无感应电流

师:是不是切割了磁感线就一定能产生感应电流呢?

【学生活动】观察实验现象,如图2所示.

师:这是一个电磁铁,中间区域可以近似看作是匀强磁场.刚才的实验可以简化为如图3所示,这是一个示意图.

问题串：(1)线圈从1位置到2位置,或从3位置到4位置,切割磁感线了吗?有感应电流吗?

(2)线圈从2位置到3位置,切割磁感线了吗?有感应电流吗?

(3)实验现象说明了什么?

生:切割磁感线有时能产生电流,有时不能产生电流.

5.5 科学探究素养的第一个要素——问题

那产生感应电流的条件究竟是什么呢?今天我们通过实验一起来详细的探究.

5.6 科学探究素养的第二个要素——证据

实验一：导体切割磁感线运动,如图4所示.

图4 导体切割磁感线运动实验装置

【学生活动】观察实验现象,结合动画演示观察导体右侧“×”的数量,如图5所示.问什么发生变化了?

图5 导体切割磁感线示意图

实验二：磁场相对螺线管运动,如图6所示.

图6 磁场相对螺线管运动实验装置

【教师活动】展示动画分析,如图7所示.仔细观察通过螺线管的“→”数量,问什么发生变化了?

图7 插入、拔出螺线管示意图

实验三：模拟法拉第电磁感应实验,实验装置如图8所示.

师:直径较小的A线圈,放入直径较大的B线圈中,A线圈和电源、滑动变阻器接通,B线圈和灵敏电流计形成回路.

【学生活动】观察实验,记录现象.

当开关闭合或断开的瞬间,指针摆动,表明产生了感应电流.

闭合开关后,当线圈A中电流不变时,电流表指针不动,B中无感应电流.

移动滑动变阻器的滑片,A中电流变化,伴随着线圈A产生的磁场变化,如图9所示[3].电流表指针摆动,表明线圈B中有感应电流.

图9 线圈A中电流产生的磁场变化示意图

【师生活动】引导学生进一步分析:当穿过线圈B的磁场变化时,能否产生感应电流.

师:以上3个实验,变化的共同点是什么?

生:直观地看,磁感线的数量增多或减少了.

【师生活动】教师引导学生,归纳总结:共同点是穿过闭合电路的磁感线条数变了,就有感应电流产生.

师:穿过闭合电路的磁感线条数,用物理语言描述就是磁通量.

【板书】产生感应电流的条件

当穿过闭合电路的磁通量发生变化时,闭合电路中就产生感应电流.

5.7 科学探究素养的第三个要素——解释

【学生活动】解释课前的实验,如图3所示.

问题串：线圈从1到2、3到4的过程中有感应电流吗?为什么?从2到3的过程切割磁感线了吗?为什么没有感应电流?

5.8 科学探究素养的第四个要素——交流

小组交流:学生对初中所学的产生感应电流的条件进行补充,得到一般性结论,然后小组间进行交流.

初高中衔接:只有引起磁通量变化的切割运动才会产生感应电流.

5.9 电磁感应现象的应用

【教师活动】展示实验室的手摇发电机,介绍发电的原理是闭合线圈在磁场中转动时,磁通量发生变化,从而产生感应电流.

师:利用电磁感应原理的还有变压器、手机充电器、电磁炉、金属探测仪和无线充电技术等,如图10所示.

设计意图：引导学生了解生活中与电磁感应有关的应用及其对现代社会的影响,开阔学生眼界,激发学生的求知欲,渗透科学态度与责任素养,为他们的发展打好基础.

5.10 趣味实验

【教师活动】展示摇绳发电的视频.操场上两名学生摇绳,绳子是由多根导线制成的,导线两端与电流表连接,形成闭合回路.摇绳时电流表指针摆动,请说明原因?

展示无线传输的视频.两个线圈可以传递、放大声音信号,传输声音信号的原理是什么?

【学生活动】尝试解释两个现象的原理.

生:切割地磁场引起磁通量的变化.

音频输出时,变化的电流产生变化的磁场,由于电磁感应,在接有音箱的线圈内产生了感应电流,从而传递了声音.

5.11 课堂练习

【练习】如图11所示,竖直放置的长直导线通有恒定电流,有一矩形线框与导线在同一平面内,在下列情况中线框产生感应电流的是( )

图11 导线、线框模型

A.导线中的电流变大

B.线框向右平动

C.线框向下平动

D.线框以AB边为轴转动

5.12 科学趣闻

【学生活动】学完电磁感应,还有一件关于法拉第的科学趣闻.请同学们阅读教材116页“电磁感应现象的应用”第一段[3].

设计意图：让学生重温科学的力量,在科学研究中,小小的发明可能是改变世界的“巨人”.

【教师活动】展示三峡电站的部分图片.

21世纪初,我国建成了世界上最大的水利发电工程——三峡电站.2020年6月,34台发电机组全部并网发电,实现了首次全开运行,每日发电量将近4亿千瓦时,足够点亮半个中国.

设计意图：介绍我国的成就,激发学生的爱国热情,增强民族自豪感.

师:由于法拉第的伟大贡献,他被尊称为“电学之父”.电磁感应现象开辟了人类社会的电气化时代,已经成为当今社会不可或缺的一项技术.如果今天还有人问这有什么用?相信同学们都可以给她满意的答案!

设计意图：对本节内容进行升华,渗透科学态度与责任方面的素养,让学生逐渐形成可持续发展的观念.

5.13 课堂小结和板书设计

1.划时代的发现

1831年,法拉第发现了“磁生电”现象,称为电磁感应,产生的电流叫做感应电流.

2.产生感应电流的条件

当穿过闭合电路的磁通量发生变化时,闭合电路中就产生感应电流.

5.14 课后作业设计

查阅相关资料,了解电磁炉的工作原理.

学生之间交流为什么电磁炉要用铁锅而不用铝锅?

设计意图：物理来源于生活,了解生活中与电磁感应有关的应用,尝试解释工作原理.将学到的物理方法和规律运用到日常生活中,体会物理与生活的紧密联系性.

6 教学反思

6.1 成功之处

(1)教学前测能使学生快速进入学习状态.通过阅读教材内容,感受科学家的人格魅力,同时提高学生获取信息的能力.介绍探索磁生电的艰难历程后,鼓舞学生坚持理想信念、树立勇于探索的科学精神,进行了科学态度教育.

(2)利用“闭合线圈切割磁感线无感应电流的实验”引发认知冲突,激发学生强烈的求知欲和好奇心.围绕探究的核心问题,适时抛出问题串,引领学生向探究的核心进阶.

(3)学生整体参与度高,始终体现学生的主体地位.借助多媒体动画演示,将抽象的磁通量显化为磁感线的条数是本节课的一点创新.帮助学生发现了3个实验的共同特征,使学生体会到成功的喜悦和探究的乐趣.利用学习小组的优势,总结并交流了得出的结论.

6.2 不足之处

(1)没有大胆地放开让学生设计实验方案去探究,不利于发展学生的发散思维和创新精神.学生的探究活动偏向于被动,今后教学中应鼓励学生多尝试设计.在教学实践中仍有一部分学生参与度低,在以后的教学中,可以通过定向问答的形式增加互动机会.

(2)在得出一般结论遇到障碍时,为了完成本节课的教学任务,急于求成,引导不足,给学生留的讨论时间不够充分.

(3)本节实验内容较多,在体现学生主体地位的同时课堂比较发散,时间安排不易控制.很多学生对观察到的实验现象不能用准确的物理语言描述,不利于学生形成系统的物理观念.

以上几点不足在今后的教学中加以克服.