基于問題導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

劉興

[摘 要]針對楞次定律教學(xué)中存在的問題，利用問題導(dǎo)向逐步引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思維，以小組合作為載體，完成實驗探究，使學(xué)生有效經(jīng)歷科學(xué)探究過程，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、合作能力和科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]問題導(dǎo)向；學(xué)科核心素養(yǎng)；楞次定律；教學(xué)設(shè)計

[中圖分類號] G633.7 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）17-0029-03

楞次定律作為高中物理教學(xué)的難點，對教學(xué)設(shè)計的要求很高，仔細分析下來，這是培養(yǎng)高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的經(jīng)典案例。楞次定律的教學(xué)過程，可將物理觀念、科學(xué)思維和實驗探究等物理學(xué)科核心素養(yǎng)融為一體，能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出合理猜測與假設(shè)的能力。在具體教學(xué)過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)推理或通過實驗引導(dǎo)學(xué)生探究找出相關(guān)的物理規(guī)律。教材從條形磁鐵相對于螺線管運動的實驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生以“感應(yīng)電流的磁場”作為“中介”，通過填表比較，歸納出楞次定律的表述。

教材的教學(xué)安排涉及原磁場方向、磁通量的變化、靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)方向、感應(yīng)電流方向、線圈繞向等眾多物理因素，導(dǎo)致教學(xué)中出現(xiàn)實驗?zāi)康牟幻鞔_、學(xué)生思維鏈過長、教學(xué)不符合學(xué)生認知規(guī)律等問題。

為了避免出現(xiàn)以上教學(xué)問題[1]，本教學(xué)設(shè)計從物理規(guī)律研究出發(fā)，首先隱藏感應(yīng)電流，以“楞次環(huán)”來拒去留的力學(xué)現(xiàn)象，降低學(xué)生的認知負荷，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)感應(yīng)磁場的方向和原磁場的方向之間的定量關(guān)系，從而得出感應(yīng)磁場的方向，根據(jù)右手螺旋定則，由感應(yīng)磁場的方向確定感應(yīng)電流的方向，從實驗結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)感應(yīng)電流的方向和楞次環(huán)磁通量變化的關(guān)系，從而得到楞次定律的完整表述；通過學(xué)生分組實驗，完成教材上條形磁鐵相對于螺線管運動的實驗內(nèi)容，對楞次定律進行實驗驗證。整個教學(xué)過程中通過豐富有趣的演示實驗，學(xué)生分組實驗，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，通過科學(xué)思維逐漸發(fā)現(xiàn)楞次定律隱含的物理本質(zhì)，充分體現(xiàn)物理來源于生活，從現(xiàn)象提升到物理規(guī)律的教學(xué)理念，從而培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、創(chuàng)設(shè)認知沖突，激發(fā)學(xué)生的好奇心

通過磁鐵與楞次環(huán)之間的相互作用，激發(fā)學(xué)生的好奇心。楞次環(huán)也就是鋁環(huán)，鋁不屬于鐵、鈷、鎳等磁性物質(zhì)，不可能與磁鐵相互吸引，更不會出現(xiàn)排斥的現(xiàn)象。通過設(shè)置的認知沖突，學(xué)生就非?？释綄がF(xiàn)象背后的本質(zhì)，從而導(dǎo)入新課教學(xué)。具體教學(xué)過程如下：

教師：同學(xué)們，大家知道磁鐵可以吸引哪些物質(zhì)？

學(xué)生：鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質(zhì)。

（教師演示磁鐵吸引鐵磁類物體）

教師：磁鐵能不能吸引鋁質(zhì)材料？

學(xué)生：不能。

教師：我們試試看能不能吸引。演示鋁環(huán)實驗，如圖1，條形磁鐵從閉合鋁環(huán)中抽出，閉合鋁環(huán)被條形磁鐵吸引，跟著磁鐵轉(zhuǎn)動。

（若學(xué)生說：能吸引鋁質(zhì)材料，可以請學(xué)生上臺展示，細微之處，體現(xiàn)課堂教學(xué)的生成性）

看到這樣的實驗現(xiàn)象，學(xué)生的疑問自然就產(chǎn)生了，也渴望進一步學(xué)習(xí)現(xiàn)象背后的奧秘。

二、通過問題引導(dǎo)，探索隱藏的規(guī)律

楞次環(huán)實驗簡單，包含的實驗現(xiàn)象豐富，要真正利用簡潔的物理實驗，讓學(xué)生思維聚焦，探尋實驗所隱含的深層次原理。實驗中磁鐵靠近閉合鋁環(huán)，鋁環(huán)好像被排斥開，磁鐵從鋁環(huán)中抽出，鋁環(huán)好像被吸引過來，在科學(xué)引導(dǎo)下，學(xué)生能主動利用等效思想，將產(chǎn)生了環(huán)形感應(yīng)電流的閉合鋁環(huán)等效為一個小磁鐵，再結(jié)合右手螺旋定則，判斷感應(yīng)電流方向。教學(xué)過程通過問題導(dǎo)向，讓學(xué)生小組合作，運用等效思想自主構(gòu)建，體現(xiàn)出創(chuàng)新的理念。具體教學(xué)過程如下：

1.探究磁鐵與鋁環(huán)間的相互作用

教師：可能有同學(xué)會想，對鋁質(zhì)材料做成的環(huán)能吸引，對鋁質(zhì)材料不吸引，是不是這樣的呢？

（不要求學(xué)生馬上回答，只讓學(xué)生思考）

教師演示實驗：鋁環(huán)實驗，用不閉合的鋁環(huán)做。讓學(xué)生觀察實驗結(jié)果。

教師：磁鐵對鋁環(huán)是不是一定有吸引作用呢？

（讓學(xué)生思考，簡單回答是或不是，或?qū)W生不回答）

教師演示鋁環(huán)實驗，讓條形磁鐵靠近閉合鋁環(huán)，閉合鋁環(huán)好像被磁鐵排斥，遠離磁鐵。

教師：這些實驗現(xiàn)象說明了什么原理？請大家小組討論。

學(xué)生：閉合鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

通過這一系列實驗，不斷提出問題，激發(fā)學(xué)生思維，讓學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)內(nèi)容，就能自我發(fā)現(xiàn)磁鐵和鋁環(huán)之間的相互作用，本質(zhì)上是磁鐵和鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的相互作用。

教師：剛才實驗中磁鐵與鋁環(huán)之間存在相互作用，有吸引、有排斥，這里存在怎樣的規(guī)律？我們通過分組實驗（4人一小組）一起進行研究。請同學(xué)們根據(jù)表格記錄實驗結(jié)果。

表1

[序號 實驗情境 N極靠近鋁環(huán) N極遠離鋁環(huán) S極靠近鋁環(huán) S極遠離鋁環(huán) 1 實驗圖示 2 現(xiàn)象（排斥、吸引） 排斥 吸引 排斥 吸引 ]

教師：磁鐵與鋁環(huán)相互吸引、相互排斥的原因是什么？請大家小組討論。

學(xué)生：鋁環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，環(huán)形電流等效為一個小磁鐵，小磁鐵和條形磁鐵會相互吸引或者相互排斥。

教師追問：閉合鋁環(huán)中為什么會產(chǎn)生感應(yīng)電流？

學(xué)生：閉合鋁環(huán)中磁通量發(fā)生了變化。

教師：在條形磁鐵靠近或者遠離閉合鋁環(huán)的過程中，閉合鋁環(huán)的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，那么產(chǎn)生的感應(yīng)電流有什么規(guī)律呢？今天我們研究的重點就是感應(yīng)電流方向的確定。

2.探究感應(yīng)電流磁場與原磁場的關(guān)系

教師：大家能不能根據(jù)磁體和鋁環(huán)間的相互作用來判斷感應(yīng)電流的方向？例如用N極從右向左插入鋁環(huán)，如圖2所示，鋁環(huán)中感應(yīng)電流沿什么方向？

請大家小組合作，討論出判斷感應(yīng)電流方向的思路。

學(xué)生上臺展示講解：將環(huán)形電流等效為一個小磁鐵，小磁鐵的右邊為N極，左邊為S極，環(huán)形電流內(nèi)部的磁場方向為向右，通過右手螺旋定則判斷感應(yīng)電流的方向，如圖3所示。

教師：剛剛同學(xué)們回答得很好，大家有沒有直接判斷出鋁環(huán)中感應(yīng)電流的方向？

學(xué)生：沒有，先判斷出鋁環(huán)內(nèi)部的磁場方向，再根據(jù)右手螺旋定則確定感應(yīng)電流方向。

維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)理論”，強調(diào)教學(xué)應(yīng)著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，為學(xué)生提供帶有適當(dāng)難度的內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。判斷感應(yīng)電流方向并不是直接的，在科學(xué)引導(dǎo)下，學(xué)生也能發(fā)揮潛能，借助感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向這一“中介”，再通過右手螺旋定則確定感應(yīng)電流方向。

3.探究鋁環(huán)感應(yīng)電流磁場與磁通量變化的關(guān)系

根據(jù)磁鐵與閉合鋁環(huán)的相互作用，讓學(xué)生成功找到了判斷感應(yīng)電流方向的“中介”——感應(yīng)電流的磁場方向。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，如何尋找到感應(yīng)電流的磁場方向是關(guān)鍵，是解決更普遍、更深層次問題的突破點[2]。結(jié)合學(xué)生已有的認知：產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。讓學(xué)生意識到感應(yīng)電流的磁場方向與磁通量變化有必然聯(lián)系。具體教學(xué)過程如下：

教師：請大家根據(jù)我們剛剛總結(jié)的思路完成表格第二行到第五行的填空。

教師（實驗展示，一手拿住鋁環(huán)，另一手拿條形磁鐵插入、拔出）：鋁環(huán)中有沒有感應(yīng)電流？感應(yīng)電流方向怎樣判斷？

學(xué)生：有感應(yīng)電流，不好判斷感應(yīng)電流方向。

教師：我們剛剛為什么能判斷感應(yīng)電流方向？

學(xué)生：剛剛鋁環(huán)運動了，就知道感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向，這樣才能判斷感應(yīng)電流的方向。

教師：找到一個更普遍的辦法判斷感應(yīng)電流方向，關(guān)鍵是什么呢？

學(xué)生：找到感應(yīng)電流磁場的方向。

教師：感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是什么？

學(xué)生：磁通量發(fā)生變化。

教師：閉合回路的磁通量發(fā)生變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流方向的判斷跟感應(yīng)電流磁場的方向有關(guān)，所以我們接下來就要尋找磁通量變化和感應(yīng)電流磁場方向的關(guān)系。

教師：請大家完成表格第六行和第七行的填寫，小組討論，能不能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

學(xué)生：磁通量增加，感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相反；磁通量減少，感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相同。

4.引導(dǎo)提煉歸納，讓學(xué)生總結(jié)規(guī)律

波普爾認為：“有效的問題能引起學(xué)生積極的思維?！痹趧?chuàng)設(shè)的問題引導(dǎo)下，學(xué)生完成有意義的自我建構(gòu)，不斷發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后所隱藏的原理，終于得到了楞次定律的雛形：當(dāng)通過閉合鋁環(huán)的磁通量增加時，鋁環(huán)中感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相反；當(dāng)通過鋁環(huán)的磁通量減少時，鋁環(huán)中感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相同。在此基礎(chǔ)上完成進一步的抽象與提煉，讓學(xué)生思維達到更深層次。

教師：鋁環(huán)中原磁場磁通量增加，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對磁通量增加有什么影響？鋁環(huán)中原磁場磁通量減少，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對磁通量增加有什么影響？

學(xué)生：感應(yīng)電流的磁場阻礙原磁通量的變化。

教師：楞次定律內(nèi)容：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

（該規(guī)律是俄國物理學(xué)家楞次在 1834年發(fā)現(xiàn)的，人們?yōu)榱思o念他對物理學(xué)的貢獻，就把這個規(guī)律叫作楞次定律）

5.回歸教材實驗，讓學(xué)生自主驗證

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生得出楞次定律后喜悅之余也想驗證自己的成果，根據(jù)教材上設(shè)計的實驗，考慮到上課時間有限，讓學(xué)生小組合作完成條形磁鐵相對螺線管運動的實驗，用靈敏電流計檢驗理論和實驗的結(jié)果。

教師：學(xué)習(xí)了楞次定律后，我們進一步在實驗中進行研究。根據(jù)我們準(zhǔn)備的實驗器材，按照表格中設(shè)計的實驗來驗證一下，通過楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向是否正確。

三、聯(lián)系社會實踐，引導(dǎo)學(xué)生課后思考

利用圖片、動畫等形式講解楞次定律在汽車電渦流緩速器和軍事上電磁炮的運用及原理（如圖4），將物理規(guī)律應(yīng)用于實踐當(dāng)中，符合新課標(biāo)“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念。并利用趣味實驗演示電磁炮現(xiàn)象。

物理本是一門闡述世間萬物運行規(guī)律的學(xué)科，目的是解答各種疑問，幫助人們更清楚地認識世界。如果把物理僅僅變成“抽象概念、公式、難題”的結(jié)合體，則會因為艱難晦澀而被學(xué)生排斥，這無疑太可惜了。通過有趣的實驗，讓學(xué)生在深層次思維之余多一些興趣，在分析實驗原理的基礎(chǔ)上體驗成功的快樂，這樣對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)很有幫助。

演示趣味實驗——“跳環(huán)”，讓學(xué)生思考鋁環(huán)為什么會跳起來。將可拆變壓器的條形鐵軛豎直放在U 形鐵芯的一個芯柱上，再放入鋁圈（如圖5）。線圈的匝數(shù)可以是 0～1400匝（或0～800），接220V交流電流。通電，鋁圈會突然跳起。解釋：閉合開關(guān)的瞬間，穿過鋁環(huán)的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流， 環(huán)受到安培力

作用，而向上跳起。

四、小結(jié)

馬赫穆托夫認為：“問題教學(xué)是真正的發(fā)展性教學(xué)，教學(xué)過程的組織是以問題為基礎(chǔ)的，而有系統(tǒng)地解決學(xué)習(xí)性問題乃是此種教學(xué)的突出特征?！北驹O(shè)計首先通過磁鐵與楞次環(huán)之間的相互作用，引發(fā)學(xué)生認知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，通過問題層層引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流磁場是判斷感應(yīng)電流方向的重要“中介”；在實驗中繼續(xù)探究感應(yīng)電流的磁場和原磁通量變化之間關(guān)系，并總結(jié)得出楞次定律的雛形：當(dāng)閉合鋁環(huán)中的磁通量增大時，感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相反；當(dāng)閉合鋁環(huán)中的磁通量減小時，感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相同。在提煉的基礎(chǔ)上總結(jié)出楞次定律的完整表述。通過學(xué)生分組實驗，驗證楞次定律，讓學(xué)生在應(yīng)用中內(nèi)化知識。最后，讓學(xué)生在趣味實驗中認識科學(xué)與社會的聯(lián)系。教學(xué)主線就是：通過科學(xué)探究讓學(xué)生在主動思維中建構(gòu)知識，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 邢紅軍，寧成，胡揚洋.楞次定律教學(xué)的高端備課[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2013（4）：18-20.

[2] 陳慶煒，張軍朋.“楞次定律”教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計[J].物理通報，2016（8）：52-55.

（責(zé)任編輯 易志毅）