基于物理核心素養(yǎng)下的學習進階的教學設計
——以“探究感應電流的產(chǎn)生條件”為例

周革潤

(北京市第一〇一中學，北京 100091)

為了體現(xiàn)高中階段學生探究產(chǎn)生感應電流條件的思維過程,幫助學生建構(gòu)和理解磁通量及磁通量變化的概念,順利完成從初中階段學生僅停留在操作層面的認識——閉合電路的部分導體做切割磁感線運動,提升到高中階段抽象歸納出本質(zhì)原因——閉合回路的磁通量發(fā)生變化.這需要應用學習進階的理論來進行教學設計,開展教學活動．在科學思維和探究方面,學生對演示實驗和學生實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行的推理論證,可以有效培養(yǎng)學生合理作出假設和猜測、獲得證據(jù)和分析證據(jù)、交流和表達科學探究結(jié)果的能力．

1 設計流程

按照學習進階的理論——事實經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合應用的5個環(huán)節(jié)來進行教學活動設計,通過學生積極參與一系列探究活動和對探究活動的思考,不斷推動和發(fā)展學生思維,讓學生將感應電流產(chǎn)生條件不僅僅單獨與磁場變化、面積變化關(guān)聯(lián)起來,而且進一步將二者同時建立關(guān)聯(lián),最后引入磁通量變化總結(jié)探究實驗的結(jié)果．具體設計流程如表1所示.

2 教學活動

2.1 教師活動1

演示實驗1:電磁爐上放一個金屬碗,導線與燈泡相連構(gòu)成閉合回路,打開電磁爐開關(guān)使其工作,將閉合回路的部分導線繞成線圈放在電磁爐上靜止不動,此時燈泡發(fā)光．

學生活動1.觀察實驗現(xiàn)象思考原因．

活動說明:通過創(chuàng)設情境引導學生觀察實驗現(xiàn)象,通過現(xiàn)象引發(fā)認知沖突,激發(fā)學生的好奇心和學習熱情,引出探究主題．學生意識到初中從切割磁感線運動判斷感應電流的產(chǎn)生條件不完善,不是普遍規(guī)律,需要修正完善,找到本質(zhì)原因．

表1 “探究感應電流的產(chǎn)生條件設計流程”

2.2 教師活動2

探究主題:產(chǎn)生感應電流的條件.

學生分組實驗1:如圖1所示,線圈、檢流計、條形磁鐵、導線兩根．

學生分組實驗2:如圖2所示,學生電源、帶鐵芯的螺線管、滑動變阻器、導線若干、開關(guān)、線圈、檢流計．

圖1 分組實驗1

圖2 分組實驗2

問題1:分組實驗1用條形磁鐵探究,分組實驗2用通電螺線管探究．探究如何操作可以產(chǎn)生感應電流,你的實驗結(jié)論是什么?

學生活動2.學生自主設計探究方案并進行實驗探究,基于實驗現(xiàn)象分析得出實驗結(jié)論．

分組實驗1:將條形磁鐵插入或者拔出大螺線管過程,或者將線圈套入條形磁鐵、線圈抽出條形磁鐵等．分組實驗2:開關(guān)閉合或斷開,在開關(guān)閉合時移動滑動變阻器改變通電螺線管的電流大小,移動通電螺線管,改變螺線管與線圈的相對位置．學生結(jié)論:無論相對運動還是變化的電流,線圈中磁場發(fā)生變化．

活動說明:本環(huán)節(jié)是讓學生完成從現(xiàn)象到本質(zhì)的思考,從導體運動進階到導體和磁場兩者相對運動,從導體和磁場的相對位置發(fā)生變化進階到線圈中磁場發(fā)生變化,從通電螺線管電流變化進階到線圈中磁場發(fā)生變化,最終與磁場變化建立關(guān)聯(lián)．

2.3 教師活動3

問題2:線圈與檢流計連接成閉合回路,閉合產(chǎn)生勻強磁場裝置的電源開關(guān),你會看到什么現(xiàn)象,為什么會出現(xiàn)這一現(xiàn)象?如果擠扁線圈,此過程線圈回路有感應電流嗎,理由是什么?

圖3 分組實驗3

問題3:線圈在磁場中切割磁感線運動就一定會有感應電流嗎?線圈在勻強磁場區(qū)域內(nèi)整體平動切割磁感線,你看到了電流計指針偏轉(zhuǎn)嗎?說明切割磁感線運動不是感應電流產(chǎn)生的根本原因,根本原因是什么發(fā)生了變化?

演示實驗2:如圖3所示,線圈與檢流計連接成閉合回路,在勻強磁場內(nèi),擠扁線圈的過程中,回路有感應電流．

學生活動3.分析論證實驗結(jié)果并觀察實驗現(xiàn)象確認．依據(jù)線圈切割磁感線運動,判斷有感應電流．通過觀察對比線圈整體平動切割實驗說明“切割磁感線”不是產(chǎn)生感應電流的本質(zhì)原因．依據(jù)實驗過程擠扁線圈,想到線圈的形狀發(fā)生改變,即回路面積發(fā)生變化．

活動說明:通過觀察磁場不變、回路面積發(fā)生變化,閉合回路產(chǎn)生感應電流,引導學生從切割磁感線運動進階到回路面積發(fā)生變化,從而將閉合回路產(chǎn)生感應電流的條件與磁場發(fā)生變化、面積發(fā)生變化兩個因素建立關(guān)聯(lián)．

2.4 教師活動4

問題4:我們用控制變量法研究了磁感應強度B變化、線圈面積S不變,以及B不變、S變化,閉合回路產(chǎn)生了感應電流,大家還想探究什么情況下,閉合回路能產(chǎn)生感應電流? 提出你的實驗方案并猜想實驗結(jié)論?

問題5:感應電流的產(chǎn)生不僅僅與回路S變化、B變化兩個因素有關(guān)聯(lián),而且應該是二者同時共同作用的結(jié)果,能找到一個物理量來兼顧這兩個因素?請用最簡潔的語言概括一下:產(chǎn)生感應電流的條件到底是什么?

問題6:閉合回路B、S都發(fā)生變化,一定有感應電流嗎?為什么?

演示實驗3:將產(chǎn)生磁場的電源開關(guān)閉合瞬間,同時把線圈擠扁,線圈中可能會有感應電流,也可能沒有感應電流．

演示實驗4:如圖4所示,將線圈套在曲面底部(該曲面是圓柱形磁鐵的某一條磁感線繞磁鐵中心軸線旋轉(zhuǎn)而形成的曲面),將線圈沿曲面向上移動,此過程中線圈內(nèi)的B變大、但S變小了,線圈中無感應電流．

圖4 演示實驗4

學生活動4.學生觀察實驗現(xiàn)象,分析歸納總結(jié)產(chǎn)生感應電流的條件．依據(jù)與B、S的變化同時有關(guān),學生猜想是閉合回路的磁通量發(fā)生變化．對演示實驗4的解釋,基于磁感線分布的立體模型理解線圈的磁通量不變,形成從磁通量變化的角度分析是否產(chǎn)生感應電流．

活動說明:推理感應電流的產(chǎn)生條件的共同特征,從個別到一般,從現(xiàn)象到本質(zhì),幫助學生意識到磁通量變化是產(chǎn)生感應電流的本質(zhì)條件．通過演示實驗B和S同時變化,但閉合回路的磁通量不變,沒有感應電流,例證結(jié)論的正確性．

2.5 教師活動5

問題7:利用實驗裝置,你還可以有哪些操作也能產(chǎn)生感應電流?

問題8:線圈放在電磁爐上,為什么線圈有感應電流?猜測一下:具有無線充電功能的手機內(nèi)部一定會有什么?這是打開手機后殼的圖片,看到了多匝銅質(zhì)線圈,現(xiàn)在能想到無線充電的原理嗎? 你能想到無線充電器內(nèi)部一定會有什么?

演示實驗5:手機無線充電過程．展示打開手機后殼的圖片,讓學生看到線圈．將手機上拆下的線圈與小燈泡連接成閉合回路,放置在無線充電器上,如圖5所示,發(fā)現(xiàn)小燈泡點亮,驗證猜想．

學生活動5.學生操作線圈在磁場中運動產(chǎn)生感應電流并分析推理實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因．根據(jù)探究結(jié)論想到線圈磁通量發(fā)生變化,電磁爐產(chǎn)生了變化磁場．學生分析手機無線充電的原理．

活動說明: 通過對實際生活中無線充電技術(shù)的逐步剖析,讓學生認識到其工作原理,充電裝置利用線圈通交變電流產(chǎn)生變化磁場,接收裝置內(nèi)置線圈因磁通量變化產(chǎn)生感應電流,體現(xiàn)知識應用和服務生活的價值,從而達到在鞏固基礎知識的同時,既落實了能力的培養(yǎng),又激發(fā)了學習與研究的興趣．

3 活動總結(jié)

(1) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要為學生的學習營造一個利于學習的“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”．在具體教學活動中,注重學生間平等民主,互動合作,自主探究,從“接受型教學”向“質(zhì)疑型

教學”轉(zhuǎn)變．本節(jié)教學設計以教學活動中的8個問題為線索,讓學習真實的發(fā)生,創(chuàng)建了一個有利于學生學習的生態(tài)環(huán)境,教師和學生活動是交互式的,幫助學生形成抽象思維,發(fā)展學生的發(fā)散思維和批判性思維．這樣學生改變以往盲目的接受型思維習慣,激發(fā)學習欲望不斷思考,在探究的過程中培養(yǎng)學生自主獲取知識和運用知識解決問題的能力,發(fā)展學生思維能力和創(chuàng)新能力,以問題、詢問為基礎的學習就屬于深度學習方式．

(2) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要培養(yǎng)學生成為擁有“主體性覺悟”的“探究者”,而不是“記憶者”．在具體教學活動中,通過探究活動的實施,讓師生成為“探究的共同體”,合作學習能夠提高學生的參與度和學習效率,陪伴學生自主學習同時關(guān)注學生學習過程和輔助學生順利實現(xiàn)學習進階．本節(jié)教學設計了5個教師和學生的活動,讓學生自主思考,積極推動學生科學思維發(fā)展,抓住學生的原有認知,通過探究實驗和演示實驗的現(xiàn)象來引發(fā)認知沖突,引導學生分析背后的原因,從具體到抽象,實現(xiàn)物理邏輯思維的連貫性和進階性．在學生活動中,不斷重復“描述實驗現(xiàn)象——總結(jié)規(guī)律——解釋原因”的科學研究的3個環(huán)節(jié),幫助學生從現(xiàn)象走向本質(zhì),如何觀察和研究現(xiàn)象,找到發(fā)生現(xiàn)象的原因．這是在發(fā)揮物理學科科學育人的功能,用科學方法來探究問題,在解決問題中理解方法,獲得知識,培養(yǎng)學生歸納和科學推理能力．學生收獲的不僅僅是知識層面,也有科學探究的方法,為學生后續(xù)學習和持續(xù)發(fā)展奠定基礎,這正是學生應具備的能夠適應終生發(fā)展需要的關(guān)鍵能力,是實實在在培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．

(3) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要重視物理實驗的設計與研發(fā)．要重視實驗研究,特別是要重視演示實驗和分組實驗在培養(yǎng)學生探究素養(yǎng)方面的價值,同時教學過程中要重視引導學生思考實驗揭示的物理原理．加強實驗研究,本節(jié)設計了5個演示實驗和學生實驗,可以改變教學方式,借助實驗幫助學生建構(gòu)概念,學會抽象思維,并能夠幫助理解規(guī)律．通過實驗將物理知識聯(lián)系生活實際,用物理視角分析生活現(xiàn)象,讓學生知道物理有用、有趣.這是加深概念和規(guī)律理解的有效方法,發(fā)展和培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．