張齊峰

摘 要：本文介紹了運(yùn)用簡(jiǎn)易自制教具定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)設(shè)計(jì)過程，改進(jìn)了教材上的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)、問題、啟發(fā)、應(yīng)用、拓展為手段，以語言、圖像、表格、代數(shù)為方式，讓學(xué)生在動(dòng)眼、動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)腦以及合作交流中，逐步發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；法拉第電磁感應(yīng)定律；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）3-0032-4

國際社會(huì)為迎接21世紀(jì)的挑戰(zhàn)，提出了“21世紀(jì)核心素養(yǎng)”的概念，并得到越來越多國家和學(xué)者的認(rèn)可。核心素養(yǎng)，是指學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格與關(guān)鍵能力，它強(qiáng)調(diào)自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，健康生活）、社會(huì)參與（責(zé)任擔(dān)當(dāng)，實(shí)踐創(chuàng)新）和文化基礎(chǔ)（人文底蘊(yùn)，科學(xué)精神）3個(gè)方面的內(nèi)容。

課堂是學(xué)生發(fā)展能力的主陣地，為了發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，筆者上了一節(jié)市級(jí)教學(xué)公開課，現(xiàn)把這節(jié)課的教學(xué)過程和設(shè)計(jì)意圖與同行分享，以期拋磚引玉。

1 教學(xué)過程

1.1 激趣引入

上課伊始，組織同學(xué)進(jìn)行趣味比賽。要求兩名同學(xué)分別操作兩臺(tái)手搖式發(fā)電機(jī)，比較誰的燈泡更亮，獲勝者予以鼓勵(lì)。

設(shè)計(jì)意圖 前蘇聯(lián)教育家蘇霍姆林斯基說過：“求知欲，好奇心——這是人的永恒的、不可改變的特性。哪里沒有求知欲，哪里便沒有學(xué)校。”有效的教學(xué)情境，可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望。讓學(xué)生在親手操作、親歷情景和親身體驗(yàn)中點(diǎn)燃探究和學(xué)習(xí)的“火把”。

1.2 猜想與假設(shè)

采訪剛才參加趣味游戲的同學(xué)，你認(rèn)為發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）大小可能與哪些因素有關(guān)？學(xué)生可能回答與磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速、線圈大小、匝數(shù)以及導(dǎo)線的粗細(xì)等有關(guān)。

教師：下面3幅圖均能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，上述因素是否是影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的最本質(zhì)的因素呢？

學(xué)生：在圖1、2和3中，由于不同時(shí)涉及轉(zhuǎn)速或線圈大小，所以轉(zhuǎn)速和線圈大小不是最本質(zhì)因素。又因?yàn)楦袘?yīng)電流產(chǎn)生的條件與磁通量的變化有關(guān)，結(jié)合發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的感受，我認(rèn)為可能與磁通量的變化、匝數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。

教師在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上總結(jié)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E可能與磁通量的變化ΔΦ、匝數(shù)n和時(shí)間Δt有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖 提倡開放性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，排除非本質(zhì)因素，得到本質(zhì)屬性，訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力和信息收集、分析與處理能力，達(dá)成核心素養(yǎng)中自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，健康生活）的部分目標(biāo)。

1.3 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

教師：我們的猜想是否正確呢？下面我們運(yùn)用控制變量法進(jìn)行定量研究。

（一）原理分析

如圖4所示，小車載著磁鐵從上滑下到進(jìn)入線圈ΔL的過程中，閉合回路的磁通量Φ增大、磁鐵速度v增大，則閉合回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E增大，靈敏電流計(jì)偏角會(huì)不斷變大。調(diào)節(jié)光電門到線圈的距離，當(dāng)靈敏電流計(jì)偏角最大時(shí)，用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)此時(shí)小車通過光電門的時(shí)間間隔Δt。改變線圈的匝數(shù)或磁鐵的條數(shù)，就改變了閉合回路的匝數(shù)n或磁通量的變化ΔΦ；改變小車下滑的距離L，就改變了時(shí)間Δt。這樣，就可以比較感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n、磁通量的變化ΔΦ和時(shí)間Δt的關(guān)系了。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理

（1）保持磁通量ΔΦ、時(shí)間Δt不變，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n的關(guān)系，如表1所示。

（2）保持Δt、匝數(shù)n不變，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通量ΔΦ的關(guān)系，如表2所示。

（3）保持磁通量ΔΦ、匝數(shù)n不變，探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與時(shí)間Δt的關(guān)系，如表3所示。

設(shè)計(jì)意圖 讓學(xué)生自己進(jìn)行組內(nèi)分工與相互合作，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、描繪圖像和得出結(jié)論，由實(shí)驗(yàn)表象向普適原理逐步過渡，主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，達(dá)到核心素養(yǎng)中的社會(huì)參與（責(zé)任承擔(dān)，實(shí)踐創(chuàng)新）的部分目標(biāo)。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

教師：1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，之后大量的科學(xué)家開始研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，最早由紐曼、韋伯各自從理論上提出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式，之后法拉第通過精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一規(guī)律。人們?yōu)榱思o(jì)念法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象方面的突出貢獻(xiàn)，就用他的名字命名了這一定律，即E= k ，k為比例系數(shù)。

在國際制單位中，因?yàn)? V=1 Wb/s，故k=1，即單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E= 。又因?yàn)閚匝線圈相當(dāng)于n個(gè)電源串聯(lián)，所以n匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=n 。

設(shè)計(jì)意圖 適時(shí)滲透情感、物理文化、思想和方法教育，避免生硬說教，同時(shí)關(guān)注學(xué)生成長(zhǎng)，達(dá)成核心素養(yǎng)中的文化基礎(chǔ)（人文底蘊(yùn)、科學(xué)基礎(chǔ)）的部分目標(biāo)。

1.5 延伸推導(dǎo)

教師：能否利用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)“導(dǎo)線切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”呢？請(qǐng)完成下列兩種情況的推導(dǎo)。

學(xué)生：（1）垂直切割時(shí)，如圖8所示，導(dǎo)體由ab勻速移動(dòng)到a1b1，Δt時(shí)間內(nèi)軌道與金屬棒所圍面積內(nèi)磁通量變化為ΔΦ=BΔs=BlvΔt。由法拉第電磁感應(yīng)定律得E=ΔΦ/Δt= BlvΔt/Δt=Blv，即垂直切割電動(dòng)勢(shì)E=Blv。

學(xué)生：（2）導(dǎo)線的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)線本身垂直，但與磁場(chǎng)方向有一個(gè)夾角θ時(shí)，如圖9所示，將速度v可以分解為垂直B和平行B的兩個(gè)分量，其中v2=vcosθ，沒有切割磁感線，不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)；與B垂直的分量v1=vsinθ，切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E=Blvsinθ。

設(shè)計(jì)意圖 通過對(duì)所學(xué)知識(shí)的合理推導(dǎo)，體驗(yàn)成功解決問題的喜悅，增進(jìn)學(xué)習(xí)物理的自信心。推導(dǎo)后，注重教師評(píng)價(jià)和同伴評(píng)價(jià)的有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)展，達(dá)成核心素養(yǎng)中的自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，健康生活）的部分目標(biāo)。

1.6 例題分析

例題1 如圖10所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一根長(zhǎng)為20 cm的導(dǎo)線以2 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向成30°角，求導(dǎo)線中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。?

例題2 勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向外，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2×10-2 T，一個(gè)直徑為20 cm、電阻為0.1 Ω的圓形線圈放在磁場(chǎng)中，線圈平面垂直磁場(chǎng)方向。在線圈某一直徑兩端用力拉線圈，如圖11所示，在0.5 s內(nèi)使線圈面積變?yōu)榱?。問：在這個(gè)過程中，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向如何？平均感應(yīng)電流有多大？

設(shè)計(jì)意圖 引導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)題設(shè)條件，從物理規(guī)律出發(fā)，通過分析、綜合和類比等，將實(shí)際問題簡(jiǎn)化為物理模型，運(yùn)用新知識(shí)解決新問題，消化、理解和反饋所學(xué)新知識(shí)。同時(shí)兩組例題對(duì)比，讓學(xué)生在反思中鞏固、深化和提高，使學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)由點(diǎn)到面、由面到體，形成合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

1.7 討論與展望

討論 電動(dòng)機(jī)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)是加強(qiáng)了電源的電流，還是阻礙了電源的電流？學(xué)生討論后發(fā)表見解，教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)得出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電源的電流方向相反，稱為反電動(dòng)勢(shì)，會(huì)阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)線圈做負(fù)功，使電能向其他形式的能轉(zhuǎn)化。

展望 電磁感應(yīng)規(guī)律在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用?？梢愿鶕?jù)此原理制造發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器等電器設(shè)備，有興趣的同學(xué)可查閱資料或預(yù)習(xí)下一節(jié)。

設(shè)計(jì)意圖 “討論”片段，讓學(xué)生運(yùn)用新知識(shí)解決舊問題，為知識(shí)安裝一個(gè)應(yīng)用“接口”，逐步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、勤于思考和發(fā)現(xiàn)問題的好習(xí)慣；“展望”片段，提出新知識(shí)、新情景，為知識(shí)安裝一個(gè)拓展“窗口”，激發(fā)學(xué)生探究新知識(shí)的欲望，以求達(dá)到核心素養(yǎng)中的自主發(fā)展和文化基礎(chǔ)的部分目標(biāo)。

2 教學(xué)反思

2.1 課前

教師需充分了解學(xué)生的認(rèn)知障礙，在教學(xué)過程中為學(xué)生設(shè)計(jì)出邏輯關(guān)系嚴(yán)謹(jǐn)、難度梯度適當(dāng)?shù)膯栴}或?qū)嶒?yàn)系列，把知識(shí)問題化，問題情境化，將學(xué)生置于問題的情境中，讓他們經(jīng)歷智力的探險(xiǎn)，收獲思維和智慧，改變只會(huì)“模仿”不會(huì)“遷移”的頑癥。

2.2 課中

通過課堂學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)和分組定量探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生身臨其境，獲得具體的直接經(jīng)驗(yàn)，得到清晰認(rèn)識(shí)。并在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，經(jīng)過學(xué)生討論、分析、推理和歸納，上升到理性認(rèn)識(shí)，形成物理概念或物理規(guī)律。

一個(gè)物理概念或物理規(guī)律可以用語言、圖表、代數(shù)或幾何等方式表達(dá)出來，而不同的學(xué)生對(duì)信息的不同表征形式有著不同的反應(yīng)。教學(xué)中需幫助他們找到最適合自己的表征形式。反過來，如果一個(gè)學(xué)生能夠以多種形式來表達(dá)同一問題，就表示他們已經(jīng)對(duì)此問題有了非常透徹的理解。

運(yùn)用物理概念或物理規(guī)律時(shí)，依據(jù)“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的教學(xué)思想，需從學(xué)生身邊的生活實(shí)例入手，突出從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，在階梯中領(lǐng)悟，在漸進(jìn)中進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生關(guān)注生活、應(yīng)用知識(shí)解決問題的熱情和能力。

2.3 課后

還應(yīng)注重各種知識(shí)間的相互聯(lián)系，從整體角度看知識(shí)結(jié)構(gòu)，將學(xué)生各方面的零散知識(shí)聯(lián)系在一起，這樣有利于學(xué)生全面掌握知識(shí)和理順各部分與整體的關(guān)系。

3 結(jié)束語

以實(shí)驗(yàn)為載體展開過程，以問題為核心引導(dǎo)思維，立足“做中學(xué)，學(xué)中做”，注重前后知識(shí)的聯(lián)系，在思維中留“缺口”、應(yīng)用中安“接口”、拓展中開“窗口”，逐步達(dá)成核心素養(yǎng)中的自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，自主發(fā)展）的部分目標(biāo)；讓學(xué)生自己進(jìn)行組內(nèi)分工與合作，溝通與交流，收集與整理信息，達(dá)成核心素養(yǎng)中的社會(huì)參與（責(zé)任擔(dān)當(dāng)，實(shí)踐創(chuàng)新）的部分目標(biāo)；適時(shí)滲透情感、科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法和科學(xué)精神教育，達(dá)成核心素養(yǎng)的文化基礎(chǔ)（人文底蘊(yùn)，科學(xué)基礎(chǔ)）的部分目標(biāo)。

總之，用真實(shí)的教學(xué)問題，自然的教學(xué)過程，和諧的教學(xué)氛圍，來促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展，使得學(xué)生有能力應(yīng)對(duì)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樂福，張艷婷.“法拉第電磁感應(yīng)定律”課堂教學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2013（6）：28-30.

（欄目編輯 鄧 磊）