尹文慧 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中逐步形成的行為習(xí)慣與關(guān)鍵能力，是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn).高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)要把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo).因此，如何基于物理核心素養(yǎng)開(kāi)展課堂教學(xué)就成為廣大一線教師關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.

本文以“電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”的概念教學(xué)為例，探討了如何在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境 激發(fā)學(xué)生興趣

新課標(biāo)指出在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中重視情境的創(chuàng)設(shè).創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維進(jìn)而在自主活動(dòng)中不斷抽象出其本質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.在物理概念的教學(xué)中，可以從演示實(shí)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為學(xué)生創(chuàng)設(shè)引人入勝的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生從生動(dòng)的主觀過(guò)渡到抽象的思維.同時(shí)，有趣的實(shí)驗(yàn)情境不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能引發(fā)學(xué)生的思考，把學(xué)生的注意力吸引到本節(jié)課要研究的問(wèn)題上來(lái).

在“電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”概念教學(xué)中，演示“小熊蕩秋千”趣味實(shí)驗(yàn)(小熊下方貼有金屬鋁片，移動(dòng)磁鐵帶動(dòng)小熊跟著運(yùn)動(dòng)起來(lái))，如圖1所示，讓學(xué)生觀察磁鐵不能吸引鋁片，但磁鐵運(yùn)動(dòng)卻能夠帶動(dòng)鋁片跟著運(yùn)動(dòng).通過(guò)趣味實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，讓學(xué)生帶著問(wèn)題繼續(xù)學(xué)習(xí).

課堂實(shí)錄：

師：這里有一個(gè)懸掛的小熊(圖1)，在其下方放置磁鐵，移動(dòng)磁鐵，可以觀察到什么？

圖1 小熊蕩秋千模型

生：小熊跟著動(dòng)起來(lái)了.

師：小熊的下方貼有一個(gè)金屬片，猜想金屬片是哪一種金屬材質(zhì)？

生：鐵.

師(教師演示磁鐵不能吸引該金屬片)：這個(gè)金屬片不是鐵片，而是鋁片，磁鐵不會(huì)吸引鋁片，為什么小熊會(huì)蕩秋千？

2 注重方法滲透 建構(gòu)物理觀念

物理觀念是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉與升華，是對(duì)物理思想和方法概括性、縱觀性的認(rèn)知與體驗(yàn)[1].基于物理觀念的概念教學(xué)既要包括對(duì)物理概念的深入認(rèn)識(shí)與理解，還要包括科學(xué)思想方法的體驗(yàn)與應(yīng)用[2].因此，在概念教學(xué)中應(yīng)該以物理思想方法作為生長(zhǎng)點(diǎn)向外延展，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理過(guò)程深入分析，發(fā)展學(xué)生運(yùn)用物理思想方法處理實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理思想方法的內(nèi)化，讓學(xué)生在物理方法的體驗(yàn)和反思中建構(gòu)物理觀念.

在“電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)中，提出問(wèn)題之后，引導(dǎo)學(xué)生逐步分析.當(dāng)塊狀導(dǎo)體和磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生渦流，形狀類似水的漩渦，如圖2所示.對(duì)于曲線電流，學(xué)生難以直接受力分析，此時(shí)可以滲透微元的思想進(jìn)行“化曲為直”，將曲線電流轉(zhuǎn)化為直線電流，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生利用微元法分析出電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念的深入理解，也可以提高學(xué)生活用微元思想化解疑難問(wèn)題、簡(jiǎn)化復(fù)雜過(guò)程的能力.

圖2 渦流示意圖

課堂實(shí)錄：

師：導(dǎo)體帶動(dòng)小熊運(yùn)動(dòng)起來(lái)，它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，必然受到了什么作用？

生：力的作用.

師：什么力的作用呢？下面進(jìn)行分析.磁場(chǎng)遠(yuǎn)離導(dǎo)體向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量減少.在塊狀導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生什么？

生：渦流.

師：正確.根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)阻礙原磁通量的變化，根據(jù)右手螺旋定則，可以判斷出此時(shí)渦流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，如圖3所示.渦流處在磁場(chǎng)中，會(huì)受到什么力的作用？

圖3 分析渦流方向示意圖

生：安培力.

師：正確.由此得出使塊狀導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)的力是安培力.那么導(dǎo)體所受安培力的方向如何，為什么會(huì)使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)呢？通過(guò)俯視圖具體分析(見(jiàn)圖4).磁場(chǎng)向右運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流為逆時(shí)針.塊狀導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對(duì)于曲線電流，不能直接判斷安培力的方向.所以采用微元法“化曲為直”，將渦流分解成若干個(gè)微小電流元，任取一段電流元，可以近似地看成直線電流.如何判斷這段電流元所受安培力的方向呢？

圖4 分析安培力方向示意圖

生：左手定則.

師：伸出左手，磁場(chǎng)垂直穿過(guò)掌心，四指指向電流方向，拇指指向安培力的方向，垂直于電流向右上方.在對(duì)稱的下半圓周也取一段電流元，所受安培力向右下方.對(duì)這兩個(gè)安培力沿水平和豎直方向正交分解，會(huì)發(fā)現(xiàn)安培力豎直方向分量有什么特點(diǎn)？

生：等大反向，相互抵消.

師：正確，所以合力向右.對(duì)于整個(gè)導(dǎo)體，任意上下對(duì)稱的電流元豎直方向安培力都會(huì)抵消，所受安培力的合力向右，與磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向一致.由此得到磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，把這種現(xiàn)象叫做電磁驅(qū)動(dòng).

3 制造認(rèn)知沖突 激發(fā)科學(xué)探究

新課標(biāo)重視對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).廣義的科學(xué)探究不僅僅是學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)；學(xué)生在教師的引導(dǎo)下深入地去思考一個(gè)物理現(xiàn)象、物理過(guò)程，通過(guò)親身的體驗(yàn)和自己的思考發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，這也屬于探究的過(guò)程.教師需要通過(guò)一定的教學(xué)手段創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的待解決問(wèn)題，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和方法，在教師的引導(dǎo)下展開(kāi)探究，形成物理概念或總結(jié)出物理規(guī)律.而教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生處于適度的認(rèn)知沖突中最有學(xué)習(xí)的動(dòng)力[3].以認(rèn)知沖突為依托，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望.在教學(xué)中，可以通過(guò)制造認(rèn)知沖突為學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)探究解決問(wèn)題，建構(gòu)物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

在電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生建構(gòu)出電磁驅(qū)動(dòng)的概念之后，再次利用小熊蕩秋千的實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生觀察導(dǎo)體阻礙小熊的運(yùn)動(dòng).通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，演示導(dǎo)體被驅(qū)動(dòng)和被阻礙兩種截然相反的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給學(xué)生制造強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究.

3.1 觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 提出探究問(wèn)題

通過(guò)創(chuàng)設(shè)一定的問(wèn)題情境引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激起學(xué)生的好奇心，促使學(xué)生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,積極主動(dòng)地去探索、去學(xué)習(xí), 發(fā)揮學(xué)生的主體作用.

課堂實(shí)錄：

師：通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)體跟著磁場(chǎng)動(dòng)起來(lái).如果初始狀態(tài)，讓導(dǎo)體先運(yùn)動(dòng)起來(lái)，再將磁鐵放置到導(dǎo)體下方(見(jiàn)圖1).會(huì)有什么現(xiàn)象呢？

教師演示，學(xué)生觀察.

生：導(dǎo)體很快停下來(lái).

師：此時(shí)磁鐵對(duì)導(dǎo)體有什么作用？

生：阻礙了導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng).

師：上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，磁鐵驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體，使導(dǎo)體動(dòng)起來(lái)，為什么此時(shí)阻礙導(dǎo)體，使導(dǎo)體很快停下來(lái)呢？

3.2 提出假設(shè) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同之處猜想原因.學(xué)生通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)體的初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，上個(gè)實(shí)驗(yàn)中初始狀態(tài)為磁場(chǎng)先動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)體先動(dòng).

生：如果初始狀態(tài)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體會(huì)受到阻礙.

師：同學(xué)們做出了猜想，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)受到阻礙.那該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們的猜想呢？

(學(xué)生思考，教師讓學(xué)生表達(dá)想法)

師：導(dǎo)體選擇上文中提到的鋁片.導(dǎo)體動(dòng)，有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種方式，為了方便研究，選擇平動(dòng)中的擺動(dòng).在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，用磁鐵(可拆卸)來(lái)提供磁場(chǎng).為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，選擇兩個(gè)相同的鋁片，一個(gè)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，一個(gè)在空氣中運(yùn)動(dòng)做對(duì)比.由此可采用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖5 電磁阻尼擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

設(shè)計(jì)意圖：新課標(biāo)重視探究的過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)探究時(shí)，每一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路教師都要給出充分的依據(jù)，說(shuō)明其中涉及到的物理思想和方法，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，更能學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思維.

3.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證猜想

首先排除無(wú)關(guān)變量的干擾，兩個(gè)鋁片的兩側(cè)都不加磁鐵，將鋁片放置到相同的位置同時(shí)釋放，可以觀察到兩個(gè)鋁片幾乎同時(shí)停止擺動(dòng).在左側(cè)鋁片的兩側(cè)加上磁鐵，再次同時(shí)釋放，可以觀察到在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的鋁片先停下來(lái).驗(yàn)證了猜想正確，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)確實(shí)會(huì)受到阻礙.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究解決問(wèn)題，并在實(shí)驗(yàn)前排除無(wú)關(guān)因素的干擾，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滲透“對(duì)比”的物理思想，使學(xué)生得到科學(xué)思維和方法的訓(xùn)練，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力.

3.4 得出結(jié)論 建構(gòu)概念

類比電磁驅(qū)動(dòng)的分析過(guò)程，讓學(xué)生自主分析出阻礙導(dǎo)體的力是安培力，并用微元的方法分析安培力的方向，與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反.由此得到，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，安培力阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做電磁阻尼，完成概念的建構(gòu).

設(shè)計(jì)意圖：類比電磁驅(qū)動(dòng)的建構(gòu)過(guò)程，讓學(xué)生完成電磁阻尼概念的建構(gòu)，可以讓學(xué)生鞏固所學(xué)的物理思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力.

4 抽象物理模型 激活科學(xué)思維

“科學(xué)思維”指從物理學(xué)角度對(duì)客觀事物內(nèi)在規(guī)律及其本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象過(guò)程[4].基于科學(xué)思維的物理教學(xué)要求能抽象出物理概念和規(guī)律的科學(xué)本質(zhì)，完成物理概念模型或物理原理、規(guī)律模型的建構(gòu)[5].

在電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的教學(xué)中，得出兩種現(xiàn)象的定義后，引導(dǎo)學(xué)生綜合看待兩種現(xiàn)象，電磁阻尼中安培力阻礙導(dǎo)體，電磁驅(qū)動(dòng)安培力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體，抽象出其共同特點(diǎn)：安培力阻礙導(dǎo)體和磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，再挖掘其本質(zhì)，磁場(chǎng)和導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起了穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量變化，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生了渦流(感應(yīng)電流)，感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因，因此阻礙穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量變化，進(jìn)而阻礙導(dǎo)體和磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而完成物理現(xiàn)象產(chǎn)生原理的模型建構(gòu)，電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)本質(zhì)示意圖如圖6所示.由此,一方面可以加深學(xué)生對(duì)這兩種現(xiàn)象以及楞次定律的深刻認(rèn)識(shí)，明確它們之間的內(nèi)在關(guān)系；另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)物理現(xiàn)象挖掘物理本質(zhì)以及建構(gòu)物理模型的能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

圖6 分析電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)本質(zhì)示意圖

5 解決實(shí)際問(wèn)題 提升社會(huì)責(zé)任感

物理教學(xué)要十分重視對(duì)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的培養(yǎng)，在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)應(yīng)用的意識(shí)和能力.教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)一定的應(yīng)用情境，通過(guò)教師有意識(shí)的引導(dǎo)，幫助學(xué)生把所學(xué)知識(shí)遷移到新的情境，解釋和解決實(shí)際問(wèn)題，賦予新知識(shí)以意義.在遷移的過(guò)程中讓學(xué)生了解物理知識(shí)與技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和社會(huì)責(zé)任感.

在電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的教學(xué)中，利用自制教具為學(xué)生演示兩種規(guī)律在“過(guò)山車剎車”和“磁性式轉(zhuǎn)速表”中的應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)貼近生活實(shí)際的遷移情境，在真實(shí)的情境下完成對(duì)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象的重新建構(gòu)，讓學(xué)生了解物理知識(shí)在技術(shù)中的應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決生活實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

利用自制教具(圖7)為學(xué)生介紹電磁阻尼在過(guò)山車剎車中的應(yīng)用.兩個(gè)相同的軌道，一方的軌道下方有磁鐵，小車的下方有鋁片.將小車在兩個(gè)軌道上釋放，會(huì)觀察到小車在下方有磁鐵的軌道上運(yùn)動(dòng)先停下來(lái).引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合電磁阻尼知識(shí)解釋其中的原理，由此引申到過(guò)山車的電磁制動(dòng)模型.過(guò)山車進(jìn)入制動(dòng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌道下方有強(qiáng)磁鐵，過(guò)山車的底部有銅鋁合金或者鋁片，過(guò)山車進(jìn)入磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到安培力的阻礙減速，最終通過(guò)摩擦輪或其他摩擦制動(dòng)的方式停下來(lái).

圖7 過(guò)山車電磁制動(dòng)模型

下面介紹電磁驅(qū)動(dòng)在磁性式轉(zhuǎn)速表中的應(yīng)用.汽車有速度表及轉(zhuǎn)速表，汽車上的轉(zhuǎn)速表(圖8)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以判斷汽車是否啟動(dòng)，是否換擋等等.

圖8 磁性式轉(zhuǎn)速表示意圖

通過(guò)Flash動(dòng)畫(huà)展示汽車轉(zhuǎn)速表的基本結(jié)構(gòu)，如圖9所示.

圖9 磁性式轉(zhuǎn)速表原理示意圖

永久磁鐵的轉(zhuǎn)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，感應(yīng)片通常是金屬鋁片，指針和感應(yīng)片的轉(zhuǎn)軸相連，在測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，永久磁鐵隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，會(huì)帶動(dòng)感應(yīng)片同方向旋轉(zhuǎn)，由此指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引導(dǎo)學(xué)生利用電磁驅(qū)動(dòng)知識(shí)解釋原理.此時(shí)彈簧游絲隨感應(yīng)片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)被扭緊，產(chǎn)生反方向的恢復(fù)力，當(dāng)游絲的恢復(fù)力矩與電磁驅(qū)動(dòng)作用的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平衡時(shí)，指針?lè)€(wěn)定地指在某一示數(shù).發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)速增大時(shí)，由電磁驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，指針就穩(wěn)定在偏角更大的位置，圖10是自制磁性式轉(zhuǎn)速表模型.

圖10 自制磁性式轉(zhuǎn)速表模型

利用自制教具演示磁性式轉(zhuǎn)速表的工作過(guò)程，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，并引導(dǎo)學(xué)生自己制作磁性式轉(zhuǎn)速表模型.

物理課堂教學(xué)是落實(shí)和發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的主陣地，以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)是高中物理課程改革對(duì)物理教學(xué)的必然要求.實(shí)施核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)，要求教師轉(zhuǎn)變價(jià)值觀念，意識(shí)到物理教學(xué)不僅是知識(shí)的傳輸和再現(xiàn)，更重要的是物理思想方法的體驗(yàn)和應(yīng)用.讓學(xué)生即使遺忘物理知識(shí)，仍然能在頭腦中留下物理思想方法、科學(xué)研究態(tài)度的痕跡，讓其被學(xué)生永久保持，發(fā)展為學(xué)生的必備品格和基本素養(yǎng)，這才是中學(xué)物理課程的價(jià)值所在[6].