摘 要：在過去的教學(xué)中，部分教師對《渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動》這一節(jié)往往不是很重視，有的教師可能只是把課本讀一讀，而實際上，本節(jié)課可以以實驗串起各個教學(xué)環(huán)節(jié)，充分凸顯學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。文章對這一課的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：渦流實驗；渦流的應(yīng)用和防止；新課標(biāo)；核心素養(yǎng)

基金項目：本文系課題“物理學(xué)史對培養(yǎng)高中生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的有效性探索”（課題編號：MJG21008）階段性研究成果。

作者簡介：王 旭（1990—），女，安徽省馬鞍山市第二中學(xué)。

羅曉明（1983—），男，安徽省馬鞍山市第二中學(xué)。

一、課前準(zhǔn)備

（一）課標(biāo)要求

通過實驗，了解渦流現(xiàn)象，能舉例說明渦流現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

（二）教材分析

本課內(nèi)容為高中物理選擇性必修第二冊第二章《電磁感應(yīng)》第3節(jié)。初中生學(xué)習(xí)過電磁現(xiàn)象，在必修第三冊中也學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)內(nèi)容，了解了電磁感應(yīng)的相關(guān)規(guī)律，知道了感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件和方向，并且對感應(yīng)電動勢大小的影響因素已經(jīng)有了一個定性的認(rèn)識。本節(jié)課分兩個課時進(jìn)行，第1課時主要介紹渦流的產(chǎn)生及其應(yīng)用與防止，第2課時介紹渦流的機(jī)械效應(yīng)相關(guān)概念在生活中的一些應(yīng)用，如電磁炮、電磁彈射等?？傊?，本節(jié)課知識更偏向于應(yīng)用。

（三）學(xué)情分析

在認(rèn)知層面，對于《電磁感應(yīng)》這一章，學(xué)生過去學(xué)習(xí)的都是理想的單匝線圈問題，但是在實際的問題中，我們經(jīng)常會碰到變化的磁場對周圍導(dǎo)體產(chǎn)生影響。渦流現(xiàn)象是生活中常見的現(xiàn)象，這是從理論到實際的飛躍，存在一定困難。

在知識層面，學(xué)生已經(jīng)完整地學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)的知識，掌握了感應(yīng)電流的大小、方向，感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生、大小等知識，這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

在能力層面，學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)，已經(jīng)能夠通過協(xié)作完成簡單的實驗，具有初步的協(xié)作能力、獨立思考能力。

（四）任務(wù)分析

本節(jié)課介紹了電磁感應(yīng)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，首先教師通過實驗回顧感應(yīng)電流的基本概念，同時提出問題，引發(fā)思考：變化的磁場除了會在周圍的閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，還會對周圍的其他導(dǎo)體產(chǎn)生什么樣的影響呢？引導(dǎo)學(xué)生思考渦流的成因，引入渦流的概念。接著，教師通過一系列的實驗，讓學(xué)生對渦流在生活中有著廣泛的應(yīng)用有一個初步的印象，并引導(dǎo)學(xué)生思考，任何事物有積極的一面，同時也有消極的一面，有時候我們需要對渦流加以利用，有時候也需要防止渦流。

任務(wù)分解：（1）渦流的產(chǎn)生需要變化的磁場以及導(dǎo)體；（2）渦流的應(yīng)用和防止。

（五）教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)

1.物理觀念

讓學(xué)生知道什么是渦流，了解渦流的產(chǎn)生原理，知道渦流的特性是熱效應(yīng)。

2.科學(xué)思維

（1）讓學(xué)生學(xué)習(xí)渦流的產(chǎn)生、應(yīng)用和防止，幫助學(xué)生學(xué)會辯證地認(rèn)識問題。

（2）讓學(xué)生養(yǎng)成善于分析和比較的思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從生活中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律和問題。[1]

3.科學(xué)探究

（1）通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力以及科學(xué)探究能力。

（2）通過分析相關(guān)裝置與器材的工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的分析表述能力，培養(yǎng)學(xué)生理論與實際相結(jié)合的意識。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）本節(jié)課有很多的演示實驗，能給學(xué)生直觀的感受，培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)態(tài)度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

（2）通過學(xué)習(xí)渦流在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)生用學(xué)習(xí)的知識來解決實際問題的意識和能力。

（六）教學(xué)重難點

教學(xué)重點：渦流的產(chǎn)生、利用以及防止。

教學(xué)難點：變壓器鐵芯材質(zhì)選擇及其采用片狀結(jié)構(gòu)的原因。

（七）設(shè)計思想

本節(jié)課以實驗串起了各個教學(xué)環(huán)節(jié)，以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)。[2]利用物理實驗貫穿整個教學(xué)過程，在實驗中，取材簡單，可自制教學(xué)器材，如用已有裝置改裝制作高頻交流電源、制作鋁盤演示裝置等，與生活生產(chǎn)緊密聯(lián)系，讓學(xué)生感受到物理的無窮魅力。通過實驗、探究、思考、分析，讓學(xué)生感受科學(xué)探究的過程，逐步提高物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

（八）教學(xué)方法

教法：設(shè)計創(chuàng)新演示實驗、啟發(fā)式教學(xué)等。

學(xué)法：討論、自主、合作等。

（九）教具準(zhǔn)備

螺線管、手機(jī)、音響、不銹鋼杯、塑料燒杯、電磁爐、鐵塊、線圈、發(fā)光二極管、磁鐵、自制教具鋁盤、小型變壓器、金屬探測儀、銀幣、紙盒等。

（十）教學(xué)流程（圖1）

二、教學(xué)過程

（一）溫故知新，引發(fā)思考

探究活動1：將與發(fā)光二極管構(gòu)成閉合回路的線圈放到正在工作的電磁爐上方，觀察現(xiàn)象并思考問題。

（1）線圈回路接電源了嗎？（沒有。）

（2）電磁爐工作后，二極管為什么會發(fā)光？（線圈回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。）

（3）產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么？（閉合回路磁通量發(fā)生變化。）

（4）穿過線圈的磁場從哪來？是變化的還是恒定的？（源于電磁爐，電磁爐通電后，電流一直變化，電流周圍的磁場也一直變化，導(dǎo)致線圈中磁通量一直變化，所以二極管會一直發(fā)光。）

繼續(xù)提問：變化的磁場除了會在周圍的閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，還會對周圍的其他導(dǎo)體產(chǎn)生什么樣的影響呢？

設(shè)計意圖：由于本節(jié)課實驗比較多，容易讓這節(jié)課顯得松散，因此抓住核心線索十分必要，渦流主要研究的是變化磁場對周圍的導(dǎo)體產(chǎn)生的影響，抓住這條隱藏的線索，將使整個教學(xué)內(nèi)容邏輯更清晰。

（二）演示實驗，建立概念

探究活動2：

（1）在電磁爐上放一個不銹鋼杯、兩個塑料杯（杯中都有水），兩個塑料杯中放有溫度計，打開電磁爐開關(guān)，觀察現(xiàn)象。

（2）往其中一個塑料杯中放入鐵塊，繼續(xù)觀察兩個塑料杯中溫度計示數(shù)情況。

由上述實驗可知，電磁爐不是直接將熱量傳遞給水的，加熱的關(guān)鍵在于不銹鋼、鐵塊這些金屬物質(zhì)。

綜上所述，電磁爐通電后，線圈中通有大小和方向隨時間快速變化的電流，電流周圍產(chǎn)生磁場，由于電流變化，電流產(chǎn)生的磁場也隨時間變化，變化的磁場周圍會產(chǎn)生感生電場，這個感生電場是閉合的，如果在此空間中存在導(dǎo)體，那么導(dǎo)體中的磁通量也會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于導(dǎo)體中電流是一圈一圈的，看起來像水中的漩渦一樣，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。

當(dāng)我們把不銹鋼杯放在電磁爐上，打開電磁爐，不銹鋼杯中會產(chǎn)生渦流并大量生熱，之后再把熱量傳遞給杯中的水，這就是電磁爐的工作原理，其實際上是利用了渦流的熱效應(yīng)。

渦流熱效應(yīng)的其他應(yīng)用：當(dāng)金屬塊的電阻比較小時，形成的渦流的電流強(qiáng)度就會比較大，進(jìn)而產(chǎn)生大量的焦耳熱。工業(yè)上的感應(yīng)冶煉爐，就是利用渦流的熱效應(yīng)來熔煉金屬的。冶煉爐外繞有線圈，冶煉爐內(nèi)裝有待冶煉的金屬。將大功率的高頻交流電源與線圈連接后，高頻交流電在線圈內(nèi)激發(fā)出很強(qiáng)的磁場，這時爐內(nèi)的金屬中會產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，并釋放出大量的焦耳熱，從而將待冶煉的金屬熔化。

探究活動3：演示實驗，將鐵棒放入通有高頻交流電的線圈中，鐵棒會產(chǎn)生渦流，并被加熱到很高溫度。

通過視頻展示真空冶煉過程，真空冶煉爐的優(yōu)點如下：加熱時間比較短，控制溫度比較方便，能避免雜質(zhì)混入等。

渦流的防止：渦流的熱效應(yīng)也可能帶來危害?？?，這是變壓器，它由兩個線圈組成，兩個線圈繞在了鐵芯上，想想這是為什么？（為了提升磁感應(yīng)強(qiáng)度。）我們在之前的學(xué)習(xí)中也曾通過在螺線管中插入電芯來提升磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是線圈通入快速變化的電流時，鐵芯會產(chǎn)生渦流，在電阻率比較小的情況下，渦流比較強(qiáng)，發(fā)熱量比較大，不僅造成了能量的損失，還有可能損壞電器，因此怎么減小渦流呢？（降低頻率。）但是我們生活中常用的變壓器頻率是不變的……從鐵芯本身想想辦法，我們常用特殊材料制作鐵芯，如硅鋼，除此之外，我們還能怎么做？

設(shè)計意圖：這一環(huán)節(jié)，教師要注重和學(xué)生的互動交流，引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生對渦流大小的影響因素形成感性的認(rèn)識。

我們近距離觀察一下變壓器的鐵芯可以發(fā)現(xiàn)，變壓器的鐵芯并不是一整塊金屬，而是由很多層金屬片疊在一起組成的，而且金屬片所在的平面和線圈平面垂直，雖然鐵芯內(nèi)部渦流應(yīng)該處在和線圈平行的平面上，但是鐵芯被疊加的貼片代替了，而且每層貼片之間用絕緣漆隔離，阻斷了渦流的回路，使得大范圍的渦流消失，熱效應(yīng)就減弱了。

渦流的磁效應(yīng)：除了熱效應(yīng)，渦流還有其他的用途。

探究活動4：挖寶小游戲

準(zhǔn)備三個盲盒，開展“尋寶”游戲，有且只有一個盲盒里放入了一枚金屬銀制成的錢幣，要求學(xué)生在不打開盒子的情況下找到它。學(xué)生搖盒子、聽聲音、掂重量、用磁鐵吸引等方法都無效。教師拿出挖寶工具——金屬探測儀，很輕松就找到了寶藏所在。在學(xué)生思考后，教師介紹金屬探測儀的工作原理。

再來看一段影片，影片展現(xiàn)的是抗戰(zhàn)時期，日本軍人用探雷器探雷的場景，所有探雷器都沒有發(fā)出警報，但是卻有地雷爆炸，這又是為什么呢？（地雷不是金屬的，這些地雷是用粗瓷制成的，不會被探雷器識別到，又有很大的殺傷力?？箲?zhàn)時期勞動人民的智慧和創(chuàng)造力值得我們學(xué)習(xí)和敬佩，同時也提醒我們要銘記歷史，刻苦學(xué)習(xí)，奮發(fā)圖強(qiáng)?。?/p>

設(shè)計意圖：充分彰顯物理學(xué)科的魅力。新時期，中國正處于發(fā)展的關(guān)鍵階段，網(wǎng)絡(luò)世界更是沒有硝煙的戰(zhàn)場，因此，在教學(xué)中抓住一切可能，對學(xué)生進(jìn)行思政教育顯得十分必要，在物理教學(xué)中以實際的案例來提高學(xué)生的社會責(zé)任感，更容易獲得學(xué)生的認(rèn)可和接受。

（三）自制教具，認(rèn)知沖突

除了熱效應(yīng)和磁效應(yīng)，渦流還有怎樣的應(yīng)用呢？讓我們來看下面這個實驗：自制鋁盤，演示，轉(zhuǎn)動鋁盤，用磁鐵靠近鋁盤，鋁盤立即停止轉(zhuǎn)動；磁鐵靠近鋁盤后轉(zhuǎn)動，鋁盤跟著轉(zhuǎn)動。

這里面又蘊(yùn)含著怎么的原理？和渦流又有著怎樣的聯(lián)系呢？下面我們一起學(xué)習(xí)感應(yīng)電流的機(jī)械效應(yīng)。

設(shè)計意圖：通過自制簡易鋁盤實驗，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，充分調(diào)動學(xué)生的求知欲，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的積極性。

（四）本課小結(jié)

（1）什么是渦流？渦流是怎么產(chǎn)生的？

（2）渦流有哪些應(yīng)用？分別利用了渦流的什么效應(yīng)？

（3）有哪些防止渦流的例子？

課堂小結(jié)：本節(jié)課主要介紹什么是渦流、渦流的應(yīng)用與危害。本節(jié)課是電磁感應(yīng)的后續(xù)內(nèi)容，有利于加深學(xué)生對前面電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解。

三、教學(xué)反思

渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動雖然是本章的重點，但并不是難點。在設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)時，筆者本著以學(xué)生為主體的原則，處處以啟發(fā)式教育引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)，按照“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，實驗為手段，問題為線索”來構(gòu)想。由于本節(jié)課實驗很多，如果設(shè)計不恰當(dāng)就會給人一種堆砌的感覺，所以在設(shè)計時，筆者始終抓住“導(dǎo)體”這一點，無論是課程引入還是講授渦流的產(chǎn)生、應(yīng)用和防止，都著眼于研究變化的磁場對周圍“導(dǎo)體”的影響。此外，每個環(huán)節(jié)筆者均運用恰當(dāng)?shù)倪^渡語，使得整個過程連貫且具有邏輯性。

四、作業(yè)設(shè)計

（1）完成本節(jié)課后習(xí)題。

（2）課后分組學(xué)習(xí)任務(wù)：

①查閱資料，了解安檢門的工作原理。②用本節(jié)課的知識，嘗試解釋磁鐵為什么可以“牽引”鋁盤。

五、形成性評價

為了更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，在渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動（第1課時）教學(xué)過程結(jié)束之后，筆者設(shè)置了如下形成性評價量表（表1）。

［參考文獻(xiàn)］

張波.初中物理教師如何培養(yǎng)學(xué)生的問題意識[J].遼寧教育，2019（13）：77-78.

徐益勇.彰顯物理學(xué)科魅力 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)：以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”的兩次教學(xué)實踐為例[J].物理通報，2019（2）：49-53.