问题引领 体悟践行——“探究感应电流产生的条件”教学设计

周 鹏

(江苏省扬州中学，江苏 扬州 225009)

当今世界许多国家的教育改革都把培养学生良好的科学素养列为基本的目标．我国的《高中物理课程标准》也明确以提高全体学生的科学素养、促进学生的全面发展作为主要目标．基于此,笔者在“对话·体悟”式高中物理教学中,把“问题”作为学习的主线(知识问题化设计),以“对话”作为课堂教学的主体方式,让“体悟”贯穿于整个课堂学习过程,以物理学科核心素养的形成作为学习的最终目标,努力构建高效课堂．

“对话·体悟”式高中物理教学构建高效课堂的关键,就在于要通过科学自然的“对话”(多以问题串的形式呈现)激发学生的学习兴趣,调动学生的思维,使学生尽可能地处于积极主动的自主思考状态,以问题为中心引领课堂教学．教师决不是为了问题而生硬地抛出一系列的所谓问题,而是以学生学习的思维为主线,通过科学的设计,以几个中心问题引导学生自然地生成相关的子问题,从而有效地驱动课堂“对话”在自然、有序中向前推进．现以“探究感应电流产生的条件”为例说明．

1 教学设计

本节课内容是人民教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-2第4章第2节新授课内容,是在前节“划时代的发现”的基础上引出的．法拉第潜心研究了10年左右才发现的规律,要保证绝大部分学生在短时间内能完成相关探究实验的设计和验证操作,并能得出相应的结论,就必须要突出前节课文中提到的当年法拉第所给出的产生感应电流的5种情况．此外,本节课学生的探究过程和所观察到的现象,对于学生今后进一步学习楞次定律、法拉第电磁感应定律等知识也有较好的铺垫作用和指导意义．

图1

1.1 问题导入，创设情境

情境: 利用图1所示的闭合回路产生感应电流(温故知新).

1.1.1 师—生对话,导入情境

(1) 如何才能由磁生电?是不是只要将一个磁铁放在回路的旁边就能产生感应电流?

(2) 在初中时我们是如何利用图1所示的闭合电路产生感应电流的?

生: 在问题的引导下,利用手边的实验器材,重现初中所学的过程．

1.1.2 生—生对话,分小组交流、讨论

师:按照初中所学的方法,我们所总结出来的产生感应电流的条件是如何表述的?

图2

生:闭合电路的部分导体,在磁场中做切割磁感线的运动时,电路中就会产生感应电流(结合图2说明,各小组相互启发,相互补充)．

师:电路中的电流应当是由电源提供的,那么在图2所示电路中,哪一部分相当于电源?(为后面提出“感应电动势”的概念作铺垫)

生:线圈B,电流表相当于用电器．

1.2 问题推进 合作探究

1.2.1 师—生对话,深入思考

(1) 闭合电路不动时,能否产生感应电流?

(2) 如果能,那么在图1所示的电路不动时,你还能设计出什么方法能使线圈回路中产生感应电流?

提示:请大家利用手边的实验器材[灵敏电流计、条形磁铁、原、副线圈、电源(电池盒6 V)、滑动变阻器(10 Ω)、开关、导线(6根)],根据法拉第给我们的“提示”,注意保持图1所示回路不动,分小组进行探究．

1.2.2 生—生对话,合作探究

要求:分组讨论可能的方法，设计实验，分组探究验证,形成共识(同时记录相关现象).

教师巡回指导(使学生学会抓住问题的关键——“线圈所在处的磁场有所改变”,为在后续学习中顺利找到“磁通量变化”这一本质原因作良好的铺垫);引导学生记录相关实验现象,让学生学会思考,会找相关的理论依据,会归纳事物的共性特征.

1.2.3 师—生对话,方法归类

(1) 你用的什么方法得到感应电流的?

(2) 设计的依据是什么?

(3) 如果有原理图或电路图,请画出.

图3

生: 分小组、分情况汇报探究结果(边汇报边筛选,罗列典型的实验方法和现象．强调线圈A、B所在回路相互独立)．

方法1:让条形磁铁上下运动(如图3所示)．依据是相对运动原理．

实验现象记录如表1.

表1

图4

方法2:让通电线圈A在线圈B中上下移动(如图4所示)．原理是用电磁铁代替永磁体．现象与表1所述相同．

师:以上方法中,线圈和磁场间都存在着相对运动,上述两种方法都等同于线圈在切割磁感线．那么,能不能在闭合回路跟磁场间没有相对运动的情况下产生感应电流呢?

提示:在初中时我们就知道,相对于永磁体,电磁铁的优点在于可以方便地调节其磁性的有无和强弱．我们可在此基础上进一步思考．

生:进一步小组探究,仔细观察每一个实验细节．

方法3:在图4所示装置中,断开或闭合开关,或者是在开关闭合时,较快地移动滑动变阻器的滑片时,也能产生感应电流．原理是由变化的电流产生变化的磁场,而法拉第的研究告诉我们,变化的磁场就能够在闭合回路中产生感应电流．

方法4:在图4所示装置中,在开关闭合时,在线圈A中迅速拔出或者插入铁芯时,也有感应电流产生．原理与方法3相同,即改变闭合回路所在处的磁场强弱时,可以产生感应电流．

实验现象记录如表2.

表2

初步结论:只要闭合电路所在处的磁场发生变化,电路中就会产生感应电流．

1.3 问题点拨，体悟本质

1.3.1 点拨

应当说,实际教学过程中得到以上相关现象和结果并不是太困难,但要从中悟出产生感应电流的根本条件,没有一定的点拨是很难做到的．

师:如果让条形磁铁沿线圈B轴线的中垂线,从侧面靠近(或远离)线圈B,或者让线圈A和B的轴线相互垂直放置时,线圈B回路中有没有感应电流呢?

生:继续分组探究,发现此时虽然线圈B回路所在处的磁场也发生了变化,但并没有使回路中产生感应电流．

体悟:以上的初步结论还存在不完善的地方．

师:法拉第的伟大之处还在于,他创造性地用形象的“场线”来直观地描述抽象、无形的磁场.

以此引导学生在相关实验装置简图中画出相应的磁感线分布情况(如图5所示),并深入思考产生感应电流的根本条件．

图5

师:我们通过探究实验,知道了能够产生感应电流的情况是多样的,法拉第当年就概括出5种情况,其实归根结底就是闭合回路所在处的磁场发生了变化，进而导致该区域的磁通量发生变化．所以,我们可以怎样归纳产生感应电流的根本条件呢?

生:只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合导体回路中就有感应电流(本质原因)．

1.3.2 巩固深化

讨论人教版高中物理选修3-2教材第7～9页习题(1、2、6、7),突出“利用磁通量的变化来判断感应电流的有无”的方法,并利用(1乙、2)说明用原有的“部分电路切割磁感线”的方法判断感应电流有无存在一定的局限性．

1.4 问题引领，践行升华

1.4.1 师—生对话,承上启下

问题：(1) 在以上各种情况下,如果电路没有闭合,电路中能有电流吗?

(2) 在磁通量发生变化的过程中,一旦电路闭合,电路中能否产生感应电流?

(3) 对比以上两个问题,你能得到什么结论?

演示实验1:用放在通电电磁炉上面的线圈B点亮发光二极管．

演示实验2:将发光二极管换成电压传感器(20 V挡),测量放在通电电磁炉上面的线圈两端的电压(实验显示瞬间电压可以达到甚至超过13.99 V,如图6所示).

图6

感悟:电动势是形成电流的原因,当磁通量发生变化而电路不闭合时,电路中仍存在电动势,即感应电动势，其中发生电磁感应的部分电路充当“电源”(为后续的电磁感应现象中的电路问题打好伏笔)．

1.4.2 师—生对话,践行升华

师:既然我们已经知道了产生感应电流的条件,那如现在就给你一根足够长的导线(强调除了必要的测量仪器外,不再给其他器材),你能用它得到感应电流吗?

生:(小组讨论后)可以利用地磁场,在地磁场中摇动长导线,即摇绳发电．

师:沿哪个方向站立时,发电的可能性更大?(以此强调地磁场的分布)

生:最好沿东西方向站立．

创新实验演示:由两位学生协助,演示摇绳时产生感应电动势的情况.

创新点: (1) 因为地磁场太弱,所以感应电流不明显,故改用微电压传感器测量长导线两端的电压.

(2) 由于摇绳时产生的是交变电压,电压传感器的示数不断地变化,且变化较快,不便于观测．所以实际改用了显示电压波形的方法来展示产生的感应电压情况，现象如图7所示(图7的中间部分为导线在近乎匀速摇动时的电压波形,两端的微弱波形是导线摇动加速和减速阶段时的波形)．

图7

2 教学体会

本节课的教学内容比较明确,学生都有一定的准备知识,接受起来并不困难．所以,本节课就能够大胆放手让学生自主进行实验探究．为了使教学流畅、紧凑,时时能抓住学生的思维,本课在中心问题的设置上下了一番功夫,目的是为了能让师生对话和学生的思维自然地推进,使得学生的感悟由浅入深,由片面到全面,由现象到本质,以便时时能使学生的思维处于活跃状态,从而提高课堂效率．同时,在教学过程中还注意兼顾到了学生的后续学习,总体教学效果很

好．本节课也可以尝试以“翻转课堂”的形式,由学生先行自学,课上通过小组讨论和协作,重点解决“如何产生?如何使现象更明显?如何设计相关实验进行验证或探究?产生感应电流的本质原因是什么?”等关键性问题,然后由学生以汇报的形式,边汇报边演示(教师则在课前充分准备好学生可能需要用到的实验器材),从而能最大限度地调动学生的学习热情,发挥学生的主观能动性,并使得课堂更加贴近学生的认知水平,从而更加有助于学生核心素养的培养．

参考文献：

1 人民教育出版社课程教材研究所.物理选修3-2教师教学用书[M].北京： 人民教育出版社,2010.

2 刘小兰,周鹏.对话·体验·感悟——“平抛运动”教学案例分析[J].物理之友,2017(10)：11-14.

3 刘冬岩.有效提问是教学对话的生长点[N].中国教育报,2012-1-20,第7版.

4 彭前程. 积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理,2016(2)： 1-2.