基于物理核心素养下的深度教学

黄河

摘 要：如何培养学生的物理核心素养，如何进行智慧教学并实现这一目标，本文以 “交变电流”这一教学内容为例，从物理学科的实践性、物理知识的延展性、物理模型的差异性三个方面进行了阐述，从数理结合的融合度着手，体现了物理概念和规律的深度教学。

关键词：核心素养 ；实践性；延展性；差异性；数理结合的融合度；深度教学

在实现高中物理核心素养背景下，教师应依托教材，让课堂充满智慧，迸发创新思维的火花，使教学模式和学习方式发生根本性的变革。从而促使学生将物理知识内化，培养学生的物理思维，使学生具有分析和解决物理问题的特质，从而实现高中物理核心素养的要求。下面笔者以“交变电流”这一教学内容为例，结合自己的教学实践谈谈做法。

1 引用实例，学以致用，体现物理学科实践性

物理与生活息息相关，物理原理的应用在生活中比比皆是。将生活实例引入课堂，有助于激发学生学习物理的兴趣，促进课堂教学质量的提升[ 1 ]。笔者在备课中用心搜集生活实例，使学生意识到学物理的实用性，注重以物寓理。课上，笔者展示了自行车上照明用的车头灯、220V单相交流发电机、风速仪实物，让学生观察和拆卸。生活实例的引入激发了学生的学习兴趣，探究欲望被点燃，兴致勃勃地进行观察思考、动手操作、剖析模型结构、思维碰撞、分析原理等一系列学习活动，感性地认识了产生交变电流的模型，实现了自主学习，起到了事半功倍的教学效果。实例与图示如下。

例1：自行车上照明用的车头灯的原理分析（如图1所示），在自行车前进的过程中车轮通过摩擦带动摩擦小轮，从而通过转轴带动磁极旋转，在U形铁芯中形成交变的磁场，在电枢线圈中发生电磁感应现象，从而在车头灯回路中形成交变电流。

例2：单相交变电流发电机的原理分析（如图2所示），通过外力旋转磁极，同理会在电枢线圈回路中形成交变电流。

例3：风速仪的原理分析（如图3所示）[ 2 ]，风吹风杯通过转轴带动磁极旋转，利用电流测量装置测出线圈回路中的交变电流。

在以上教学过程中，笔者将知识和应用进行深度融合，先通过实例的分析让学生体会到物理就在我们的身边，感受知识的力量，从而激发学生学物理的浓厚兴趣。而后引导学生比较以上种种生活实例，发现其中蕴含的物理知识是一样，有异曲同工之妙，告诉学生只要肯动脑，就可以创造生活，让学生体会到物理知识的实用价值。循序渐进，实现深度教学。

2 创设模型，举一反三，探究物理知识的延展性

认知心理学表明：学生在进行抽象的思维活动过程中，往往难以摆脱已有的思维方式。所以教师必须十分注意培养学生的求异思维，使他们逐步形成多角度、多方位的思维能力。笔者以实现正弦式交变电流即瞬时电动势表达式e=NBS？棕sin？棕t为目的，从导体切割磁感线产生电动势E=BLv⊥或从法拉第电磁感应定律e= （Δt→0）角度出发，引导学生积极思考。通过教材中产生正弦式交变电流的模型的学习，使学生建立起物理模型即在匀强磁场中一矩形线圈绕垂直于磁场的轴匀速转动。挖掘其本质其实是改变导体棒切割速度v⊥（如图4所示）。而后，引发学生进一步思考讨论：是否进一步可以有其他的产生模型？一石激起千层浪，在教师的引导下，学生从不同角度入手积极思考，他们的思维跃动着创新的火花。

思路一：可以改变导体切割磁场的有效速度v⊥

物体的运动可分为转动和平动，这就为我们提拱了两种可能的设计方案：

（1） 如图4所示，N匝的线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴转动，如图所示从中性面开始计时，则

e=2NBladv⊥=2NBladvsin？棕t=2NBlad（ ？棕lab）sin？棕t=NBS？棕sin？棕t

笔者引导学生进行发散性思维：对轴进行平动至线圈上任意一个位置或线圈外任意一位置；轴也可以在平面内转动如轴与磁场平行或轴与磁场成？兹角。

（2） 如图5所示，导体棒在匀强磁场中以速度v=v0sin？棕t作切割磁感线运动，则e=Blv=Blv0sin？棕t

思路二：可以改变磁场的磁感应强度B

可以利用时空的变化营造出产生正弦式交变电流的情境。这同样有两种可能的设计方案：

（1） 从时间上设计

如图6所示，一矩形线圈处在某一竖直向下的磁场中，该磁场的磁感應强度B随时间t变化规律为B=B0sin？棕t，根据法拉第电磁感应定律E=N =N S，若Δt→0，则线圈中产生电动势的瞬时值e=N S，所以函数B（t）的导数即 =B0？棕cos？棕t，由此可得e=NB0S？棕cos？棕t。

（2） 从空间上设计

如图7甲所示，磁场垂直于xoy平面，如图7乙所示在沿

x方向的磁感应强度随位移x变化规律为B=B0sin x，当导体杆以速度v沿x轴匀速运动时，杆产生的感应电动势e=Blv=B0lvsin x。

思路三：可以改变导体切割磁场的有效长度l

在导体棒匀速切割匀强磁场时，通过有效长度的变化来实现回路中交变电流的产生，如图8所示，两条绝缘的导轨形状满足y=Asinx，则当导体棒以速度v匀速沿导轨滑动时，在导轨间导体产生的电动势为e=B2yv=2BAvsinvt。

思路四：可以改变闭合回路在磁场中的有效面积S

如图9所示，闭合回路ADC在半圆形区域的匀强磁场B中，A、C端固定，D端从A开始绕圆弧ABC缓慢移动，则闭合回路中在磁场中的有效面积S= .2R.Rsin？棕t，所以函数S（t）的导函数即 =R2？棕cos？棕t，则在闭合回路中产生瞬时电动势e= = =BR2？棕cos？棕t。

通过上述各种模型的建立和分析，引导学生进行研究性的学习，深入思考，举一反三，让学生从本源上掌握交变电流的形成原理即电磁感应，在潜移默化中把握物理思想和方法，并能将知识进行关联、迁移和运用，将课堂教学引向更深的层次。

3 关注细微，明辨是非，识别物理模型的差异性

物理教学的过程必然要从直观立体转入抽象思维，从感性认识层面走向理性化逻辑推理。对物理问题的分析过程应渗透数理结合能力如微积分和导函数思想运用。对于交变电流的产生电动势公式e=NBS？棕sin？棕t学生往往只停留在死记硬背的层次，笔者从细微处着手，积极地引导学生进行深度的学习，辨析物理概念和规律，将交变电流的知识进行拓展和外延。

3.1 线圈形状的变化

教材提供的是矩形的线圈，笔者抓住这一细微处，启发学生思考：若变化为圆形线圈或三角形线圈，表达式还成立吗？此时应用数学微积分思想化曲为直、累积法进行剖析，可以很容易理解e=NBS？棕sin？棕t仍然是适用的，有效地提高了学生数理结合能力。

3.2 轴的位置的变化

教材中模型涉及到两边切割磁感线，从而引发了电动势的“顺接”情况的发生，线圈中总电动势等于两边产生的电动势之和。若将线圈的转轴平行移至线圈的一边，并与之重合，如图10甲所示，则没有“顺接”问题，线圈中的电动势e=NBladv⊥=NBladvsin？棕t=NBlad？棕labsin？棕t=NBS？棕sin？棕t。笔者在教学时通过对比，形成知识的碰撞，深化学生的认识。若将线圈的转轴平行移到线圈外，则引发了电动势的“反接”情况的发生，线圈中总电动势等于两边产生的电动势之差，即e=NBladvad⊥-NBlbcvbc⊥=NBlad？棕（lao-lbo）sin？棕t=

NBS？棕sin？棕t （如图10乙所示） 。以上这种双杆旋转切割的分析和讨论，进一步深化了之前的电磁感应中的双电源的问题。

3.3 计时起点的位置的变化

从中性面开始计时，则电动势e=NBS？棕sin？棕t；从平行于磁场方向开始计时，则电动势e=NBS？棕cos？棕t；从与中性面成φ角方向开始计时，则电动勢e=NBS？棕sin（？棕t+φ）。通过以上区别和分析，让学生思维上从特殊到一般，然后从一般回归特殊。使学生认识到物理概念和规律有一定适用条件，从而避免走入死记硬背物理公式的误区。

3.4 “四值”的应用区别

交变电流的“四值”的区分和应用是高考试题中重点考察内容。“四值”指的是平均值、瞬时值、有效值、最大值，在教学实践中笔者发现学生往往对相关的概念认识不清，实际解题过程中易混淆，教师有必要精选习题进行反复演练，不断纠错，不断反馈，从而澄清物理概念。

总之，教师应做教学的有心人，深入地挖掘各种教学资源，不照本宣科，充分发挥智慧，创造性地进行教学。通过物理知识的深度教学，培养创新性的人才，从而实现高中物理学科核心素养的培养。

参考文献：

[1]阎金铎.中学教师物理教育研究方法[M].北京：高等教育出版社，1986.

[2]中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-2）〔M〕.济南：山东科学技术出版社，2007.