基于物理核心素养下的学习进阶的教学设计——以“探究感应电流的产生条件”为例

周革润

(北京市第一〇一中学，北京 100091)

为了体现高中阶段学生探究产生感应电流条件的思维过程,帮助学生建构和理解磁通量及磁通量变化的概念,顺利完成从初中阶段学生仅停留在操作层面的认识——闭合电路的部分导体做切割磁感线运动,提升到高中阶段抽象归纳出本质原因——闭合回路的磁通量发生变化.这需要应用学习进阶的理论来进行教学设计,开展教学活动．在科学思维和探究方面,学生对演示实验和学生实验现象的产生原因进行的推理论证,可以有效培养学生合理作出假设和猜测、获得证据和分析证据、交流和表达科学探究结果的能力．

1 设计流程

按照学习进阶的理论——事实经验、映射、关联、系统、整合应用的5个环节来进行教学活动设计,通过学生积极参与一系列探究活动和对探究活动的思考,不断推动和发展学生思维,让学生将感应电流产生条件不仅仅单独与磁场变化、面积变化关联起来,而且进一步将二者同时建立关联,最后引入磁通量变化总结探究实验的结果．具体设计流程如表1所示.

2 教学活动

2.1 教师活动1

演示实验1:电磁炉上放一个金属碗,导线与灯泡相连构成闭合回路,打开电磁炉开关使其工作,将闭合回路的部分导线绕成线圈放在电磁炉上静止不动,此时灯泡发光．

学生活动1.观察实验现象思考原因．

活动说明:通过创设情境引导学生观察实验现象,通过现象引发认知冲突,激发学生的好奇心和学习热情,引出探究主题．学生意识到初中从切割磁感线运动判断感应电流的产生条件不完善,不是普遍规律,需要修正完善,找到本质原因．

表1 “探究感应电流的产生条件设计流程”

2.2 教师活动2

探究主题:产生感应电流的条件.

学生分组实验1:如图1所示,线圈、检流计、条形磁铁、导线两根．

学生分组实验2:如图2所示,学生电源、带铁芯的螺线管、滑动变阻器、导线若干、开关、线圈、检流计．

图1 分组实验1

图2 分组实验2

问题1:分组实验1用条形磁铁探究,分组实验2用通电螺线管探究．探究如何操作可以产生感应电流,你的实验结论是什么?

学生活动2.学生自主设计探究方案并进行实验探究,基于实验现象分析得出实验结论．

分组实验1:将条形磁铁插入或者拔出大螺线管过程,或者将线圈套入条形磁铁、线圈抽出条形磁铁等．分组实验2:开关闭合或断开,在开关闭合时移动滑动变阻器改变通电螺线管的电流大小,移动通电螺线管,改变螺线管与线圈的相对位置．学生结论:无论相对运动还是变化的电流,线圈中磁场发生变化．

活动说明:本环节是让学生完成从现象到本质的思考,从导体运动进阶到导体和磁场两者相对运动,从导体和磁场的相对位置发生变化进阶到线圈中磁场发生变化,从通电螺线管电流变化进阶到线圈中磁场发生变化,最终与磁场变化建立关联．

2.3 教师活动3

问题2:线圈与检流计连接成闭合回路,闭合产生匀强磁场装置的电源开关,你会看到什么现象,为什么会出现这一现象?如果挤扁线圈,此过程线圈回路有感应电流吗,理由是什么?

图3 分组实验3

问题3:线圈在磁场中切割磁感线运动就一定会有感应电流吗?线圈在匀强磁场区域内整体平动切割磁感线,你看到了电流计指针偏转吗?说明切割磁感线运动不是感应电流产生的根本原因,根本原因是什么发生了变化?

演示实验2:如图3所示,线圈与检流计连接成闭合回路,在匀强磁场内,挤扁线圈的过程中,回路有感应电流．

学生活动3.分析论证实验结果并观察实验现象确认．依据线圈切割磁感线运动,判断有感应电流．通过观察对比线圈整体平动切割实验说明“切割磁感线”不是产生感应电流的本质原因．依据实验过程挤扁线圈,想到线圈的形状发生改变,即回路面积发生变化．

活动说明:通过观察磁场不变、回路面积发生变化,闭合回路产生感应电流,引导学生从切割磁感线运动进阶到回路面积发生变化,从而将闭合回路产生感应电流的条件与磁场发生变化、面积发生变化两个因素建立关联．

2.4 教师活动4

问题4:我们用控制变量法研究了磁感应强度B变化、线圈面积S不变,以及B不变、S变化,闭合回路产生了感应电流,大家还想探究什么情况下,闭合回路能产生感应电流? 提出你的实验方案并猜想实验结论?

问题5:感应电流的产生不仅仅与回路S变化、B变化两个因素有关联,而且应该是二者同时共同作用的结果,能找到一个物理量来兼顾这两个因素?请用最简洁的语言概括一下:产生感应电流的条件到底是什么?

问题6:闭合回路B、S都发生变化,一定有感应电流吗?为什么?

演示实验3:将产生磁场的电源开关闭合瞬间,同时把线圈挤扁,线圈中可能会有感应电流,也可能没有感应电流．

演示实验4:如图4所示,将线圈套在曲面底部(该曲面是圆柱形磁铁的某一条磁感线绕磁铁中心轴线旋转而形成的曲面),将线圈沿曲面向上移动,此过程中线圈内的B变大、但S变小了,线圈中无感应电流．

图4 演示实验4

学生活动4.学生观察实验现象,分析归纳总结产生感应电流的条件．依据与B、S的变化同时有关,学生猜想是闭合回路的磁通量发生变化．对演示实验4的解释,基于磁感线分布的立体模型理解线圈的磁通量不变,形成从磁通量变化的角度分析是否产生感应电流．

活动说明:推理感应电流的产生条件的共同特征,从个别到一般,从现象到本质,帮助学生意识到磁通量变化是产生感应电流的本质条件．通过演示实验B和S同时变化,但闭合回路的磁通量不变,没有感应电流,例证结论的正确性．

2.5 教师活动5

问题7:利用实验装置,你还可以有哪些操作也能产生感应电流?

问题8:线圈放在电磁炉上,为什么线圈有感应电流?猜测一下:具有无线充电功能的手机内部一定会有什么?这是打开手机后壳的图片,看到了多匝铜质线圈,现在能想到无线充电的原理吗? 你能想到无线充电器内部一定会有什么?

演示实验5:手机无线充电过程．展示打开手机后壳的图片,让学生看到线圈．将手机上拆下的线圈与小灯泡连接成闭合回路,放置在无线充电器上,如图5所示,发现小灯泡点亮,验证猜想．

学生活动5.学生操作线圈在磁场中运动产生感应电流并分析推理实验现象的产生原因．根据探究结论想到线圈磁通量发生变化,电磁炉产生了变化磁场．学生分析手机无线充电的原理．

活动说明: 通过对实际生活中无线充电技术的逐步剖析,让学生认识到其工作原理,充电装置利用线圈通交变电流产生变化磁场,接收装置内置线圈因磁通量变化产生感应电流,体现知识应用和服务生活的价值,从而达到在巩固基础知识的同时,既落实了能力的培养,又激发了学习与研究的兴趣．

3 活动总结

(1) 基于物理学科核心素养的有效渗透,要为学生的学习营造一个利于学习的“生态环境系统”．在具体教学活动中,注重学生间平等民主,互动合作,自主探究,从“接受型教学”向“质疑型

教学”转变．本节教学设计以教学活动中的8个问题为线索,让学习真实的发生,创建了一个有利于学生学习的生态环境,教师和学生活动是交互式的,帮助学生形成抽象思维,发展学生的发散思维和批判性思维．这样学生改变以往盲目的接受型思维习惯,激发学习欲望不断思考,在探究的过程中培养学生自主获取知识和运用知识解决问题的能力,发展学生思维能力和创新能力,以问题、询问为基础的学习就属于深度学习方式．

(2) 基于物理学科核心素养的有效渗透,要培养学生成为拥有“主体性觉悟”的“探究者”,而不是“记忆者”．在具体教学活动中,通过探究活动的实施,让师生成为“探究的共同体”,合作学习能够提高学生的参与度和学习效率,陪伴学生自主学习同时关注学生学习过程和辅助学生顺利实现学习进阶．本节教学设计了5个教师和学生的活动,让学生自主思考,积极推动学生科学思维发展,抓住学生的原有认知,通过探究实验和演示实验的现象来引发认知冲突,引导学生分析背后的原因,从具体到抽象,实现物理逻辑思维的连贯性和进阶性．在学生活动中,不断重复“描述实验现象——总结规律——解释原因”的科学研究的3个环节,帮助学生从现象走向本质,如何观察和研究现象,找到发生现象的原因．这是在发挥物理学科科学育人的功能,用科学方法来探究问题,在解决问题中理解方法,获得知识,培养学生归纳和科学推理能力．学生收获的不仅仅是知识层面,也有科学探究的方法,为学生后续学习和持续发展奠定基础,这正是学生应具备的能够适应终生发展需要的关键能力,是实实在在培养学生的核心素养．

(3) 基于物理学科核心素养的有效渗透,要重视物理实验的设计与研发．要重视实验研究,特别是要重视演示实验和分组实验在培养学生探究素养方面的价值,同时教学过程中要重视引导学生思考实验揭示的物理原理．加强实验研究,本节设计了5个演示实验和学生实验,可以改变教学方式,借助实验帮助学生建构概念,学会抽象思维,并能够帮助理解规律．通过实验将物理知识联系生活实际,用物理视角分析生活现象,让学生知道物理有用、有趣.这是加深概念和规律理解的有效方法,发展和培养学生的核心素养．