基于教材中“楞次双环实验”题开展的科学探究及其教学实践*

周新雅 刘尧 邹芳

(江西师范大学物理与通信电子学院 江西 南昌 330022)

科学探究既是人类认知世界、获取科学知识的一条重要途径，又是学生主动学习科学知识、体验科学探究过程、掌握科学实验方法的有效活动．根据《新课程标准》的要求，培养学生的探究能力是中学阶段的重要目标之一．教材作为“教师教”与“学生学”的重要中间介质，为师生提供了丰富的探究内容．以下将以教材中的一道习题为基础，阐述如何利用“楞次双环实验”题进行学生核心素养中的科学探究能力培养．

1 应用于科学探究的“习题”原文

“楞次双环实验” 人教版高中《物理·选修3-2》(2010年4月第三版)第四章第3节“楞次定律”课后“问题与练习6”如图1所示[1].

图1 教材插图

对于该实验，教参所描述的大意为：“用磁铁上的任意一极去靠近闭合环时，穿过闭合环的磁通量增加，根据楞次定律，闭合环中将产生感应电流，阻碍磁铁向闭合环接近，闭合环因此远离磁铁；同理可得，当磁铁远离闭合环时，闭合环中的感应电流阻碍磁铁远离，闭合环将跟随磁铁移动．当磁铁靠近开口环时，由于其断开无法产生感应电流，不管磁铁远离或靠近环，开口环都不会移动．”[2]可见该实验不仅操作简单、现象直观，还可以很好地说明问题，帮助学生理解楞次定律的内容，所以很多教师将其作为验证楞次定律的演示实验带入课堂，帮助学生理解“来拒去留”与“增反减同”的物理意义．然而，实验效果真的如此理想吗？笔者对该问题进行了深入探究．

2 基于“楞次双环实验习题”的探讨过程

2.1 进行实验

从改变磁铁磁性强弱、磁铁插入方式以及铝环3个角度出发，进行了如下实验.

实验一：用磁性不同的磁铁进行实验

当选用磁性不同的磁铁进行实验时，得到如表1所示的结果.

表1 探究磁性强弱的影响

实验二：改变铝环进行实验

(1)分别用薄、厚、宽、窄、大、小的铝环进行实验，发现实验结果并没有因铝环的薄厚、宽窄、大小不同而显著不同；

(2)用与A环质量相同的塑料替代A环进行实验，分别用弱磁铁、正常磁铁、超强磁铁进行实验，实验结果与实验一基本一致．

实验三：改变磁铁插入方式进行实验

用超强磁铁在环的上侧远离或靠近，环也随之运动

2.2 现象原因解释

实验一：当弱磁铁靠近A环时，环内部产生感应电流会抵抗磁通量的增加，从而产生阻碍弱磁铁靠近的力．由于磁铁磁性较弱，产生的力太小，不足以使A环运动(支点有摩擦力作用)．B环是不闭合的，只能在环内部产生感应电流，也就是涡流，由于磁铁磁性较弱，产生的力较小，故B环也不动．但是当用超强磁铁进行实验时，A环发生移动原因与教参所述吻合，而当超强磁铁一极靠近B环时，磁铁和环之间发生相对运动，环内部电子发生移动，产生涡流，在超强磁铁生成的强磁场中，B环运动．

实验二：其实验结果与实验一相同，说明楞次双环实验中环的动与不动跟环的厚薄、宽窄、大小无关．当用质量相同的塑料代替A环时，实验结果未发生变化说明B环的移动与否与A环的磁通量变化无关．

实验三：进一步说明环的运动是因为环的内部产生了涡流．

综上发现楞次双环实验中环的动与不动，主要是与磁铁的磁性强弱有关．

3 在课外实验探究活动中培养学生探究能力

基于教材课后练习，将“楞次双环实验”中环的“动”与“不动”的设置成课外实验探究活动，既可以增强学生对楞次定律和涡流的理解，又可以增加知识点之间的横向联系，显然是很有意义的．从研究活动的一个相对完整的周期看,是以发现问题和提出问题为起点,以解决问题并提出新问题为终点的一种理性探究过程[3]．在探究过程中，教师要引导学生在真实的情境中，从日常生活及自然现象或实验现象的观察中，从物理的角度发现问题，书面或口头表述这些问题；根据已有的经验和知识，对问题的成因提出猜想，对探究的方向和可能的结果进行推测与假设，综合运用所学的知识和技能解决问题，形成一些基本策略．例如下面的案例.

让学生阅读书本上的习题并思考实验结果，然后用超强磁铁向学生演示实验，让学生仔细观察实验现象．

问题1：老师演示的实验是否与大家预料的结果一致？(激发学生的求知欲和好奇心)

问题2：为什么我们的实验结果会与我们用已学知识判断的结果不同？

问题3:能否说出我们的实验在哪里出了问题，那么开口环的移动到底与什么因素有关？实验中我们只用到了磁铁和铝环，是磁铁的问题还是铝环的问题？

问题4：铝环、磁铁的哪些因素造成我们实验的失败？

启发引导：环的形状、大小、开口大小以及磁铁的强弱是否是实验失败的关键．

问题5：找到影响因素后应该设计怎样的实验来验证之前的猜想？怎么样消除不同因素的相互影响？ (组织学生按照下列表格进行实验，并将实验结果填在表2中)[4]

表2 探究环的结构影响

问题6：一旦发现开口环的移动与它的大小、厚薄、开口程度都没有关系时，那说明是否与磁铁的磁性有关？应该用磁性更强的磁铁还是更弱的？(组织好学生将磁铁换成正常磁铁重复上表实验)

问题7：实验结果是否与大家最初预料的一致？开口环发生移动的本质是什么？(组织学生交流讨论)

启发引导：大家回忆一下，曾经学习过的涡流．在一块金属内部只要有变化的磁场就会有许多小型涡流产生，涡流激发出磁场，反过来与磁铁相互作用，就会有力的产生，所以开口环会移动．(让学生将开口环与电流计串联，用超强磁铁进行实验并观察实验现象)

问题8：为什么用磁性较弱的磁铁进行实验时开口环不发生移动？难道是里面没有产生涡流吗？(当磁铁磁性较弱时，环中依旧产生涡流，只不过是磁性较弱，产生的力太小而双环的支点上有摩擦力阻碍了它运动)

问题9：既然大家明白了其中的道理，那大家预测一下如果用磁铁靠近一张铝箔，铝箔会跟随磁铁移动吗？(进行实验，实验结果铝箔会跟随磁铁运动)

总结：开口环的动与不动只与磁铁的磁性强弱有关．

学生通过经历一系列的探究过程，不仅可以加深对已学知识的理解，使知识与知识间的联系更加紧密，还可以通过不断地思考提高思维品质．在实验探究过程中学生主动与小组成员积极合作、有效交流分享、协同完成任务，准确表述、评估和反思实验过程与结果，并交流实验中未解决的问题，进一步发现新的问题，对实验不断改进，有利于提高学生团结协作的能力．

4 反思

培养学生的探究能力是科学探究的重要组成部分，引发学生的认知冲突是激发其探究意识的方式之一．在上述活动中学生通过思考提出双环“动”与“不动”可能与环的形状有关，并积极地对猜想进行实验，对得到的实验结果进行分析论证，寻找问题的本质原因，有效地将科学探究方法内化为学生的物理思维品质．

现行教材虽然加大了实验部分的比重，但是大多实验仍然还是验证性的，由于验证性实验的结果是可以预知的，学生对其没有太多的好奇心与兴趣，不会进行太多思考，机械地进行操作，这样就不能较好地培养学生的探究能力．只有让学生处于主体地位，真正经历 “提出问题--猜想与假设--制定计划与设计实验--进行实验与收集数据--分析与论证--评估”这一过程，才能真正提升学生的科学探究能力．