揭现象寻本质 教学路上不断超越自我——核心素养视域下“法拉第电磁感应定律”教学设计和思考

李春亚 岳 非

(河北辛集中学 河北 石家庄 052360)

法拉第电磁感应定律是电磁感应的核心内容，也是整个电磁学的核心知识，另外，法拉第电磁感应定律在电工、电子技术及电磁测量方面也有着广泛应用，与生产生活联系紧密，有着广泛的现实意义．

笔者认为既然是定律，就要让学生经历探究的过程，并且最终要有令人信服的实验数据探究出这个“等式”，而本身电磁感应部分的定量实验很少，课本在介绍定律前也只是“更精确的实验表明：”这样笼统一说，就直接得出了该定律．如何精彩高效地完成这节课呢？笔者陷入了深深的思考中．

物理核心素养中，明确提出学生实验探究时，要具备提出物理问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1]．

而问题驱动教学法即基于问题的教学方法(Problem-Based Learning)，是一种以学生为主体、以专业领域内的各种问题为学习起点，以问题为核心规划学习内容，让学生围绕问题寻求解决方案的一种学习方法．教师在此过程中的角色是问题的提出者、课程的设计者以及结果的评估．主要流程为：教师提出问题—分析问题—解决问题—结果评价[2]．

以下内容为笔者利用问题驱动式教学，参加石家庄市青年教师素质大赛优质课获得一等奖的教学设计和相关问题的思考．

1 教学设计

1.1 引入新课

师:讲课之前，我们先进行一个小魔术，好不好？我这里有一盏魔法灯，只要我的手一挥，它就亮，信不信？好，仔细观察!

教师轻轻地挥手，小灯亮了起来，越挥越亮(图1)．

图1 引入实验

师：想不想知道是什么原因？

生:想！

师:那我们就一同进入“法拉第电磁感应定律”的学习．

问题1：为什么小灯会亮？

问题2：为什么有时候非常亮，有时候不太亮？

师：接下来我们就一同来揭晓谜底．(展示盒内的大线圈，以及绑在胳膊上的强力磁铁，如图2所示)

图2 实验用的线圈和磁铁

学生纷纷猜测原因.

1.2 新课教学

解释问题1：为什么小灯会亮？

亮→说明有电流→则回路中一定有电源→只要有电源，就一定有电动势→在电磁感应现象中产生的电动势我们命名为“感应电动势”．

师:感应电动势产生条件是什么？

生:只要有磁通量的变化就可以．

投影:产生感应电动势是电磁感应现象的本质．

解释问题2：为什么有时非常亮，有时不太亮？

生:亮的时候说明感应电动势大，不太亮的时候说明感应电动势小．

师:下面我们就一同来探究一下影响感应电动势大小的因素．让学生分组讨论进行猜测．

生:可能与磁通量有关，有磁通量，就有感应电动势，磁通量越大，感应电动势越大．

师:大家利用手头的器材来进行探究，看是否是这样．

(学生分组实验，进行探究)答：即使磁铁放在线圈中很长时间，没有感应电流．放两根，也没有．说明感应电动势与磁通量无关．

师:还有没有其他因素？

生:磁通量改变量ΔΦ，线圈匝数N，时间Δt.

师:下面我们就设计实验进行探究(表1)．

表1 探究内容

学生分组实验，几分钟后找学生回答结论.

共同规律：感应电动势的大小与磁通量的变化快慢有关．

磁通量的变化快慢如何表示呢？(从数学角度定量表示)

生:不能．

1.3 实验原理

保持光电门和线圈的相对位置不变,把挡光片(非常窄)和磁铁固定在一起如图3所示.

图3 定量探究实验

光电门采集挡光时间信号，电压传感器采集挡光时间内的电压信号．

挡光片的挡光时间和此间产生的感应电动势通过转换器输出显示在电脑上．

图4 实验数据分析、拟合

课堂小结(教师评价学生活动后进行)：本节先通过一个实验探究，经历“提出问题—猜想”与“假设—制定计划”和“设计实验—进行实验”和“收集数据—分析与得出结论”等几个科学探究过程，利用控制变量法，重点是通过控制感应电动势与磁通量变化快慢、条形磁铁数目的关系入手，引导学生突破难点．通过讨论与交流，引导学生根据课本提示，进行理论探究，从而形成结论．并再次通过讨论与交流，深化对感应电动势表达式的认识．

2 有关教学设计的思考

2.1 引入实验

如果引入实验非常引人入胜，那么可以说这节课是成功了一半．开始时关于引入新课有这样几个方案.

(1)手摇式发电机

手摇式发电机(图5)更适合在交流电部分做引入，而且缺乏新意．

图5 手摇式发电机

(2)手持金属探测器

虽然学生很感兴趣，而且它的工作原理也确实是电磁感应，但是，它重点在于涡流，容易使学生产生误解，不采用．

(3)“魔法灯”——以小魔术的形式引入

魔法灯构成：纸盒，上千匝的大线圈(为提高束缚磁感线的效果，里圈固定一圈铁皮)，LED灯泡若干(大约1～2 V就可以亮)．(投影)

笔者的袖子内藏有强力磁铁：汝铁硼．

由于是魔术的形式，而且学生一开始都认为是不可能的，这样就吸引了他们的眼球．手挥动过后灯确实亮了起来，而且手挥得越快，灯确实也更亮．学生的兴趣一下子调动了起来， 这就使学生求知的气氛变得很热烈．教师趁热打铁，引入了对现象本质的思考．

2.2 探究法拉第电磁感应定律的定量实验(非常关键)

其实，一开始的时候，笔者并不准备用传感器，因为，第一，学生对传感器有隔膜感，第二，如果能用既简便又直观的探究方法，何乐而不为？

方案1：倍增法

这种方法来自于必修2“探究功与速度变化的关系”实验．

笔者认为，Δt不变时，如果能实验探究出E与ΔΦ是对应倍增的关系，那么，该定律的探究就前进了一大步．

用如6图示的实验装置．(投影)怎样使Δt不变呢？让电磁铁每次都从同一高度下落，则时间接近不变．

图6 方案1实验

怎样使ΔΦ倍增呢？利用学生电源，依次改变电磁铁的电流，1倍，2倍，3倍……同步观察灵敏电流计的最大值．(投影)

虽然看起来最大值是倍增的关系，但是由于电流表的指针变化得太快，可能学生还没看清，指针就摆回去了．还有，在实际操作中，很难在众目睽睽之下，每次都能把电磁铁准确地落入螺线管中．

所以，尽管这种方法是源自教材的方法，学生较容易接受，但是考虑到读数和操作问题，该方案只能放弃．

最终认为数字实验装置是最合适的．因为传感器的灵敏度很高，而且数字实验室可以同步记录数据和进行数据的分析拟合．

方案2：

让磁铁做自由落体运动，其上固定挡光片，光电门在螺线管外侧固定．由于挡光片宽度确定，每次挡光时间内磁通量的改变量相同，电压传感器对应输出挡光时间内的感应电动势，改变释放高度，从而改变时间，实验装置示意图如图7所示．可是遇到的问题是，要想让磁铁每次都准确地砸到螺线管中并非易事，很多时候都砸偏了，还有玻璃管易碎，不方便搬运，只能放弃这个方案．

图7 方案2实验

方案3:在方案2的基础上进行改进

方案3的实验装置如图8所示.

图8 方案3实验

(1)将磁铁固定于小车上，小车上有窄窄的挡光片．(点击)轨道上有窄窄的下凹轮轨，好像火车的车轮与火车道轨一样，能较好的保证小车不滑出轨道．

(2)螺线管固定于轨道上，实际操作时也对螺线管和条形磁铁进一步改进：螺线管换为大线圈，普通条形磁铁换为强力磁铁；目的是提高感应电动势的值，减小偶然误差．

(3)抬高导轨另一端，让小车下滑时获得较大速度，以获得较大感应电动势，减小偶然误差．光电门固定于铁架台上，较好地解决了上一方案的问题．

本节对实验的处理，重点在对实验现象的分析，思考讨论，找到实验表象下隐藏的共同规律，从而使得学生深刻理解法拉第电磁感应定律．还有，尽管在准备课的过程中，笔者心理和体力都经受了很大的煎熬，但是每当自己获得一些新的想法，获得理想的数据，就会兴奋不已，因为，为了准备出一堂高质量的课，心甘情愿！这也是教学艺术的魅力吧！

经过本课的“洗礼”，笔者更要在教学中，揭现象寻本质， 精益求精，不断探索，不断超越自我！