积极践行核心素养 创新探究楞次定律

江苏省宝应中学(225800) 曾宪龙 李芳芳

在教育部制定的《普通高中物理课程标准(2017年版)》中，楞次定律属于选择性必修2模块的内容。在选择性必修2模块的内容要求中表述为“探究影响感应电流方向的因素，理解楞次定律”，在选择性必修2模块的学业要求中有这样的表述“会做探究影响感应电流方向的因素等实验”“能正确操作实验器材，获得可靠的实验数据，通过分析数据、发现规律，进而通过归纳形成简洁的、具有普遍意义的结论”[1]。楞次定律是电磁感应的核心规律，是教学中的重难点，长期以来成为公开课、赛课的经典课题。在常规教学中许多教师不愿意突破以往的教学习惯，因此对本节内容进行创新设计不易。在新课标要求下，践行核心素养的教学理念深入人心，再加上新的实验仪器DIS设备的引入，笔者对本节课的结构和细节进行了创新设计，经实践检验，教学效果得以显著提升。

学生是学习的主体，教学设计首先要尊重学生认知的一般规律：由特殊到一般，由易到难。所以，笔者将右手定则提到楞次定律之前，即先由实验得出右手定则，方便学生理解物理情境并形成物理概念，使学生建立能够判断出感应电流方向的信心，然后在此基础上去探究楞次定律。探究过程中精准把脉学生的最近发展区，全方位体现物理学科核心素养的要求。

1 实验准备

本节课的目的是探究感应电流方向的规律，为了达到目的，首先应确定微电流传感器采集到的数据的正负与流入传感器的电流方向之间的关系，在此使用“试触法”。具体实验细节如图1所示，实验结论：电流从微电流传感器红色夹子流入，采集的数据为正值，反之为负。

图1 试触法示意图

这样设计的理由有以下3点：①因为本实验为本节课的开场实验，安排学生参与“暖场”，有利于构建专注、和谐的课堂气氛；②因为微电流传感器的量程过小(只有10 μA)，需要串联105Ω数量级的电阻，很多实验室并没有这种电阻，而人体的电阻恰好在这个数量级上；③让学生在实验中感受人体作为导体，并可以估测出自身的电阻，了解安全用电等知识。

2 精心设计实验进行探究

2.1 探究右手定则

2.1.1 实验设计

本实验中应该用导体棒切割磁感线运动，但由于示教电表灵敏度不够，以往许多教师用多匝线圈来代替。这样做实验效果虽然明显，但是实验器材复杂化了，变相增加了探究难度。如果使用DIS微电流传感器来测电流，如图2所示，实验过程简明，结果显示清晰，有利于快速准确得出结论。

图2 导体棒切割磁感线

2.1.2 实验数据结果

实验记录如图3所示(其他3种情形图示未画出)。

图3 导体棒切割磁感线实验记录

2.1.3 实验数据分析

师：观察数据，数据反映了磁感应强度方向、导体棒切割磁感线运动方向和感应电流方向这三个量之间的方向关系，这三者具有什么样的关系呢？

生：三者空间垂直。

师：(启发)在磁场的学习中，我们有没有见过这样的空间垂直关系？

生：判断安培力的方向时，曾经见过这样的关系。

师：(类比)我们曾经用什么简洁的办法表达这种关系呢？

生：左手定则。

师：请同学们用左手定则来试一试。有什么发现？

生：(疑惑)很困难，好像总是与手指的指向相反。

师：换成右手试试呢？

2.1.4 实验结论

至此，右手定则已经跃然于嘴边，教师需用规范的语言表达右手定则的操作过程。经历了探究过程，学生已经找到了一种判断感应电流方向的方法，大大增强了学生继续探究下去的信心，学生的思维正处于活跃期。教师趁机抛出下一个问题：在导体没有运动而是由于磁场变化发生电磁感应的情况中，如何判定感应电流的方向呢？

2.2 探究楞次定律

2.2.1 实验设计

在经典实验中，探究楞次定律的装置如图4(a)所示，为了使示教电表的指针有明显的转动，往往需要选择匝数很多的线圈。这样会给学生带来一个难点：“线圈绕向”，造成思维链条过长不利于探究。笔者的解决方案是用单匝线框替代多匝线圈，从而避免了“线圈绕向”这一难点。但是单匝线框产生的感应电流很小，需要将示教电表换成微电流传感器，如图4(b)所示。

图4 探究楞次定律示意图

2.2.2 实验数据

实验数据见表1。

表1 4种情形下感应电流的方向

2.2.3 基于实验数据的生长性探究

(1)第1次生长

师：观察表格，你能发现感应电流的方向有什么规律吗？

生1：N极插入和S极拔出产生的感应电流方向一致，都为逆时针方向。S极插入和N极拔出产生的感应电流方向一致，都为顺时针方向。

师：这位同学发现的规律可以作为我们判断感应电流方向的依据吗？

生2：(思考)可以，只要知道这4种情形的1种，就可以推理出另外3种情形。

师：这位同学推理能力很强，但是你的前提是先得知道某一种情形。

总结出的规律只是4种现象之间的相互关系，所以不便于广泛应用。如果你能透过这4种现象，找到它们的共同特点，或许可以得到更一般的规律。继续追问，产生感应电流的原因是什么？

生：磁通量的变化。

师：请在表1下面增加一行，然后将磁通量的变化情况填入表中。

教师的启发，让学生学会透过现象看本质，找到第1个生长点，保证探究活动得以继续，这种由现象逐层接近本质的思考方法，下面将会多次使用。

(2)第2次生长

师：继续观察思考，能发现感应电流的方向与磁通量的变化之间的规律吗？

生：好像没有特定关系，看不出来有什么规律。

师：(提示)实验中是什么原因引起磁通量的变化呢？

生：是线圈中磁场的变化引起的。

师：于是，我们发现了一条逻辑线索：磁场变化——导致磁通量变化——产生感应电流。我们刚才想要寻找感应电流的方向与磁通量变化的关系，现在可转化为寻找感应电流的方向与线圈中的磁场方向之间的关系。

探究活动中，如果教师直接给出答案，让学生按照答案填表，表面上看探究很顺利，实际上是伪探究，会失去培养学生科学探究思维的机遇。

师：我们需要在刚才“生长式表格”的下面再加一行，并将磁场方向填入其中。

(3)第3次生长

填写完成后学生更加找不到感应电流方向的规律，思维再次受阻。此时有部分学生会出现焦躁情绪，想要放弃探究，急于翻书直接获取答案。为了缓解学生紧张情绪并将学生注意力保持在探究活动上，这里插入一个有趣的实验，实验示意图如图5所示。为什么磁铁插入闭合铝环时会引起铝环转动？这正是因为磁铁的磁场和感应电流的磁场之间发生相互作用力，使闭合铝环发生转动。从而引出“感应电流的磁场”这个“隐藏量”。这是本课探究时最困难的地方，学生很难想到借助“感应电流的磁场”这个概念。通过一个小实验能轻松化解这一难题，为解释看到的实验现象，顺势引出了隐藏的物理概念，这一案例充分说明了实验在物理教学中的重要作用[2]。

图5 磁铁插入铝环引起转动

有了前两次表格生长的经验，学生已经会自觉地在“生长式表格”下面再加一行，先运用右手螺旋定则得出感应电流的磁场方向，并填入所加的一行。需要提醒学生的是，为了区分条形磁铁的磁场和感应电流的磁场这两个磁场，应将表格第四行的“磁场方向”改为“原磁场方向”(见表2)。

师：再次观察表格，能找到感应电流的磁场方向与原磁场方向之间的关系吗？

生：时而相同，时而相反，好像还是没有特定规律。

师：何时相同，何时相反？

生：当磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，当磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。

表2 生长式逐层探究楞次定律表格

师：说的太好了，我们可以把这种关系简化为四个字“增反减同”。现在我们已经将原本4个不同的现象归纳为“增反”和“减同”两类，再进一步提炼，可用更简单的语言来概括这两类不同现象的相同之处(请同学们讨论交流)。

生：(提示)增加——就“相反”，减少——就“相同”，说明感应电流的磁场产生什么样的效果呢？

生：(齐声回答)阻碍原磁场的磁通量的变化。

2.2.4 实验结论

探究至此，楞次定律的内容已经呼之欲出，规范表达定律内容，并补充说明楞次发现这条规律的艰难历程，学生自然会感同身受，达到培养学生科学态度和责任的目的。

3 实验教学的有效策略

物理实验教学要追求创新，与重、难点切合度高是有效的先决条件。实验的选择要有趣、新颖、可靠、参与度高。实验排列的顺序应由易到难，由浅入深，由具体到抽象，由定性到定量，由现象到本质。试触时人体充当电阻的实验可以提高参与感，提升实验认可度，既吸引了眼球又普及了科学常识，还能为自感教学中的“千人振”实验埋下伏笔。让条形磁铁插入圆环实验设计在探究的最困难处，不仅能引出隐藏量——感应电流的磁场，还能缓和紧张的气氛，为接下来的总结归纳积蓄力量，以便学生用最专注的状态达到最深的思维维度。这样，短期内学生能深刻全面理解楞次定律，远期可以让学生对这堂课终身难忘，真正体现了核心素养中科学探究和终身学习的科学态度与责任要求。