注重核心素养提升的高中物理规律教学研究

梁春戈 唐昌琳

［摘 要］由于物理学研究的是“物质最基本、最常见的运动形式和规律”，因此具有高度抽象性和概括性。物理规律，是透过物理现象挖掘其物理本质的一种描述。文章以“楞次定律”的教学为例，通过“创设情境、科学探究、理解规律和学以致用”四个环节的设计，挖掘学生形成物理规律的思维过程，以期对物理规律教学提供参考。

［关键词］核心素养；高中物理；规律教学；楞次定律

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）05-0042-04

“物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。”这是《普通高中物理课程标准（2017年版）》对物理观念的描述。物理规律的认知过程，其实就是从貌似杂乱无章的物理现象出发，逐步探究概括出基本概念、基本规律的一个有序进阶的过程。充当主导者角色的教师要帮助学生建立正确而清晰的认知体系，透彻理解物理规律本质。物理规律的教学通常是由提出问题、探索规律、讨论规律和运用规律四个阶段组成。现以“楞次定律”的教学为例，通过创设科学的情境和有效的提问，为学生巧妙搭建思维桥梁，促进学生較好地理解物理规律，且能够运用已学过的抽象规律解决新情景中的问题，提高学科核心素养。

一、“楞次定律”教学难点分析

“楞次定律”是高中物理教学中典型、抽象的规律新知课课题，也一直是各省市赛课经典课题。从学生的认知角度来看，可能会遇到以下困难。

一是涉及多个物理量，比如原磁场方向、磁通量变化、灵敏电流计指针偏转方向与电流方向的关系、感应电流方向、线圈绕向和其他许多干扰因素的影响，容易使学生产生实验目的不明确和思维链太长等困惑，从而导致学生在有限的时间内很难找出隐蔽在变量间的复杂关系，所以不易确定感应电流方向与磁通量变化之间的关系。

二是不仅规律抽象、隐蔽，规律内容在文字叙述方面还具有高度抽象性和概括性。教学实践中，部分年轻教师有时为了所谓的“高效”，没有重视楞次定律的形成和理解分析，单纯地将楞次定律的教学变成“增反减同、来拒去留”的口诀式结论教学，造成学生死记硬背、生搬硬套，非常遗憾地错失了以规律教学促进学生思维能力发展的绝佳机会。

二、创设教学情境，引发认知冲突，激发学生求知欲

教学活动1：引导学生利用教具（一个强磁铁、一块铁块和一根厚铜管）（见图1）来做“磁铁在铜管中下落”实验。磁铁在铜管内以很慢的速度下落，神奇的现象让学生过目不忘。教师追问：磁铁穿过铜管的速度为何减慢了？怎样解释这一现象？为了诱发学生思考，教师可以引导学生将铜管看成是无数匝线圈，并让学生参与讨论（见图2），从而自然过渡到本节课要讲授的课题。

评析：教师精心设计教学情境，将学生的注意力吸引到课堂上来。创设的教学情境能让学生在运用已有知识经验解决问题的过程中产生认知矛盾或认知冲突，让学生产生探明其究竟的欲望，达到激发学生学习兴趣与促进学生主动思考的目的。

三、新课教学，学生自主探究

教学活动2：自制器材，优化实验，发现问题。

教师展示含有发光二极管的自制实验电路板（电路图见图2），手持强磁铁快速插入，稍作停留迅速拔出。同时设置如下问题链：（1）磁铁插入和拔出过程中分别观察到哪个颜色的二极管发光？（2）能否分别指出红色发光二极管和黄色发光二极管导通时对应的电流方向呢？理论依据是什么？

评析：传统教学中，教师习惯按照教材提供的方案处理楞次定律实验，这就要求教师在课前做好以下实验准备：①查明电流表指针的偏转方向与电流方向的关系（用废旧电池做瞬间试触操作，见图3）；②弄清螺线管导线的绕向；③按图连接线路。这样操作的弊端有：第一，容易分散学生的注意力，冲散探究目标；第二，电表结构封闭，感应电流方向的可视度不高，且存在偏转的惯性，指针有反偏现象，造成方向判断失误。基于此，笔者综合教材内容和教学经验对演示实验进行了优化改进，借助二极管单向导通的特性，将电流计换成并联反接发光二极管，哪个二极管发光，则说明感应电流方向符合对应二极管导流方向，这样可以减少探究电流方向与电流计指针偏转方向的关系这个环节，使学生有更多的时间用于交流讨论探究主题；也可以使实验现象更直观，减少对学生思维的干扰。

教学活动3：分组实验，合作探究。

这一环节，教师组织学生有序分组展开实验探究，引导学生思考，猜想感应电流的方向可能与哪些因素有关。小组分工合作时，不同的磁极朝向和磁极运动方向组合可能出现不同的实验方案，让学生两人一组做“磁铁N极下插、N极上拔、S极下插、S极上拔”实验，并在表1中做好记录。指导学生带着问题讨论：（1）能否根据表1中第3、第4行的实验数据找出感应电流I的方向跟线圈磁通量[Φ]的变化有什么关系？（从以往教学经验看，因为影响感应电流的因素较多且隐蔽，所以学生很难概括两者关系，教师可以引导学生通过一个中介——“感应电流的磁场”寻找两者关系）（2）电流周围存在磁场，磁体周围对应有一个磁场，产生的感应电流也会对应激发一个磁场，这两者之间会不会有联系呢？学生自主实验探究期间，教师巡视并密切注意学生的实验探究过程，并给予学生充分的帮助和指导，让学生有足够的沟通与表达时间，让学生通过思维碰撞，迸发智慧火花。

评析：从以往的教学实践来看，当学生从“感应电流的方向与原磁场的方向”找不出规律时，通常是不会联想到用感应电流的磁场方向作为“中介”寻找规律的。人民教育出版社出版的教学参考提议引入“感应电流磁场的方向”这一“中介”，所以预先设计好的学案表格中第4行留白不填写任何物理量。

四、归纳结论，理解规律

教学活动4：结合实验记录的数据，分组就磁通量变化与感应电流激发的磁场的方向之间的逻辑关系展开讨论，教师适时提出以下问题串：感应电流的磁场方向是否总是与原磁场方向相反或者相同？什么时候相反？什么时候相同？你认为感应电流的磁场对原磁场磁通量变化有何影响？尝试用简洁的语言提炼本组的结论。教师在此过程中要充分肯定其结论，针对存在的问题加以改正。

评析：这是学生探究过程中最关键的一环，有电即有磁，感应电流产生时，周围空间激发的磁场有两个，一个是磁体激发的磁场（因），另一个是感应电流激发的磁场（果），这两个磁场的方向在该探究实验中时而相反，时而相同，学生易知感应电流的方向与其磁场方向可以通过右手螺旋定则确定，所以只要界定两个磁场何种情况下相同，何种情况下相反，就可以判断感应电流的方向。为了帮助学生水到渠成地得出结论，设置了三个层层深入的问题。笔者认为，思维是通过问题启动的，教师提出的问题应具有逻辑性和层次性，教学中教师要善于设置有效的问题串，以引导学生发现问题、提出问题。问题与问题之间巧妙衔接，层层推进，最终得出楞次定律的主要内容。

教学活动5：楞次定律的理解及拓展。

［楞次定律的内容］

感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。教师可以总结板书（如图4）。

［楞次定律的理解］

楞次定律的表述简明扼要、高度概括。为进一步加深学生对“阻碍”一词的理解，建议教师设置如下问题串：（1）谁在阻碍？（感应电流的磁场）（2）阻碍什么？（原磁通量的变化）（3）如何阻碍？（当磁通量增加时，“反抗”磁通量增加；当磁通量减少时，“补偿”磁通量减少，即可简要概括为：增反减同）（4）阻碍的结果如何？（“阻碍”不是“阻止”。“阻碍”不能改变原磁通量的变化趋势，仅对磁通量的变化趋势起到延缓作用）

评析：楞次定律的内容不过几十个字，但具有高度的抽象性和概括性，要想深入理解楞次定律，学生应该弄清以下问题：（1）谁在阻碍？ （2）阻碍什么？ （3）怎样阻碍？（4）能否阻止？借助上面精心设置的问题串可以使学生明确知道它们的关系。

［更换视角，拓展延伸］

学生活动：如图5所示是一个支架铝环，[A]、[B]都是很轻的铝环，[A]是闭合的，[B]是断开的，当用磁体任意一极快速靠近铝环时，会看到什么现象？再把磁极从铝环中迅速抽出，又会看到什么现象？引导学生进行实验分析：根据楞次定律，当磁極靠近铝环时，铝环的磁通量增大，产生感应电流，且感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，则铝环与磁极间表现为斥力，铝环远离磁极；当磁极远离铝环时，铝环的磁通量减小，产生感应电流，且感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，则铝环与磁极间表现为引力，铝环跟随磁极。

教师总结：从导体和磁体间相对运动的角度来看，总是阻碍导体和感应电流磁体间的相对运动（如图6）。（来拒去留）

［楞次定律符合能量守恒定律］

从楞次定律可知，感应电流总是阻碍磁铁相对螺线管的运动。因此，教师利用图7物理现象进一步趁热打铁，引导学生思考把握：当把磁铁移进螺线管时，外力要克服磁铁和螺线管间的斥力做功，消耗机械能，产生的电能是从机械能转化而来的；当让磁铁离开螺线管时，外力要克服磁铁和螺线管间的引力做功，消耗机械能，产生的电能是从机械能转化而来的。

五、学以致用

［例1］（2018年高考全国Ⅰ卷）如图8，两个线圈绕在同一根铁芯上，其中一线圈通过开关与电源连接，另一线圈与远处沿南北方向水平放置在纸面内的直导线连接成回路。将一小磁针悬挂在直导线正上方，开关未闭合时小磁针处于静止状态。下列说法正确的是（）。

A.开关闭合后的瞬间，小磁针的N极朝垂直纸面向里的方向转动

B.开关闭合并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向里的方向

C.开关闭合并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向外的方向

D.开关闭合并保持一段时间再断开后的瞬间，小磁针的N极朝垂直纸面向外的方向转动

评析：通过例题讲解，学生在教师的引导下归纳应用楞次定律解题的思路：①明确原磁场方向；②明确穿过闭合回路磁通量是增加还是减少；③根据楞次定律确定感应电流的磁场方向。

［例2］如图9所示，导体棒ab向右运动，导体棒ab中的感应电流是沿哪个方向的？

教师提问：（1）我们研究的是哪个闭合电路？（abcd回路）（2）当导体棒ab向右运动时，穿过闭合电路的磁通量是增大还是减少小（增加）（3）感应电流的磁场方向如何？（垂直纸面向外）（4）导体棒ab中的感应电流是沿哪个方向的？（由b到a）

接下来，教师介绍判断感应电流的另一种方法——右手定则：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。

教师强调右手定则的适用范围：闭合电路一部分导线切割磁感线运动产生感应电流的情况。引导学生注意楞次定律与右手定则的区别与联系：（1）研究对象：前者为这个闭合电路；后者为切割磁感线的导体；（2）联系：右手定则是楞次定律的特例。

物理规律的教学是高中物理教学的重要内容，本节课以物理学科核心素养为主线，按照“实验激发兴趣—小组合作探究—师生互动推演—概括生成规律—规律应用延伸”的思路进行教学设计，这样的教学设计需要教师认真学习课程标准和研究吃透教材，明确教学目标和教学流程。整个教学过程以实验为载体、以问题为中心，推动学生思维螺旋式上升，促进学生核心素养提升。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版［S］.北京：人民教育出版社，2017.

［2］  阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2019.

（责任编辑 易志毅）