問題引領 體悟踐行
——“探究感應電流產生的條件”教學設計

周 鵬

(江蘇省揚州中學，江蘇 揚州 225009)

當今世界許多國家的教育改革都把培養學生良好的科學素養列為基本的目標．我國的《高中物理課程標準》也明確以提高全體學生的科學素養、促進學生的全面發展作為主要目標．基于此,筆者在“對話·體悟”式高中物理教學中,把“問題”作為學習的主線(知識問題化設計),以“對話”作為課堂教學的主體方式,讓“體悟”貫穿于整個課堂學習過程,以物理學科核心素養的形成作為學習的最終目標,努力構建高效課堂．

“對話·體悟”式高中物理教學構建高效課堂的關鍵,就在于要通過科學自然的“對話”(多以問題串的形式呈現)激發學生的學習興趣,調動學生的思維,使學生盡可能地處于積極主動的自主思考狀態,以問題為中心引領課堂教學．教師決不是為了問題而生硬地拋出一系列的所謂問題,而是以學生學習的思維為主線,通過科學的設計,以幾個中心問題引導學生自然地生成相關的子問題,從而有效地驅動課堂“對話”在自然、有序中向前推進．現以“探究感應電流產生的條件”為例說明．

1 教學設計

本節課內容是人民教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3-2第4章第2節新授課內容,是在前節“劃時代的發現”的基礎上引出的．法拉第潛心研究了10年左右才發現的規律,要保證絕大部分學生在短時間內能完成相關探究實驗的設計和驗證操作,并能得出相應的結論,就必須要突出前節課文中提到的當年法拉第所給出的產生感應電流的5種情況．此外,本節課學生的探究過程和所觀察到的現象,對于學生今后進一步學習楞次定律、法拉第電磁感應定律等知識也有較好的鋪墊作用和指導意義．

圖1

1.1 問題導入，創設情境

情境: 利用圖1所示的閉合回路產生感應電流(溫故知新).

1.1.1 師—生對話,導入情境

(1) 如何才能由磁生電?是不是只要將一個磁鐵放在回路的旁邊就能產生感應電流?

(2) 在初中時我們是如何利用圖1所示的閉合電路產生感應電流的?

生: 在問題的引導下,利用手邊的實驗器材,重現初中所學的過程．

1.1.2 生—生對話,分小組交流、討論

師:按照初中所學的方法,我們所總結出來的產生感應電流的條件是如何表述的?

圖2

生:閉合電路的部分導體,在磁場中做切割磁感線的運動時,電路中就會產生感應電流(結合圖2說明,各小組相互啟發,相互補充)．

師:電路中的電流應當是由電源提供的,那么在圖2所示電路中,哪一部分相當于電源?(為后面提出“感應電動勢”的概念作鋪墊)

生:線圈B,電流表相當于用電器．

1.2 問題推進 合作探究

1.2.1 師—生對話,深入思考

(1) 閉合電路不動時,能否產生感應電流?

(2) 如果能,那么在圖1所示的電路不動時,你還能設計出什么方法能使線圈回路中產生感應電流?

提示:請大家利用手邊的實驗器材[靈敏電流計、條形磁鐵、原、副線圈、電源(電池盒6 V)、滑動變阻器(10 Ω)、開關、導線(6根)],根據法拉第給我們的“提示”,注意保持圖1所示回路不動,分小組進行探究．

1.2.2 生—生對話,合作探究

要求:分組討論可能的方法，設計實驗，分組探究驗證,形成共識(同時記錄相關現象).

教師巡回指導(使學生學會抓住問題的關鍵——“線圈所在處的磁場有所改變”,為在后續學習中順利找到“磁通量變化”這一本質原因作良好的鋪墊);引導學生記錄相關實驗現象,讓學生學會思考,會找相關的理論依據,會歸納事物的共性特征.

1.2.3 師—生對話,方法歸類

(1) 你用的什么方法得到感應電流的?

(2) 設計的依據是什么?

(3) 如果有原理圖或電路圖,請畫出.

圖3

生: 分小組、分情況匯報探究結果(邊匯報邊篩選,羅列典型的實驗方法和現象．強調線圈A、B所在回路相互獨立)．

方法1:讓條形磁鐵上下運動(如圖3所示)．依據是相對運動原理．

實驗現象記錄如表1.

表1

圖4

方法2:讓通電線圈A在線圈B中上下移動(如圖4所示)．原理是用電磁鐵代替永磁體．現象與表1所述相同．

師:以上方法中,線圈和磁場間都存在著相對運動,上述兩種方法都等同于線圈在切割磁感線．那么,能不能在閉合回路跟磁場間沒有相對運動的情況下產生感應電流呢?

提示:在初中時我們就知道,相對于永磁體,電磁鐵的優點在于可以方便地調節其磁性的有無和強弱．我們可在此基礎上進一步思考．

生:進一步小組探究,仔細觀察每一個實驗細節．

方法3:在圖4所示裝置中,斷開或閉合開關,或者是在開關閉合時,較快地移動滑動變阻器的滑片時,也能產生感應電流．原理是由變化的電流產生變化的磁場,而法拉第的研究告訴我們,變化的磁場就能夠在閉合回路中產生感應電流．

方法4:在圖4所示裝置中,在開關閉合時,在線圈A中迅速拔出或者插入鐵芯時,也有感應電流產生．原理與方法3相同,即改變閉合回路所在處的磁場強弱時,可以產生感應電流．

實驗現象記錄如表2.

表2

初步結論:只要閉合電路所在處的磁場發生變化,電路中就會產生感應電流．

1.3 問題點撥，體悟本質

1.3.1 點撥

應當說,實際教學過程中得到以上相關現象和結果并不是太困難,但要從中悟出產生感應電流的根本條件,沒有一定的點撥是很難做到的．

師:如果讓條形磁鐵沿線圈B軸線的中垂線,從側面靠近(或遠離)線圈B,或者讓線圈A和B的軸線相互垂直放置時,線圈B回路中有沒有感應電流呢?

生:繼續分組探究,發現此時雖然線圈B回路所在處的磁場也發生了變化,但并沒有使回路中產生感應電流．

體悟:以上的初步結論還存在不完善的地方．

師:法拉第的偉大之處還在于,他創造性地用形象的“場線”來直觀地描述抽象、無形的磁場.

以此引導學生在相關實驗裝置簡圖中畫出相應的磁感線分布情況(如圖5所示),并深入思考產生感應電流的根本條件．

圖5

師:我們通過探究實驗,知道了能夠產生感應電流的情況是多樣的,法拉第當年就概括出5種情況,其實歸根結底就是閉合回路所在處的磁場發生了變化，進而導致該區域的磁通量發生變化．所以,我們可以怎樣歸納產生感應電流的根本條件呢?

生:只要穿過閉合導體回路的磁通量發生變化,閉合導體回路中就有感應電流(本質原因)．

1.3.2 鞏固深化

討論人教版高中物理選修3-2教材第7～9頁習題(1、2、6、7),突出“利用磁通量的變化來判斷感應電流的有無”的方法,并利用(1乙、2)說明用原有的“部分電路切割磁感線”的方法判斷感應電流有無存在一定的局限性．

1.4 問題引領，踐行升華

1.4.1 師—生對話,承上啟下

問題：(1) 在以上各種情況下,如果電路沒有閉合,電路中能有電流嗎?

(2) 在磁通量發生變化的過程中,一旦電路閉合,電路中能否產生感應電流?

(3) 對比以上兩個問題,你能得到什么結論?

演示實驗1:用放在通電電磁爐上面的線圈B點亮發光二極管．

演示實驗2:將發光二極管換成電壓傳感器(20 V擋),測量放在通電電磁爐上面的線圈兩端的電壓(實驗顯示瞬間電壓可以達到甚至超過13.99 V,如圖6所示).

圖6

感悟:電動勢是形成電流的原因,當磁通量發生變化而電路不閉合時,電路中仍存在電動勢,即感應電動勢，其中發生電磁感應的部分電路充當“電源”(為后續的電磁感應現象中的電路問題打好伏筆)．

1.4.2 師—生對話,踐行升華

師:既然我們已經知道了產生感應電流的條件,那如現在就給你一根足夠長的導線(強調除了必要的測量儀器外,不再給其他器材),你能用它得到感應電流嗎?

生:(小組討論后)可以利用地磁場,在地磁場中搖動長導線,即搖繩發電．

師:沿哪個方向站立時,發電的可能性更大?(以此強調地磁場的分布)

生:最好沿東西方向站立．

創新實驗演示:由兩位學生協助,演示搖繩時產生感應電動勢的情況.

創新點: (1) 因為地磁場太弱,所以感應電流不明顯,故改用微電壓傳感器測量長導線兩端的電壓.

(2) 由于搖繩時產生的是交變電壓,電壓傳感器的示數不斷地變化,且變化較快,不便于觀測．所以實際改用了顯示電壓波形的方法來展示產生的感應電壓情況，現象如圖7所示(圖7的中間部分為導線在近乎勻速搖動時的電壓波形,兩端的微弱波形是導線搖動加速和減速階段時的波形)．

圖7

2 教學體會

本節課的教學內容比較明確,學生都有一定的準備知識,接受起來并不困難．所以,本節課就能夠大膽放手讓學生自主進行實驗探究．為了使教學流暢、緊湊,時時能抓住學生的思維,本課在中心問題的設置上下了一番功夫,目的是為了能讓師生對話和學生的思維自然地推進,使得學生的感悟由淺入深,由片面到全面,由現象到本質,以便時時能使學生的思維處于活躍狀態,從而提高課堂效率．同時,在教學過程中還注意兼顧到了學生的后續學習,總體教學效果很

好．本節課也可以嘗試以“翻轉課堂”的形式,由學生先行自學,課上通過小組討論和協作,重點解決“如何產生?如何使現象更明顯?如何設計相關實驗進行驗證或探究?產生感應電流的本質原因是什么?”等關鍵性問題,然后由學生以匯報的形式,邊匯報邊演示(教師則在課前充分準備好學生可能需要用到的實驗器材),從而能最大限度地調動學生的學習熱情,發揮學生的主觀能動性,并使得課堂更加貼近學生的認知水平,從而更加有助于學生核心素養的培養．

參考文獻：

1 人民教育出版社課程教材研究所.物理選修3-2教師教學用書[M].北京： 人民教育出版社,2010.

2 劉小蘭,周鵬.對話·體驗·感悟——“平拋運動”教學案例分析[J].物理之友,2017(10)：11-14.

3 劉冬巖.有效提問是教學對話的生長點[N].中國教育報,2012-1-20,第7版.

4 彭前程. 積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理,2016(2)： 1-2.