基于物理核心素養下的深度教學

黃河

摘 要：如何培養學生的物理核心素養，如何進行智慧教學并實現這一目標，本文以 “交變電流”這一教學內容為例，從物理學科的實踐性、物理知識的延展性、物理模型的差異性三個方面進行了闡述，從數理結合的融合度著手，體現了物理概念和規律的深度教學。

關鍵詞：核心素養 ；實踐性；延展性；差異性；數理結合的融合度；深度教學

在實現高中物理核心素養背景下，教師應依托教材，讓課堂充滿智慧，迸發創新思維的火花，使教學模式和學習方式發生根本性的變革。從而促使學生將物理知識內化，培養學生的物理思維，使學生具有分析和解決物理問題的特質，從而實現高中物理核心素養的要求。下面筆者以“交變電流”這一教學內容為例，結合自己的教學實踐談談做法。

1 引用實例，學以致用，體現物理學科實踐性

物理與生活息息相關，物理原理的應用在生活中比比皆是。將生活實例引入課堂，有助于激發學生學習物理的興趣，促進課堂教學質量的提升[ 1 ]。筆者在備課中用心搜集生活實例，使學生意識到學物理的實用性，注重以物寓理。課上，筆者展示了自行車上照明用的車頭燈、220V單相交流發電機、風速儀實物，讓學生觀察和拆卸。生活實例的引入激發了學生的學習興趣，探究欲望被點燃，興致勃勃地進行觀察思考、動手操作、剖析模型結構、思維碰撞、分析原理等一系列學習活動，感性地認識了產生交變電流的模型，實現了自主學習，起到了事半功倍的教學效果。實例與圖示如下。

例1：自行車上照明用的車頭燈的原理分析（如圖1所示），在自行車前進的過程中車輪通過摩擦帶動摩擦小輪，從而通過轉軸帶動磁極旋轉，在U形鐵芯中形成交變的磁場，在電樞線圈中發生電磁感應現象，從而在車頭燈回路中形成交變電流。

例2：單相交變電流發電機的原理分析（如圖2所示），通過外力旋轉磁極，同理會在電樞線圈回路中形成交變電流。

例3：風速儀的原理分析（如圖3所示）[ 2 ]，風吹風杯通過轉軸帶動磁極旋轉，利用電流測量裝置測出線圈回路中的交變電流。

在以上教學過程中，筆者將知識和應用進行深度融合，先通過實例的分析讓學生體會到物理就在我們的身邊，感受知識的力量，從而激發學生學物理的濃厚興趣。而后引導學生比較以上種種生活實例，發現其中蘊含的物理知識是一樣，有異曲同工之妙，告訴學生只要肯動腦，就可以創造生活，讓學生體會到物理知識的實用價值。循序漸進，實現深度教學。

2 創設模型，舉一反三，探究物理知識的延展性

認知心理學表明：學生在進行抽象的思維活動過程中，往往難以擺脫已有的思維方式。所以教師必須十分注意培養學生的求異思維，使他們逐步形成多角度、多方位的思維能力。筆者以實現正弦式交變電流即瞬時電動勢表達式e=NBS？棕sin？棕t為目的，從導體切割磁感線產生電動勢E=BLv⊥或從法拉第電磁感應定律e= （Δt→0）角度出發，引導學生積極思考。通過教材中產生正弦式交變電流的模型的學習，使學生建立起物理模型即在勻強磁場中一矩形線圈繞垂直于磁場的軸勻速轉動。挖掘其本質其實是改變導體棒切割速度v⊥（如圖4所示）。而后，引發學生進一步思考討論：是否進一步可以有其他的產生模型？一石激起千層浪，在教師的引導下，學生從不同角度入手積極思考，他們的思維躍動著創新的火花。

思路一：可以改變導體切割磁場的有效速度v⊥

物體的運動可分為轉動和平動，這就為我們提拱了兩種可能的設計方案：

（1） 如圖4所示，N匝的線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的軸轉動，如圖所示從中性面開始計時，則

e=2NBladv⊥=2NBladvsin？棕t=2NBlad（ ？棕lab）sin？棕t=NBS？棕sin？棕t

筆者引導學生進行發散性思維：對軸進行平動至線圈上任意一個位置或線圈外任意一位置；軸也可以在平面內轉動如軸與磁場平行或軸與磁場成？茲角。

（2） 如圖5所示，導體棒在勻強磁場中以速度v=v0sin？棕t作切割磁感線運動，則e=Blv=Blv0sin？棕t

思路二：可以改變磁場的磁感應強度B

可以利用時空的變化營造出產生正弦式交變電流的情境。這同樣有兩種可能的設計方案：

（1） 從時間上設計

如圖6所示，一矩形線圈處在某一豎直向下的磁場中，該磁場的磁感應強度B隨時間t變化規律為B=B0sin？棕t，根據法拉第電磁感應定律E=N =N S，若Δt→0，則線圈中產生電動勢的瞬時值e=N S，所以函數B（t）的導數即 =B0？棕cos？棕t，由此可得e=NB0S？棕cos？棕t。

（2） 從空間上設計

如圖7甲所示，磁場垂直于xoy平面，如圖7乙所示在沿

x方向的磁感應強度隨位移x變化規律為B=B0sin x，當導體桿以速度v沿x軸勻速運動時，桿產生的感應電動勢e=Blv=B0lvsin x。

思路三：可以改變導體切割磁場的有效長度l

在導體棒勻速切割勻強磁場時，通過有效長度的變化來實現回路中交變電流的產生，如圖8所示，兩條絕緣的導軌形狀滿足y=Asinx，則當導體棒以速度v勻速沿導軌滑動時，在導軌間導體產生的電動勢為e=B2yv=2BAvsinvt。

思路四：可以改變閉合回路在磁場中的有效面積S

如圖9所示，閉合回路ADC在半圓形區域的勻強磁場B中，A、C端固定，D端從A開始繞圓弧ABC緩慢移動，則閉合回路中在磁場中的有效面積S= .2R.Rsin？棕t，所以函數S（t）的導函數即 =R2？棕cos？棕t，則在閉合回路中產生瞬時電動勢e= = =BR2？棕cos？棕t。

通過上述各種模型的建立和分析，引導學生進行研究性的學習，深入思考，舉一反三，讓學生從本源上掌握交變電流的形成原理即電磁感應，在潛移默化中把握物理思想和方法，并能將知識進行關聯、遷移和運用，將課堂教學引向更深的層次。

3 關注細微，明辨是非，識別物理模型的差異性

物理教學的過程必然要從直觀立體轉入抽象思維，從感性認識層面走向理性化邏輯推理。對物理問題的分析過程應滲透數理結合能力如微積分和導函數思想運用。對于交變電流的產生電動勢公式e=NBS？棕sin？棕t學生往往只停留在死記硬背的層次，筆者從細微處著手，積極地引導學生進行深度的學習，辨析物理概念和規律，將交變電流的知識進行拓展和外延。

3.1 線圈形狀的變化

教材提供的是矩形的線圈，筆者抓住這一細微處，啟發學生思考：若變化為圓形線圈或三角形線圈，表達式還成立嗎？此時應用數學微積分思想化曲為直、累積法進行剖析，可以很容易理解e=NBS？棕sin？棕t仍然是適用的，有效地提高了學生數理結合能力。

3.2 軸的位置的變化

教材中模型涉及到兩邊切割磁感線，從而引發了電動勢的“順接”情況的發生，線圈中總電動勢等于兩邊產生的電動勢之和。若將線圈的轉軸平行移至線圈的一邊，并與之重合，如圖10甲所示，則沒有“順接”問題，線圈中的電動勢e=NBladv⊥=NBladvsin？棕t=NBlad？棕labsin？棕t=NBS？棕sin？棕t。筆者在教學時通過對比，形成知識的碰撞，深化學生的認識。若將線圈的轉軸平行移到線圈外，則引發了電動勢的“反接”情況的發生，線圈中總電動勢等于兩邊產生的電動勢之差，即e=NBladvad⊥-NBlbcvbc⊥=NBlad？棕（lao-lbo）sin？棕t=

NBS？棕sin？棕t （如圖10乙所示） 。以上這種雙桿旋轉切割的分析和討論，進一步深化了之前的電磁感應中的雙電源的問題。

3.3 計時起點的位置的變化

從中性面開始計時，則電動勢e=NBS？棕sin？棕t；從平行于磁場方向開始計時，則電動勢e=NBS？棕cos？棕t；從與中性面成φ角方向開始計時，則電動勢e=NBS？棕sin（？棕t+φ）。通過以上區別和分析，讓學生思維上從特殊到一般，然后從一般回歸特殊。使學生認識到物理概念和規律有一定適用條件，從而避免走入死記硬背物理公式的誤區。

3.4 “四值”的應用區別

交變電流的“四值”的區分和應用是高考試題中重點考察內容。“四值”指的是平均值、瞬時值、有效值、最大值，在教學實踐中筆者發現學生往往對相關的概念認識不清，實際解題過程中易混淆，教師有必要精選習題進行反復演練，不斷糾錯，不斷反饋，從而澄清物理概念。

總之，教師應做教學的有心人，深入地挖掘各種教學資源，不照本宣科，充分發揮智慧，創造性地進行教學。通過物理知識的深度教學，培養創新性的人才，從而實現高中物理學科核心素養的培養。

參考文獻：

[1]閻金鐸.中學教師物理教育研究方法[M].北京：高等教育出版社，1986.

[2]中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-2）〔M〕.濟南：山東科學技術出版社，2007.