彰顯物理學(xué)科魅力 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)
—— 以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”的兩次教學(xué)實(shí)踐為例

(溫州市第五十一中學(xué) 浙江 溫州 325014)

本文就課例“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”的兩次教學(xué)實(shí)踐，把握住對(duì)教材的深入理解，不斷反思自己的教學(xué)行為，改進(jìn)教學(xué)方法，合理利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生建立“科學(xué)觀念”，形成“科學(xué)思維”，引導(dǎo)學(xué)生“科學(xué)探究”，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”，充分彰顯物理學(xué)科的魅力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

1 第一次教學(xué)實(shí)踐

1.1 教學(xué)設(shè)想

以電磁爐為例引入新課，復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)相關(guān)知識(shí)，采用理論聯(lián)系實(shí)際開展啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從知識(shí)遷移的原則思考教師提出的問題，利用演示實(shí)驗(yàn)、教材插圖等多種方法，從而了解渦流的成因和應(yīng)用.

1.2 教學(xué)過程

活動(dòng)1 創(chuàng)設(shè)情境 引入新課

(1)演示實(shí)驗(yàn)：將電磁爐的面板去掉，接通電源，將串有發(fā)光二極管的閉合線圈靠近電磁爐，看到發(fā)光二極管亮起來.

(2)問題1：為什么二極管會(huì)亮起來?(引導(dǎo)學(xué)生回顧產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件)

(3)問題2：如果將不銹鋼盤子靠近電磁爐，是不是也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流?你怎么知道有感應(yīng)電流產(chǎn)生?(通過盤子產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象，知道有感應(yīng)電流產(chǎn)生)

活動(dòng)2:尋找成因 認(rèn)識(shí)渦流

(1)多媒體展示：處在磁場(chǎng)中的盤子由無數(shù)個(gè)閉合線圈組合起來.

(2)分析：每個(gè)閉合線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流方向都相同，如同水中的旋渦一樣，這種感應(yīng)電流叫做渦旋電流，簡稱渦流.

(3)原理解釋：引導(dǎo)學(xué)生解釋生活中電磁爐對(duì)鐵鍋中食物加熱的原理.

活動(dòng)3:利用插圖 了解應(yīng)用

(1)利用教材插圖如圖1所示，了解真空冶煉爐的構(gòu)造.

圖1 真空冶煉爐

(2)問題1：真空冶煉爐的工作原理是什么?有什么好處?

活動(dòng)4:實(shí)驗(yàn)演示 體會(huì)阻尼

(1)演示實(shí)驗(yàn)：介紹裝置，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒有磁鐵，讓阻尼擺作自由擺動(dòng)，可觀察到阻尼擺經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才停下來.當(dāng)阻尼擺在兩磁極間前后擺動(dòng)時(shí)，阻尼擺會(huì)迅速停下來.

(2)問題1： 磁鐵會(huì)不會(huì)吸引鋁擺?

(3)問題2： 鋁擺為什么會(huì)那么快停下來?

(4)知識(shí)遷移：通過回顧知識(shí)，閉合線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，會(huì)使處在磁場(chǎng)中的這部分線圈受到安培力，安培力會(huì)阻礙線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng).引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)鋁擺上產(chǎn)生渦流，受到安培力，阻礙鋁擺的運(yùn)動(dòng).從而定義出電磁阻尼.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

活動(dòng)5:分組實(shí)驗(yàn) 體驗(yàn)阻尼 了解應(yīng)用

(1)分組實(shí)驗(yàn)：每兩位學(xué)生一個(gè)阻尼擺，一個(gè)磁電式儀表線圈.讓學(xué)生自己動(dòng)手感受體驗(yàn)電磁阻尼.

(2)問題1：我們?nèi)绻麚Q上同樣外形的塑料擺，是不是也很快停下來?(讓學(xué)生對(duì)電磁阻尼有感性認(rèn)識(shí))

(3)問題2：通過大家觀察磁電式儀表的線圈，線圈是繞在鋁框上的，那可不可以把線圈繞在更便宜、更輕的塑料框上?

(4)理論分析：由于鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其中有感應(yīng)電流，鋁框受到安培力，由于電磁阻尼，使鋁框很快穩(wěn)定下來，從而帶動(dòng)指針穩(wěn)定在某讀數(shù).但是塑料框不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，沒有電磁阻尼，無法迅速穩(wěn)定.

活動(dòng)6:實(shí)驗(yàn)體會(huì) 電磁驅(qū)動(dòng)

(1)問題1：利用剛才的鋁擺，我們能不能不接觸鋁擺，通過磁鐵讓它擺動(dòng)?

(2)演示實(shí)驗(yàn)如圖3所示，轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵，觀察鋁框的運(yùn)動(dòng)，怎么解釋鋁框的運(yùn)動(dòng)?

圖3 演示實(shí)驗(yàn)

(3)引導(dǎo)學(xué)生分析，這種現(xiàn)象類似于電磁阻尼的原理，安培力阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是此時(shí)安培力驅(qū)動(dòng)鋁框隨磁鐵一起運(yùn)動(dòng).從而了解電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象.

(4)簡單介紹：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用電磁驅(qū)動(dòng)的作用原理.

活動(dòng)7:找鑰匙游戲

(1)找鑰匙游戲，請(qǐng)一位學(xué)生將金屬鑰匙隨意放身上，老師手拿金屬探測(cè)儀，可以迅速找到鑰匙的位置.

(2)原因分析：探測(cè)儀中發(fā)出變化的磁場(chǎng)，會(huì)使探測(cè)的金屬中感應(yīng)出渦流，渦流的磁場(chǎng)反過來影響探測(cè)儀，從而找出金屬鑰匙的位置.

1.3 教學(xué)反思

本次教學(xué)實(shí)踐采用電磁爐引入新課，看似非常簡單，卻貼近生活，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但是電磁爐的構(gòu)造包括工作原理相對(duì)比較復(fù)雜，不利于學(xué)生的認(rèn)知過程.筆者甚至發(fā)現(xiàn)有教師采用鋁板在電磁爐上加熱的實(shí)驗(yàn)，由于鋁的磁導(dǎo)率很小，事實(shí)上鋁制品在電磁爐上無法正常加熱.所以應(yīng)該引入更簡短，并能激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn).在渦流成因上，本次教學(xué)實(shí)踐采用多媒體展示將鐵盤分成無數(shù)個(gè)閉合線圈，體現(xiàn)了感應(yīng)電流成因的知識(shí)遷移，但是全程學(xué)生參與度和思考度不夠，而且教材是以塊狀物體體現(xiàn)的渦流為例.同時(shí)在本次實(shí)踐中，學(xué)生缺乏體驗(yàn)、探究對(duì)影響渦流大小因素的認(rèn)知過程,以及在真空冶煉爐和電磁爐中為什么采用高頻交流電源也沒有體現(xiàn).而且在大量解釋渦流的應(yīng)用中，缺乏真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或視頻，甚至沒有涉及渦流危害性的防止，物理研究的科學(xué)性、全面性不夠.在電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中利用傳統(tǒng)的電磁阻尼教學(xué)裝置，能比較好地說明電磁阻尼，但是利用此裝置做電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)效果并不好，而且學(xué)生觀察效果也不好.在學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)中,該課例只達(dá)到了科學(xué)思維的基本要求,沒有建立科學(xué)觀念，沒有體現(xiàn)科學(xué)探究,更沒有讓學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任得到提升.

2 第二次教學(xué)實(shí)踐

2.1 教學(xué)過程

活動(dòng)1:影片片段 激發(fā)懸疑

(1)視頻播放:學(xué)生觀看地雷戰(zhàn)影片片段如圖4所示.

圖4 探雷器

(2)問題：片段中日本工兵的探雷器是利用什么原理探出地雷?我們又是用什么辦法讓他們探不出來，還把敵人炸死.

設(shè)計(jì)意圖：通過簡短的影視片段，激發(fā)學(xué)生愛國情緒，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，引入本節(jié)學(xué)習(xí)的課題.

活動(dòng)2:對(duì)比試驗(yàn) 體會(huì)區(qū)別

(1)通過自制演示裝置如圖5所示，讓學(xué)生觀察在兩個(gè)相同線圈中通入相同的交變電流，線圈內(nèi)放兩支完全相同的試管，試管內(nèi)放入等量的水，其中有一支試管中放入小鐵柱，通過攝像頭展示在大屏幕上，如圖6所示，放有小鐵柱的試管內(nèi)的水很快會(huì)沸騰.

圖5 自制演示裝置

圖6 屏幕上顯示演示實(shí)驗(yàn)

(2)問題：線圈對(duì)試管中的水加熱效果應(yīng)該是一樣的，那使試管中的水沸騰的熱量主要從哪里來?(看出區(qū)別，熱量不僅來自線圈的熱傳遞，學(xué)生會(huì)聯(lián)想到感應(yīng)電流)

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能知道熱量應(yīng)該來自小鐵柱，讓學(xué)生意識(shí)到金屬塊狀物體上產(chǎn)生感應(yīng)電流，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和能量觀念.

活動(dòng)3:分析成因 引入概念

(1)教師在黑板上畫出小鐵柱模型.

(2)問題1：要產(chǎn)生感應(yīng)電流，必須要閉合回路，在這個(gè)小鐵柱的橫截面上，有沒有一圈一圈的閉合回路?(引導(dǎo)學(xué)生思考并在橫截面上找出閉合回路)

(3)問題2：線圈中通入交變電流，產(chǎn)生變化磁場(chǎng).小鐵柱放入變化磁場(chǎng)，每個(gè)閉合回路中磁通量都有變化，小鐵柱橫截面上的感應(yīng)電流畫出來像什么形狀?

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)是這堂課的重點(diǎn)，采用漸進(jìn)式的問題引導(dǎo)和思考，通過知識(shí)遷移的方法，減小思維難度，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的能力，認(rèn)識(shí)渦流的科學(xué)本質(zhì).

活動(dòng)4:猜想因素 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)引導(dǎo)學(xué)生猜想渦流大小和什么因素有關(guān)，如圖7所示，通過利用變頻電源實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的猜想.

圖7 變頻電源

(2)問題1：那怎樣能讓小鐵柱中的渦流更大?

(3)學(xué)生猜測(cè)的可能因素：改變導(dǎo)體大小;換用電阻率比較小的材料;改變通入線圈中交流電的頻率;改變線圈的匝數(shù)等.

(4)引導(dǎo)學(xué)生理論解釋這些因素影響渦流大小的原因.并通過變頻電源將50 Hz的交變電流轉(zhuǎn)換成頻率為200 Hz的交變電流輸入線圈，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改變通入線圈中交流電的頻率對(duì)渦流大小的影響.

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)是這堂課的難點(diǎn)和創(chuàng)新之處，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)論證的能力，通過創(chuàng)新使用變頻電源實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生直觀了解改變交變電流頻率對(duì)渦流的影響，并且為下面電磁爐和真空冶煉爐的原理解釋做好了鋪墊.

活動(dòng)5:了解渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用

(1)渦流可以產(chǎn)生熱量，日常生活中有什么東西是利用渦流來加熱的?(電磁爐以及內(nèi)部線圈展示,如圖8所示)

圖8 電磁爐內(nèi)線圈

(2)引導(dǎo)學(xué)生分析電磁爐是如何加熱食物的原理，并提問如果要使食物更快得燒熟，通入線圈的電流頻率是高一些還是低一些?(了解電磁爐快速加熱食物，需要交變電流頻率升高)

(3)問題：真空冶煉爐的工作原理是什么?有什么好處?為什么采用高頻電源?

(4)視頻展示渦流加熱過程.

活動(dòng)6:了解探測(cè)器 解釋影片懸疑

(1)老師手拿金屬探測(cè)器，和學(xué)生做找鑰匙游戲，并引導(dǎo)學(xué)生思考為什么有金屬它會(huì)響起來?(并做原因分析)

(2)問題1：那我們回到剛才上課前的影片片段中的問題，日本工兵的探雷器是用什么原理探出地雷的?

(3)問題2：如果我們做為抗日戰(zhàn)士的話，可以利用什么辦法讓它探不出來，還把敵人炸死.(學(xué)生討論)

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析解釋大量生活生產(chǎn)中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，以及列舉如電磁爐、金屬冶煉爐、金屬探測(cè)器等與現(xiàn)代科技聯(lián)系很密切的內(nèi)容來激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心.充分彰顯物理學(xué)科的魅力，通過解釋影片懸疑，互相呼應(yīng)，學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的素養(yǎng).

活動(dòng)7:全面認(rèn)識(shí) 防止渦流

(1)問題1：變壓器的線圈繞在鐵芯上，主要是為了增大磁感應(yīng)強(qiáng)度，硅鋼片變壓器鐵芯如圖9所示.但是線圈通入交變電流，鐵芯會(huì)產(chǎn)生渦流，鐵芯會(huì)發(fā)熱，浪費(fèi)能量，還有可能損壞電器，怎么減小渦流?(學(xué)生討論)

圖9 硅鋼片變壓器鐵芯

(2)問題2：我們常用的變壓器頻率為50 Hz，是不變的.所以我們主要是增大鐵芯電阻，那怎么做可以增大鐵芯電阻?

(3)問題3：鐵芯的材料常用硅鋼，它的電阻率比較大.為了增大鐵芯電阻，我們還可以怎么做呢?

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)變壓器鐵芯構(gòu)成的討論和分析，設(shè)計(jì)問題串，加深對(duì)渦流影響因素的了解，而且知道渦流不僅可以應(yīng)用有時(shí)也需防止，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和用辯證唯物主義的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)問題的科學(xué)素養(yǎng).

活動(dòng)8:實(shí)驗(yàn)探究 體會(huì)阻尼

(1)自制簡易鋁盤，演示電磁阻尼實(shí)驗(yàn)，如圖10所示.

圖10 電磁阻尼實(shí)驗(yàn)

(2)問題1：拿著磁鐵靠近它，不接觸，鋁盤很快就停下來了，你覺得現(xiàn)在主要是受到什么力的作用?

(3)問題2：使處在磁場(chǎng)中的鋁盤受到安培力.那鋁盤受到的安培力是動(dòng)力還是阻力?

(4)分組實(shí)驗(yàn)：每兩位學(xué)生一個(gè)阻尼擺，一個(gè)磁電式儀表線圈.讓學(xué)生自己動(dòng)手體驗(yàn)電磁阻尼.

(5)問題3：我們?nèi)绻麚Q上同樣外形的塑料擺，是不是也很快停下來?(讓學(xué)生對(duì)電磁阻尼有感性認(rèn)識(shí))

(6)問題4：通過大家觀察磁電式儀表的線圈，線圈是繞在鋁框上的，那可不可以把線圈繞在更便宜、更輕的塑料框上?

設(shè)計(jì)意圖：通過自制簡易鋁盤實(shí)驗(yàn)和電表內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖片，能讓學(xué)生更清楚直觀地觀察到電磁阻尼的現(xiàn)象.并且學(xué)生通過親身體驗(yàn)有了更感性的認(rèn)識(shí).

活動(dòng)9:電磁驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用

(1)問題1：有沒有辦法使磁鐵不接觸鋁盤，而讓這個(gè)鋁盤擺動(dòng)起來?

(2)問題2：鋁盤擺動(dòng)受到的安培力是動(dòng)力還是阻力?

(3)實(shí)驗(yàn)演示教材中的實(shí)驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)用原理解釋.

設(shè)計(jì)意圖：通過自制簡易鋁盤實(shí)驗(yàn)和電動(dòng)機(jī)原理分析，理論解釋生活中的物品，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的理念.

2.2 教學(xué)反思

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不是口號(hào),而是要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境,通過學(xué)生參與活動(dòng)，讓學(xué)生感受、體驗(yàn)與內(nèi)化.第二次實(shí)踐是以物理實(shí)驗(yàn)為主線，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo).利用物理實(shí)驗(yàn)貫穿整個(gè)教學(xué)過程，在實(shí)驗(yàn)中，有高端的實(shí)驗(yàn)儀器，有自制實(shí)驗(yàn)儀器，也有隨手拿來的小物件，又與生活生產(chǎn)緊密聯(lián)系，彰顯了物理學(xué)科的魅力.教學(xué)過程中，通過視頻、實(shí)驗(yàn)、探究、思考、分析，逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).