基于物理核心素養(yǎng)下的學習進階的教學設計
——以“探究感應電流的產(chǎn)生條件”為例

周革潤

(北京市第一〇一中學，北京 100091)

為了體現(xiàn)高中階段學生探究產(chǎn)生感應電流條件的思維過程,幫助學生建構和理解磁通量及磁通量變化的概念,順利完成從初中階段學生僅停留在操作層面的認識——閉合電路的部分導體做切割磁感線運動,提升到高中階段抽象歸納出本質原因——閉合回路的磁通量發(fā)生變化.這需要應用學習進階的理論來進行教學設計,開展教學活動．在科學思維和探究方面,學生對演示實驗和學生實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行的推理論證,可以有效培養(yǎng)學生合理作出假設和猜測、獲得證據(jù)和分析證據(jù)、交流和表達科學探究結果的能力．

1 設計流程

按照學習進階的理論——事實經(jīng)驗、映射、關聯(lián)、系統(tǒng)、整合應用的5個環(huán)節(jié)來進行教學活動設計,通過學生積極參與一系列探究活動和對探究活動的思考,不斷推動和發(fā)展學生思維,讓學生將感應電流產(chǎn)生條件不僅僅單獨與磁場變化、面積變化關聯(lián)起來,而且進一步將二者同時建立關聯(lián),最后引入磁通量變化總結探究實驗的結果．具體設計流程如表1所示.

2 教學活動

2.1 教師活動1

演示實驗1:電磁爐上放一個金屬碗,導線與燈泡相連構成閉合回路,打開電磁爐開關使其工作,將閉合回路的部分導線繞成線圈放在電磁爐上靜止不動,此時燈泡發(fā)光．

學生活動1.觀察實驗現(xiàn)象思考原因．

活動說明:通過創(chuàng)設情境引導學生觀察實驗現(xiàn)象,通過現(xiàn)象引發(fā)認知沖突,激發(fā)學生的好奇心和學習熱情,引出探究主題．學生意識到初中從切割磁感線運動判斷感應電流的產(chǎn)生條件不完善,不是普遍規(guī)律,需要修正完善,找到本質原因．

表1 “探究感應電流的產(chǎn)生條件設計流程”

2.2 教師活動2

探究主題:產(chǎn)生感應電流的條件.

學生分組實驗1:如圖1所示,線圈、檢流計、條形磁鐵、導線兩根．

學生分組實驗2:如圖2所示,學生電源、帶鐵芯的螺線管、滑動變阻器、導線若干、開關、線圈、檢流計．

圖1 分組實驗1

圖2 分組實驗2

問題1:分組實驗1用條形磁鐵探究,分組實驗2用通電螺線管探究．探究如何操作可以產(chǎn)生感應電流,你的實驗結論是什么?

學生活動2.學生自主設計探究方案并進行實驗探究,基于實驗現(xiàn)象分析得出實驗結論．

分組實驗1:將條形磁鐵插入或者拔出大螺線管過程,或者將線圈套入條形磁鐵、線圈抽出條形磁鐵等．分組實驗2:開關閉合或斷開,在開關閉合時移動滑動變阻器改變通電螺線管的電流大小,移動通電螺線管,改變螺線管與線圈的相對位置．學生結論:無論相對運動還是變化的電流,線圈中磁場發(fā)生變化．

活動說明:本環(huán)節(jié)是讓學生完成從現(xiàn)象到本質的思考,從導體運動進階到導體和磁場兩者相對運動,從導體和磁場的相對位置發(fā)生變化進階到線圈中磁場發(fā)生變化,從通電螺線管電流變化進階到線圈中磁場發(fā)生變化,最終與磁場變化建立關聯(lián)．

2.3 教師活動3

問題2:線圈與檢流計連接成閉合回路,閉合產(chǎn)生勻強磁場裝置的電源開關,你會看到什么現(xiàn)象,為什么會出現(xiàn)這一現(xiàn)象?如果擠扁線圈,此過程線圈回路有感應電流嗎,理由是什么?

圖3 分組實驗3

問題3:線圈在磁場中切割磁感線運動就一定會有感應電流嗎?線圈在勻強磁場區(qū)域內(nèi)整體平動切割磁感線,你看到了電流計指針偏轉嗎?說明切割磁感線運動不是感應電流產(chǎn)生的根本原因,根本原因是什么發(fā)生了變化?

演示實驗2:如圖3所示,線圈與檢流計連接成閉合回路,在勻強磁場內(nèi),擠扁線圈的過程中,回路有感應電流．

學生活動3.分析論證實驗結果并觀察實驗現(xiàn)象確認．依據(jù)線圈切割磁感線運動,判斷有感應電流．通過觀察對比線圈整體平動切割實驗說明“切割磁感線”不是產(chǎn)生感應電流的本質原因．依據(jù)實驗過程擠扁線圈,想到線圈的形狀發(fā)生改變,即回路面積發(fā)生變化．

活動說明:通過觀察磁場不變、回路面積發(fā)生變化,閉合回路產(chǎn)生感應電流,引導學生從切割磁感線運動進階到回路面積發(fā)生變化,從而將閉合回路產(chǎn)生感應電流的條件與磁場發(fā)生變化、面積發(fā)生變化兩個因素建立關聯(lián)．

2.4 教師活動4

問題4:我們用控制變量法研究了磁感應強度B變化、線圈面積S不變,以及B不變、S變化,閉合回路產(chǎn)生了感應電流,大家還想探究什么情況下,閉合回路能產(chǎn)生感應電流? 提出你的實驗方案并猜想實驗結論?

問題5:感應電流的產(chǎn)生不僅僅與回路S變化、B變化兩個因素有關聯(lián),而且應該是二者同時共同作用的結果,能找到一個物理量來兼顧這兩個因素?請用最簡潔的語言概括一下:產(chǎn)生感應電流的條件到底是什么?

問題6:閉合回路B、S都發(fā)生變化,一定有感應電流嗎?為什么?

演示實驗3:將產(chǎn)生磁場的電源開關閉合瞬間,同時把線圈擠扁,線圈中可能會有感應電流,也可能沒有感應電流．

演示實驗4:如圖4所示,將線圈套在曲面底部(該曲面是圓柱形磁鐵的某一條磁感線繞磁鐵中心軸線旋轉而形成的曲面),將線圈沿曲面向上移動,此過程中線圈內(nèi)的B變大、但S變小了,線圈中無感應電流．

圖4 演示實驗4

學生活動4.學生觀察實驗現(xiàn)象,分析歸納總結產(chǎn)生感應電流的條件．依據(jù)與B、S的變化同時有關,學生猜想是閉合回路的磁通量發(fā)生變化．對演示實驗4的解釋,基于磁感線分布的立體模型理解線圈的磁通量不變,形成從磁通量變化的角度分析是否產(chǎn)生感應電流．

活動說明:推理感應電流的產(chǎn)生條件的共同特征,從個別到一般,從現(xiàn)象到本質,幫助學生意識到磁通量變化是產(chǎn)生感應電流的本質條件．通過演示實驗B和S同時變化,但閉合回路的磁通量不變,沒有感應電流,例證結論的正確性．

2.5 教師活動5

問題7:利用實驗裝置,你還可以有哪些操作也能產(chǎn)生感應電流?

問題8:線圈放在電磁爐上,為什么線圈有感應電流?猜測一下:具有無線充電功能的手機內(nèi)部一定會有什么?這是打開手機后殼的圖片,看到了多匝銅質線圈,現(xiàn)在能想到無線充電的原理嗎? 你能想到無線充電器內(nèi)部一定會有什么?

演示實驗5:手機無線充電過程．展示打開手機后殼的圖片,讓學生看到線圈．將手機上拆下的線圈與小燈泡連接成閉合回路,放置在無線充電器上,如圖5所示,發(fā)現(xiàn)小燈泡點亮,驗證猜想．

學生活動5.學生操作線圈在磁場中運動產(chǎn)生感應電流并分析推理實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因．根據(jù)探究結論想到線圈磁通量發(fā)生變化,電磁爐產(chǎn)生了變化磁場．學生分析手機無線充電的原理．

活動說明: 通過對實際生活中無線充電技術的逐步剖析,讓學生認識到其工作原理,充電裝置利用線圈通交變電流產(chǎn)生變化磁場,接收裝置內(nèi)置線圈因磁通量變化產(chǎn)生感應電流,體現(xiàn)知識應用和服務生活的價值,從而達到在鞏固基礎知識的同時,既落實了能力的培養(yǎng),又激發(fā)了學習與研究的興趣．

3 活動總結

(1) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要為學生的學習營造一個利于學習的“生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)”．在具體教學活動中,注重學生間平等民主,互動合作,自主探究,從“接受型教學”向“質疑型

教學”轉變．本節(jié)教學設計以教學活動中的8個問題為線索,讓學習真實的發(fā)生,創(chuàng)建了一個有利于學生學習的生態(tài)環(huán)境,教師和學生活動是交互式的,幫助學生形成抽象思維,發(fā)展學生的發(fā)散思維和批判性思維．這樣學生改變以往盲目的接受型思維習慣,激發(fā)學習欲望不斷思考,在探究的過程中培養(yǎng)學生自主獲取知識和運用知識解決問題的能力,發(fā)展學生思維能力和創(chuàng)新能力,以問題、詢問為基礎的學習就屬于深度學習方式．

(2) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要培養(yǎng)學生成為擁有“主體性覺悟”的“探究者”,而不是“記憶者”．在具體教學活動中,通過探究活動的實施,讓師生成為“探究的共同體”,合作學習能夠提高學生的參與度和學習效率,陪伴學生自主學習同時關注學生學習過程和輔助學生順利實現(xiàn)學習進階．本節(jié)教學設計了5個教師和學生的活動,讓學生自主思考,積極推動學生科學思維發(fā)展,抓住學生的原有認知,通過探究實驗和演示實驗的現(xiàn)象來引發(fā)認知沖突,引導學生分析背后的原因,從具體到抽象,實現(xiàn)物理邏輯思維的連貫性和進階性．在學生活動中,不斷重復“描述實驗現(xiàn)象——總結規(guī)律——解釋原因”的科學研究的3個環(huán)節(jié),幫助學生從現(xiàn)象走向本質,如何觀察和研究現(xiàn)象,找到發(fā)生現(xiàn)象的原因．這是在發(fā)揮物理學科科學育人的功能,用科學方法來探究問題,在解決問題中理解方法,獲得知識,培養(yǎng)學生歸納和科學推理能力．學生收獲的不僅僅是知識層面,也有科學探究的方法,為學生后續(xù)學習和持續(xù)發(fā)展奠定基礎,這正是學生應具備的能夠適應終生發(fā)展需要的關鍵能力,是實實在在培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．

(3) 基于物理學科核心素養(yǎng)的有效滲透,要重視物理實驗的設計與研發(fā)．要重視實驗研究,特別是要重視演示實驗和分組實驗在培養(yǎng)學生探究素養(yǎng)方面的價值,同時教學過程中要重視引導學生思考實驗揭示的物理原理．加強實驗研究,本節(jié)設計了5個演示實驗和學生實驗,可以改變教學方式,借助實驗幫助學生建構概念,學會抽象思維,并能夠幫助理解規(guī)律．通過實驗將物理知識聯(lián)系生活實際,用物理視角分析生活現(xiàn)象,讓學生知道物理有用、有趣.這是加深概念和規(guī)律理解的有效方法,發(fā)展和培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．