基于教材中“楞次雙環實驗”題開展的科學探究及其教學實踐*

周新雅 劉堯 鄒芳

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

科學探究既是人類認知世界、獲取科學知識的一條重要途徑，又是學生主動學習科學知識、體驗科學探究過程、掌握科學實驗方法的有效活動．根據《新課程標準》的要求，培養學生的探究能力是中學階段的重要目標之一．教材作為“教師教”與“學生學”的重要中間介質，為師生提供了豐富的探究內容．以下將以教材中的一道習題為基礎，闡述如何利用“楞次雙環實驗”題進行學生核心素養中的科學探究能力培養．

1 應用于科學探究的“習題”原文

“楞次雙環實驗” 人教版高中《物理·選修3-2》(2010年4月第三版)第四章第3節“楞次定律”課后“問題與練習6”如圖1所示[1].

圖1 教材插圖

對于該實驗，教參所描述的大意為：“用磁鐵上的任意一極去靠近閉合環時，穿過閉合環的磁通量增加，根據楞次定律，閉合環中將產生感應電流，阻礙磁鐵向閉合環接近，閉合環因此遠離磁鐵；同理可得，當磁鐵遠離閉合環時，閉合環中的感應電流阻礙磁鐵遠離，閉合環將跟隨磁鐵移動．當磁鐵靠近開口環時，由于其斷開無法產生感應電流，不管磁鐵遠離或靠近環，開口環都不會移動．”[2]可見該實驗不僅操作簡單、現象直觀，還可以很好地說明問題，幫助學生理解楞次定律的內容，所以很多教師將其作為驗證楞次定律的演示實驗帶入課堂，幫助學生理解“來拒去留”與“增反減同”的物理意義．然而，實驗效果真的如此理想嗎？筆者對該問題進行了深入探究．

2 基于“楞次雙環實驗習題”的探討過程

2.1 進行實驗

從改變磁鐵磁性強弱、磁鐵插入方式以及鋁環3個角度出發，進行了如下實驗.

實驗一：用磁性不同的磁鐵進行實驗

當選用磁性不同的磁鐵進行實驗時，得到如表1所示的結果.

表1 探究磁性強弱的影響

實驗二：改變鋁環進行實驗

(1)分別用薄、厚、寬、窄、大、小的鋁環進行實驗，發現實驗結果并沒有因鋁環的薄厚、寬窄、大小不同而顯著不同；

(2)用與A環質量相同的塑料替代A環進行實驗，分別用弱磁鐵、正常磁鐵、超強磁鐵進行實驗，實驗結果與實驗一基本一致．

實驗三：改變磁鐵插入方式進行實驗

用超強磁鐵在環的上側遠離或靠近，環也隨之運動

2.2 現象原因解釋

實驗一：當弱磁鐵靠近A環時，環內部產生感應電流會抵抗磁通量的增加，從而產生阻礙弱磁鐵靠近的力．由于磁鐵磁性較弱，產生的力太小，不足以使A環運動(支點有摩擦力作用)．B環是不閉合的，只能在環內部產生感應電流，也就是渦流，由于磁鐵磁性較弱，產生的力較小，故B環也不動．但是當用超強磁鐵進行實驗時，A環發生移動原因與教參所述吻合，而當超強磁鐵一極靠近B環時，磁鐵和環之間發生相對運動，環內部電子發生移動，產生渦流，在超強磁鐵生成的強磁場中，B環運動．

實驗二：其實驗結果與實驗一相同，說明楞次雙環實驗中環的動與不動跟環的厚薄、寬窄、大小無關．當用質量相同的塑料代替A環時，實驗結果未發生變化說明B環的移動與否與A環的磁通量變化無關．

實驗三：進一步說明環的運動是因為環的內部產生了渦流．

綜上發現楞次雙環實驗中環的動與不動，主要是與磁鐵的磁性強弱有關．

3 在課外實驗探究活動中培養學生探究能力

基于教材課后練習，將“楞次雙環實驗”中環的“動”與“不動”的設置成課外實驗探究活動，既可以增強學生對楞次定律和渦流的理解，又可以增加知識點之間的橫向聯系，顯然是很有意義的．從研究活動的一個相對完整的周期看,是以發現問題和提出問題為起點,以解決問題并提出新問題為終點的一種理性探究過程[3]．在探究過程中，教師要引導學生在真實的情境中，從日常生活及自然現象或實驗現象的觀察中，從物理的角度發現問題，書面或口頭表述這些問題；根據已有的經驗和知識，對問題的成因提出猜想，對探究的方向和可能的結果進行推測與假設，綜合運用所學的知識和技能解決問題，形成一些基本策略．例如下面的案例.

讓學生閱讀書本上的習題并思考實驗結果，然后用超強磁鐵向學生演示實驗，讓學生仔細觀察實驗現象．

問題1：老師演示的實驗是否與大家預料的結果一致？(激發學生的求知欲和好奇心)

問題2：為什么我們的實驗結果會與我們用已學知識判斷的結果不同？

問題3:能否說出我們的實驗在哪里出了問題，那么開口環的移動到底與什么因素有關？實驗中我們只用到了磁鐵和鋁環，是磁鐵的問題還是鋁環的問題？

問題4：鋁環、磁鐵的哪些因素造成我們實驗的失敗？

啟發引導：環的形狀、大小、開口大小以及磁鐵的強弱是否是實驗失敗的關鍵．

問題5：找到影響因素后應該設計怎樣的實驗來驗證之前的猜想？怎么樣消除不同因素的相互影響？ (組織學生按照下列表格進行實驗，并將實驗結果填在表2中)[4]

表2 探究環的結構影響

問題6：一旦發現開口環的移動與它的大小、厚薄、開口程度都沒有關系時，那說明是否與磁鐵的磁性有關？應該用磁性更強的磁鐵還是更弱的？(組織好學生將磁鐵換成正常磁鐵重復上表實驗)

問題7：實驗結果是否與大家最初預料的一致？開口環發生移動的本質是什么？(組織學生交流討論)

啟發引導：大家回憶一下，曾經學習過的渦流．在一塊金屬內部只要有變化的磁場就會有許多小型渦流產生，渦流激發出磁場，反過來與磁鐵相互作用，就會有力的產生，所以開口環會移動．(讓學生將開口環與電流計串聯，用超強磁鐵進行實驗并觀察實驗現象)

問題8：為什么用磁性較弱的磁鐵進行實驗時開口環不發生移動？難道是里面沒有產生渦流嗎？(當磁鐵磁性較弱時，環中依舊產生渦流，只不過是磁性較弱，產生的力太小而雙環的支點上有摩擦力阻礙了它運動)

問題9：既然大家明白了其中的道理，那大家預測一下如果用磁鐵靠近一張鋁箔，鋁箔會跟隨磁鐵移動嗎？(進行實驗，實驗結果鋁箔會跟隨磁鐵運動)

總結：開口環的動與不動只與磁鐵的磁性強弱有關．

學生通過經歷一系列的探究過程，不僅可以加深對已學知識的理解，使知識與知識間的聯系更加緊密，還可以通過不斷地思考提高思維品質．在實驗探究過程中學生主動與小組成員積極合作、有效交流分享、協同完成任務，準確表述、評估和反思實驗過程與結果，并交流實驗中未解決的問題，進一步發現新的問題，對實驗不斷改進，有利于提高學生團結協作的能力．

4 反思

培養學生的探究能力是科學探究的重要組成部分，引發學生的認知沖突是激發其探究意識的方式之一．在上述活動中學生通過思考提出雙環“動”與“不動”可能與環的形狀有關，并積極地對猜想進行實驗，對得到的實驗結果進行分析論證，尋找問題的本質原因，有效地將科學探究方法內化為學生的物理思維品質．

現行教材雖然加大了實驗部分的比重，但是大多實驗仍然還是驗證性的，由于驗證性實驗的結果是可以預知的，學生對其沒有太多的好奇心與興趣，不會進行太多思考，機械地進行操作，這樣就不能較好地培養學生的探究能力．只有讓學生處于主體地位，真正經歷 “提出問題--猜想與假設--制定計劃與設計實驗--進行實驗與收集數據--分析與論證--評估”這一過程，才能真正提升學生的科學探究能力．