揭現象尋本質 教學路上不斷超越自我
——核心素養視域下“法拉第電磁感應定律”教學設計和思考

李春亞 岳 非

(河北辛集中學 河北 石家莊 052360)

法拉第電磁感應定律是電磁感應的核心內容，也是整個電磁學的核心知識，另外，法拉第電磁感應定律在電工、電子技術及電磁測量方面也有著廣泛應用，與生產生活聯系緊密，有著廣泛的現實意義．

筆者認為既然是定律，就要讓學生經歷探究的過程，并且最終要有令人信服的實驗數據探究出這個“等式”，而本身電磁感應部分的定量實驗很少，課本在介紹定律前也只是“更精確的實驗表明：”這樣籠統一說，就直接得出了該定律．如何精彩高效地完成這節課呢？筆者陷入了深深的思考中．

物理核心素養中，明確提出學生實驗探究時，要具備提出物理問題，形成猜想和假設，獲取和處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[1]．

而問題驅動教學法即基于問題的教學方法(Problem-Based Learning)，是一種以學生為主體、以專業領域內的各種問題為學習起點，以問題為核心規劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的一種學習方法．教師在此過程中的角色是問題的提出者、課程的設計者以及結果的評估．主要流程為：教師提出問題—分析問題—解決問題—結果評價[2]．

以下內容為筆者利用問題驅動式教學，參加石家莊市青年教師素質大賽優質課獲得一等獎的教學設計和相關問題的思考．

1 教學設計

1.1 引入新課

師:講課之前，我們先進行一個小魔術，好不好？我這里有一盞魔法燈，只要我的手一揮，它就亮，信不信？好，仔細觀察!

教師輕輕地揮手，小燈亮了起來，越揮越亮(圖1)．

圖1 引入實驗

師：想不想知道是什么原因？

生:想！

師:那我們就一同進入“法拉第電磁感應定律”的學習．

問題1：為什么小燈會亮？

問題2：為什么有時候非常亮，有時候不太亮？

師：接下來我們就一同來揭曉謎底．(展示盒內的大線圈，以及綁在胳膊上的強力磁鐵，如圖2所示)

圖2 實驗用的線圈和磁鐵

學生紛紛猜測原因.

1.2 新課教學

解釋問題1：為什么小燈會亮？

亮→說明有電流→則回路中一定有電源→只要有電源，就一定有電動勢→在電磁感應現象中產生的電動勢我們命名為“感應電動勢”．

師:感應電動勢產生條件是什么？

生:只要有磁通量的變化就可以．

投影:產生感應電動勢是電磁感應現象的本質．

解釋問題2：為什么有時非常亮，有時不太亮？

生:亮的時候說明感應電動勢大，不太亮的時候說明感應電動勢小．

師:下面我們就一同來探究一下影響感應電動勢大小的因素．讓學生分組討論進行猜測．

生:可能與磁通量有關，有磁通量，就有感應電動勢，磁通量越大，感應電動勢越大．

師:大家利用手頭的器材來進行探究，看是否是這樣．

(學生分組實驗，進行探究)答：即使磁鐵放在線圈中很長時間，沒有感應電流．放兩根，也沒有．說明感應電動勢與磁通量無關．

師:還有沒有其他因素？

生:磁通量改變量ΔΦ，線圈匝數N，時間Δt.

師:下面我們就設計實驗進行探究(表1)．

表1 探究內容

學生分組實驗，幾分鐘后找學生回答結論.

共同規律：感應電動勢的大小與磁通量的變化快慢有關．

磁通量的變化快慢如何表示呢？(從數學角度定量表示)

生:不能．

1.3 實驗原理

保持光電門和線圈的相對位置不變,把擋光片(非常窄)和磁鐵固定在一起如圖3所示.

圖3 定量探究實驗

光電門采集擋光時間信號，電壓傳感器采集擋光時間內的電壓信號．

擋光片的擋光時間和此間產生的感應電動勢通過轉換器輸出顯示在電腦上．

圖4 實驗數據分析、擬合

課堂小結(教師評價學生活動后進行)：本節先通過一個實驗探究，經歷“提出問題—猜想”與“假設—制定計劃”和“設計實驗—進行實驗”和“收集數據—分析與得出結論”等幾個科學探究過程，利用控制變量法，重點是通過控制感應電動勢與磁通量變化快慢、條形磁鐵數目的關系入手，引導學生突破難點．通過討論與交流，引導學生根據課本提示，進行理論探究，從而形成結論．并再次通過討論與交流，深化對感應電動勢表達式的認識．

2 有關教學設計的思考

2.1 引入實驗

如果引入實驗非常引人入勝，那么可以說這節課是成功了一半．開始時關于引入新課有這樣幾個方案.

(1)手搖式發電機

手搖式發電機(圖5)更適合在交流電部分做引入，而且缺乏新意．

圖5 手搖式發電機

(2)手持金屬探測器

雖然學生很感興趣，而且它的工作原理也確實是電磁感應，但是，它重點在于渦流，容易使學生產生誤解，不采用．

(3)“魔法燈”——以小魔術的形式引入

魔法燈構成：紙盒，上千匝的大線圈(為提高束縛磁感線的效果，里圈固定一圈鐵皮)，LED燈泡若干(大約1～2 V就可以亮)．(投影)

筆者的袖子內藏有強力磁鐵：汝鐵硼．

由于是魔術的形式，而且學生一開始都認為是不可能的，這樣就吸引了他們的眼球．手揮動過后燈確實亮了起來，而且手揮得越快，燈確實也更亮．學生的興趣一下子調動了起來， 這就使學生求知的氣氛變得很熱烈．教師趁熱打鐵，引入了對現象本質的思考．

2.2 探究法拉第電磁感應定律的定量實驗(非常關鍵)

其實，一開始的時候，筆者并不準備用傳感器，因為，第一，學生對傳感器有隔膜感，第二，如果能用既簡便又直觀的探究方法，何樂而不為？

方案1：倍增法

這種方法來自于必修2“探究功與速度變化的關系”實驗．

筆者認為，Δt不變時，如果能實驗探究出E與ΔΦ是對應倍增的關系，那么，該定律的探究就前進了一大步．

用如6圖示的實驗裝置．(投影)怎樣使Δt不變呢？讓電磁鐵每次都從同一高度下落，則時間接近不變．

圖6 方案1實驗

怎樣使ΔΦ倍增呢？利用學生電源，依次改變電磁鐵的電流，1倍，2倍，3倍……同步觀察靈敏電流計的最大值．(投影)

雖然看起來最大值是倍增的關系，但是由于電流表的指針變化得太快，可能學生還沒看清，指針就擺回去了．還有，在實際操作中，很難在眾目睽睽之下，每次都能把電磁鐵準確地落入螺線管中．

所以，盡管這種方法是源自教材的方法，學生較容易接受，但是考慮到讀數和操作問題，該方案只能放棄．

最終認為數字實驗裝置是最合適的．因為傳感器的靈敏度很高，而且數字實驗室可以同步記錄數據和進行數據的分析擬合．

方案2：

讓磁鐵做自由落體運動，其上固定擋光片，光電門在螺線管外側固定．由于擋光片寬度確定，每次擋光時間內磁通量的改變量相同，電壓傳感器對應輸出擋光時間內的感應電動勢，改變釋放高度，從而改變時間，實驗裝置示意圖如圖7所示．可是遇到的問題是，要想讓磁鐵每次都準確地砸到螺線管中并非易事，很多時候都砸偏了，還有玻璃管易碎，不方便搬運，只能放棄這個方案．

圖7 方案2實驗

方案3:在方案2的基礎上進行改進

方案3的實驗裝置如圖8所示.

圖8 方案3實驗

(1)將磁鐵固定于小車上，小車上有窄窄的擋光片．(點擊)軌道上有窄窄的下凹輪軌，好像火車的車輪與火車道軌一樣，能較好的保證小車不滑出軌道．

(2)螺線管固定于軌道上，實際操作時也對螺線管和條形磁鐵進一步改進：螺線管換為大線圈，普通條形磁鐵換為強力磁鐵；目的是提高感應電動勢的值，減小偶然誤差．

(3)抬高導軌另一端，讓小車下滑時獲得較大速度，以獲得較大感應電動勢，減小偶然誤差．光電門固定于鐵架臺上，較好地解決了上一方案的問題．

本節對實驗的處理，重點在對實驗現象的分析，思考討論，找到實驗表象下隱藏的共同規律，從而使得學生深刻理解法拉第電磁感應定律．還有，盡管在準備課的過程中，筆者心理和體力都經受了很大的煎熬，但是每當自己獲得一些新的想法，獲得理想的數據，就會興奮不已，因為，為了準備出一堂高質量的課，心甘情愿！這也是教學藝術的魅力吧！

經過本課的“洗禮”，筆者更要在教學中，揭現象尋本質， 精益求精，不斷探索，不斷超越自我！