基于物理核心素養(yǎng)導向的概念教學
——以“電磁阻尼和電磁驅動”為例

尹文慧 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

物理學科核心素養(yǎng)是學生在學習物理過程中逐步形成的行為習慣與關鍵能力，是物理學科育人價值的集中體現(xiàn).高中物理課程標準倡導要把培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)作為物理教學的重要目標.因此，如何基于物理核心素養(yǎng)開展課堂教學就成為廣大一線教師關注的熱點問題.

本文以“電磁阻尼和電磁驅動”的概念教學為例，探討了如何在物理教學中培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng).

1 創(chuàng)設實驗情境 激發(fā)學生興趣

新課標指出在教學設計和教學實施過程中重視情境的創(chuàng)設.創(chuàng)設情境進行教學，可以增強學生對物理現(xiàn)象的感性認識，調(diào)動學生的思維進而在自主活動中不斷抽象出其本質(zhì)，對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關鍵作用.在物理概念的教學中，可以從演示實驗出發(fā)，通過有趣的實驗現(xiàn)象為學生創(chuàng)設引人入勝的學習情境，幫助學生從生動的主觀過渡到抽象的思維.同時，有趣的實驗情境不僅能激發(fā)學生的學習興趣，也能引發(fā)學生的思考，把學生的注意力吸引到本節(jié)課要研究的問題上來.

在“電磁阻尼和電磁驅動”概念教學中，演示“小熊蕩秋千”趣味實驗(小熊下方貼有金屬鋁片，移動磁鐵帶動小熊跟著運動起來)，如圖1所示，讓學生觀察磁鐵不能吸引鋁片，但磁鐵運動卻能夠帶動鋁片跟著運動.通過趣味實驗創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，讓學生帶著問題繼續(xù)學習.

課堂實錄：

師：這里有一個懸掛的小熊(圖1)，在其下方放置磁鐵，移動磁鐵，可以觀察到什么？

圖1 小熊蕩秋千模型

生：小熊跟著動起來了.

師：小熊的下方貼有一個金屬片，猜想金屬片是哪一種金屬材質(zhì)？

生：鐵.

師(教師演示磁鐵不能吸引該金屬片)：這個金屬片不是鐵片，而是鋁片，磁鐵不會吸引鋁片，為什么小熊會蕩秋千？

2 注重方法滲透 建構物理觀念

物理觀念是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉與升華，是對物理思想和方法概括性、縱觀性的認知與體驗[1].基于物理觀念的概念教學既要包括對物理概念的深入認識與理解，還要包括科學思想方法的體驗與應用[2].因此，在概念教學中應該以物理思想方法作為生長點向外延展，引導學生對物理過程深入分析，發(fā)展學生運用物理思想方法處理實際問題的能力，實現(xiàn)對物理思想方法的內(nèi)化，讓學生在物理方法的體驗和反思中建構物理觀念.

在“電磁阻尼和電磁驅動”的教學中，提出問題之后，引導學生逐步分析.當塊狀導體和磁場相對運動時，在導體中會產(chǎn)生渦流，形狀類似水的漩渦，如圖2所示.對于曲線電流，學生難以直接受力分析，此時可以滲透微元的思想進行“化曲為直”，將曲線電流轉化為直線電流，進而引導學生利用微元法分析出電磁驅動和電磁阻尼現(xiàn)象的產(chǎn)生過程，促進學生對物理概念的深入理解，也可以提高學生活用微元思想化解疑難問題、簡化復雜過程的能力.

圖2 渦流示意圖

課堂實錄：

師：導體帶動小熊運動起來，它們的運動狀態(tài)改變，必然受到了什么作用？

生：力的作用.

師：什么力的作用呢？下面進行分析.磁場遠離導體向右運動時，會引起穿過導體的磁通量減少.在塊狀導體內(nèi)會產(chǎn)生什么？

生：渦流.

師：正確.根據(jù)楞次定律，感應電流的磁場阻礙原磁通量的變化，根據(jù)右手螺旋定則，可以判斷出此時渦流方向為逆時針，如圖3所示.渦流處在磁場中，會受到什么力的作用？

圖3 分析渦流方向示意圖

生：安培力.

師：正確.由此得出使塊狀導體運動起來的力是安培力.那么導體所受安培力的方向如何，為什么會使導體運動起來呢？通過俯視圖具體分析(見圖4).磁場向右運動，感應電流為逆時針.塊狀導體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對于曲線電流，不能直接判斷安培力的方向.所以采用微元法“化曲為直”，將渦流分解成若干個微小電流元，任取一段電流元，可以近似地看成直線電流.如何判斷這段電流元所受安培力的方向呢？

圖4 分析安培力方向示意圖

生：左手定則.

師：伸出左手，磁場垂直穿過掌心，四指指向電流方向，拇指指向安培力的方向，垂直于電流向右上方.在對稱的下半圓周也取一段電流元，所受安培力向右下方.對這兩個安培力沿水平和豎直方向正交分解，會發(fā)現(xiàn)安培力豎直方向分量有什么特點？

生：等大反向，相互抵消.

師：正確，所以合力向右.對于整個導體，任意上下對稱的電流元豎直方向安培力都會抵消，所受安培力的合力向右，與磁場運動方向一致.由此得到磁場相對導體運動時，安培力使導體運動起來，把這種現(xiàn)象叫做電磁驅動.

3 制造認知沖突 激發(fā)科學探究

新課標重視對學生科學探究能力的培養(yǎng).廣義的科學探究不僅僅是學生動手做實驗；學生在教師的引導下深入地去思考一個物理現(xiàn)象、物理過程，通過親身的體驗和自己的思考發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，這也屬于探究的過程.教師需要通過一定的教學手段創(chuàng)設學生感興趣的待解決問題，讓學生運用所學的知識和方法，在教師的引導下展開探究，形成物理概念或總結出物理規(guī)律.而教學實踐表明，學生處于適度的認知沖突中最有學習的動力[3].以認知沖突為依托，可以激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望.在教學中，可以通過制造認知沖突為學生創(chuàng)設生動的問題情境，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，通過科學探究解決問題，建構物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)學生的科學探究能力.

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，當學生建構出電磁驅動的概念之后，再次利用小熊蕩秋千的實驗裝置，讓學生觀察導體阻礙小熊的運動.通過一個實驗裝置，演示導體被驅動和被阻礙兩種截然相反的實驗現(xiàn)象，給學生制造強烈的認知沖突，引導學生進行科學探究.

3.1 觀察實驗現(xiàn)象 提出探究問題

通過創(chuàng)設一定的問題情境引發(fā)學生的認知沖突，激起學生的好奇心，促使學生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題,積極主動地去探索、去學習, 發(fā)揮學生的主體作用.

課堂實錄：

師：通過電磁驅動，導體跟著磁場動起來.如果初始狀態(tài)，讓導體先運動起來，再將磁鐵放置到導體下方(見圖1).會有什么現(xiàn)象呢？

教師演示，學生觀察.

生：導體很快停下來.

師：此時磁鐵對導體有什么作用？

生：阻礙了導體的運動.

師：上一個實驗中，磁鐵驅動導體，使導體動起來，為什么此時阻礙導體，使導體很快停下來呢？

3.2 提出假設 設計實驗方案

教師引導學生對比兩個實驗現(xiàn)象的不同之處猜想原因.學生通過對比發(fā)現(xiàn)兩個實驗中導體的初始運動狀態(tài)不同，上個實驗中初始狀態(tài)為磁場先動，此時導體先動.

生：如果初始狀態(tài)導體在磁場中運動，導體會受到阻礙.

師：同學們做出了猜想，導體在磁場中運動時可能會受到阻礙.那該如何設計實驗驗證我們的猜想呢？

(學生思考，教師讓學生表達想法)

師：導體選擇上文中提到的鋁片.導體動，有平動和轉動兩種方式，為了方便研究，選擇平動中的擺動.在磁場中運動，用磁鐵(可拆卸)來提供磁場.為了對比實驗現(xiàn)象，選擇兩個相同的鋁片，一個在磁場中運動，一個在空氣中運動做對比.由此可采用如圖5所示的實驗裝置.

圖5 電磁阻尼擺實驗模型

設計意圖：新課標重視探究的過程，在實驗探究時，每一步的實驗設計思路教師都要給出充分的依據(jù)，說明其中涉及到的物理思想和方法，讓學生不僅學習實驗操作，更能學習設計實驗的思維.

3.3 進行實驗 驗證猜想

首先排除無關變量的干擾，兩個鋁片的兩側都不加磁鐵，將鋁片放置到相同的位置同時釋放，可以觀察到兩個鋁片幾乎同時停止擺動.在左側鋁片的兩側加上磁鐵，再次同時釋放，可以觀察到在磁場中運動的鋁片先停下來.驗證了猜想正確，導體在磁場中運動時確實會受到阻礙.

設計意圖：通過實驗探究解決問題，并在實驗前排除無關因素的干擾，培養(yǎng)學生嚴謹和實事求是的科學態(tài)度，在實驗過程中滲透“對比”的物理思想，使學生得到科學思維和方法的訓練，提升學生的科學探究能力.

3.4 得出結論 建構概念

類比電磁驅動的分析過程，讓學生自主分析出阻礙導體的力是安培力，并用微元的方法分析安培力的方向，與導體運動方向相反.由此得到，導體在磁場中運動，安培力阻礙導體運動，這種現(xiàn)象叫做電磁阻尼，完成概念的建構.

設計意圖：類比電磁驅動的建構過程，讓學生完成電磁阻尼概念的建構，可以讓學生鞏固所學的物理思想和方法，培養(yǎng)學生獨立解決問題的能力.

4 抽象物理模型 激活科學思維

“科學思維”指從物理學角度對客觀事物內(nèi)在規(guī)律及其本質(zhì)的認識，是基于經(jīng)驗事實建構物理模型的抽象過程[4].基于科學思維的物理教學要求能抽象出物理概念和規(guī)律的科學本質(zhì)，完成物理概念模型或物理原理、規(guī)律模型的建構[5].

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，得出兩種現(xiàn)象的定義后，引導學生綜合看待兩種現(xiàn)象，電磁阻尼中安培力阻礙導體，電磁驅動安培力驅動導體，抽象出其共同特點：安培力阻礙導體和磁場的相對運動，再挖掘其本質(zhì)，磁場和導體的相對運動引起了穿過導體的磁通量變化，在導體內(nèi)產(chǎn)生了渦流(感應電流)，感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因，因此阻礙穿過導體的磁通量變化，進而阻礙導體和磁場的相對運動，從而完成物理現(xiàn)象產(chǎn)生原理的模型建構，電磁阻尼和電磁驅動本質(zhì)示意圖如圖6所示.由此,一方面可以加深學生對這兩種現(xiàn)象以及楞次定律的深刻認識，明確它們之間的內(nèi)在關系；另一方面可以培養(yǎng)學生透過物理現(xiàn)象挖掘物理本質(zhì)以及建構物理模型的能力，發(fā)展學生的科學思維.

圖6 分析電磁阻尼和電磁驅動本質(zhì)示意圖

5 解決實際問題 提升社會責任感

物理教學要十分重視對學生科學態(tài)度與責任感的培養(yǎng)，在教學中要培養(yǎng)學生科學應用的意識和能力.教師應該創(chuàng)設一定的應用情境，通過教師有意識的引導，幫助學生把所學知識遷移到新的情境，解釋和解決實際問題，賦予新知識以意義.在遷移的過程中讓學生了解物理知識與技術進步、社會發(fā)展的關系，以激發(fā)學生的創(chuàng)造力和社會責任感.

在電磁阻尼和電磁驅動的教學中，利用自制教具為學生演示兩種規(guī)律在“過山車剎車”和“磁性式轉速表”中的應用，創(chuàng)設貼近生活實際的遷移情境，在真實的情境下完成對電磁阻尼和電磁驅動現(xiàn)象的重新建構，讓學生了解物理知識在技術中的應用，啟發(fā)學生用所學知識解決生活實際問題，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和責任.

利用自制教具(圖7)為學生介紹電磁阻尼在過山車剎車中的應用.兩個相同的軌道，一方的軌道下方有磁鐵，小車的下方有鋁片.將小車在兩個軌道上釋放，會觀察到小車在下方有磁鐵的軌道上運動先停下來.引導學生結合電磁阻尼知識解釋其中的原理，由此引申到過山車的電磁制動模型.過山車進入制動區(qū)域運動時，軌道下方有強磁鐵，過山車的底部有銅鋁合金或者鋁片，過山車進入磁場中運動時，會受到安培力的阻礙減速，最終通過摩擦輪或其他摩擦制動的方式停下來.

圖7 過山車電磁制動模型

下面介紹電磁驅動在磁性式轉速表中的應用.汽車有速度表及轉速表，汽車上的轉速表(圖8)反映發(fā)動機的轉速，根據(jù)發(fā)動機的轉速可以判斷汽車是否啟動，是否換擋等等.

圖8 磁性式轉速表示意圖

通過Flash動畫展示汽車轉速表的基本結構，如圖9所示.

圖9 磁性式轉速表原理示意圖

永久磁鐵的轉軸和發(fā)動機轉軸相連，感應片通常是金屬鋁片，指針和感應片的轉軸相連，在測轉速時，永久磁鐵隨發(fā)動機轉軸旋轉，會帶動感應片同方向旋轉，由此指針發(fā)生偏轉，引導學生利用電磁驅動知識解釋原理.此時彈簧游絲隨感應片轉軸轉動被扭緊，產(chǎn)生反方向的恢復力，當游絲的恢復力矩與電磁驅動作用的轉動力矩平衡時，指針穩(wěn)定地指在某一示數(shù).發(fā)動機轉軸帶動磁鐵轉速增大時，由電磁驅動產(chǎn)生的轉動力矩增大，指針就穩(wěn)定在偏角更大的位置，圖10是自制磁性式轉速表模型.

圖10 自制磁性式轉速表模型

利用自制教具演示磁性式轉速表的工作過程，進一步增強學生的感性認識，并引導學生自己制作磁性式轉速表模型.

物理課堂教學是落實和發(fā)展學生物理核心素養(yǎng)的主陣地，以物理核心素養(yǎng)為導向的教學是高中物理課程改革對物理教學的必然要求.實施核心素養(yǎng)導向的物理教學，要求教師轉變價值觀念，意識到物理教學不僅是知識的傳輸和再現(xiàn)，更重要的是物理思想方法的體驗和應用.讓學生即使遺忘物理知識，仍然能在頭腦中留下物理思想方法、科學研究態(tài)度的痕跡，讓其被學生永久保持，發(fā)展為學生的必備品格和基本素養(yǎng)，這才是中學物理課程的價值所在[6].