《渦流、電磁阻尼和電磁驅動》創新教學設計

摘 要：在過去的教學中，部分教師對《渦流、電磁阻尼和電磁驅動》這一節往往不是很重視，有的教師可能只是把課本讀一讀，而實際上，本節課可以以實驗串起各個教學環節，充分凸顯學生的主體地位，培養學生物理學科核心素養。文章對這一課的創新教學設計進行了探討。

關鍵詞：渦流實驗；渦流的應用和防止；新課標；核心素養

基金項目：本文系課題“物理學史對培養高中生科學態度和責任的有效性探索”（課題編號：MJG21008）階段性研究成果。

作者簡介：王 旭（1990—），女，安徽省馬鞍山市第二中學。

羅曉明（1983—），男，安徽省馬鞍山市第二中學。

一、課前準備

（一）課標要求

通過實驗，了解渦流現象，能舉例說明渦流現象在生產生活中的應用。

（二）教材分析

本課內容為高中物理選擇性必修第二冊第二章《電磁感應》第3節。初中生學習過電磁現象，在必修第三冊中也學習了電磁感應的基礎內容，了解了電磁感應的相關規律，知道了感應電流的產生條件和方向，并且對感應電動勢大小的影響因素已經有了一個定性的認識。本節課分兩個課時進行，第1課時主要介紹渦流的產生及其應用與防止，第2課時介紹渦流的機械效應相關概念在生活中的一些應用，如電磁炮、電磁彈射等。總之，本節課知識更偏向于應用。

（三）學情分析

在認知層面，對于《電磁感應》這一章，學生過去學習的都是理想的單匝線圈問題，但是在實際的問題中，我們經常會碰到變化的磁場對周圍導體產生影響。渦流現象是生活中常見的現象，這是從理論到實際的飛躍，存在一定困難。

在知識層面，學生已經完整地學習了電磁感應的知識，掌握了感應電流的大小、方向，感應電動勢的產生、大小等知識，這為本節課的學習奠定了基礎。

在能力層面，學生通過之前的學習，已經能夠通過協作完成簡單的實驗，具有初步的協作能力、獨立思考能力。

（四）任務分析

本節課介紹了電磁感應在生產、生活中的應用，首先教師通過實驗回顧感應電流的基本概念，同時提出問題，引發思考：變化的磁場除了會在周圍的閉合線圈中產生感應電流，還會對周圍的其他導體產生什么樣的影響呢？引導學生思考渦流的成因，引入渦流的概念。接著，教師通過一系列的實驗，讓學生對渦流在生活中有著廣泛的應用有一個初步的印象，并引導學生思考，任何事物有積極的一面，同時也有消極的一面，有時候我們需要對渦流加以利用，有時候也需要防止渦流。

任務分解：（1）渦流的產生需要變化的磁場以及導體；（2）渦流的應用和防止。

（五）教學目標與核心素養

1.物理觀念

讓學生知道什么是渦流，了解渦流的產生原理，知道渦流的特性是熱效應。

2.科學思維

（1）讓學生學習渦流的產生、應用和防止，幫助學生學會辯證地認識問題。

（2）讓學生養成善于分析和比較的思維習慣，引導學生學會從生活中發現物理規律和問題。[1]

3.科學探究

（1）通過實驗培養學生的動手操作能力以及科學探究能力。

（2）通過分析相關裝置與器材的工作原理，培養學生的分析表述能力，培養學生理論與實際相結合的意識。

4.科學態度與責任

（1）本節課有很多的演示實驗，能給學生直觀的感受，培養學生透過現象看本質的科學態度，提高學生學習物理的興趣。

（2）通過學習渦流在生產生活中的應用，強化學生用學習的知識來解決實際問題的意識和能力。

（六）教學重難點

教學重點：渦流的產生、利用以及防止。

教學難點：變壓器鐵芯材質選擇及其采用片狀結構的原因。

（七）設計思想

本節課以實驗串起了各個教學環節，以學生為主體，以培養學生核心素養為目標。[2]利用物理實驗貫穿整個教學過程，在實驗中，取材簡單，可自制教學器材，如用已有裝置改裝制作高頻交流電源、制作鋁盤演示裝置等，與生活生產緊密聯系，讓學生感受到物理的無窮魅力。通過實驗、探究、思考、分析，讓學生感受科學探究的過程，逐步提高物理學科核心素養。

（八）教學方法

教法：設計創新演示實驗、啟發式教學等。

學法：討論、自主、合作等。

（九）教具準備

螺線管、手機、音響、不銹鋼杯、塑料燒杯、電磁爐、鐵塊、線圈、發光二極管、磁鐵、自制教具鋁盤、小型變壓器、金屬探測儀、銀幣、紙盒等。

（十）教學流程（圖1）

二、教學過程

（一）溫故知新，引發思考

探究活動1：將與發光二極管構成閉合回路的線圈放到正在工作的電磁爐上方，觀察現象并思考問題。

（1）線圈回路接電源了嗎？（沒有。）

（2）電磁爐工作后，二極管為什么會發光？（線圈回路中產生感應電流。）

（3）產生感應電流的條件是什么？（閉合回路磁通量發生變化。）

（4）穿過線圈的磁場從哪來？是變化的還是恒定的？（源于電磁爐，電磁爐通電后，電流一直變化，電流周圍的磁場也一直變化，導致線圈中磁通量一直變化，所以二極管會一直發光。）

繼續提問：變化的磁場除了會在周圍的閉合線圈中產生感應電流，還會對周圍的其他導體產生什么樣的影響呢？

設計意圖：由于本節課實驗比較多，容易讓這節課顯得松散，因此抓住核心線索十分必要，渦流主要研究的是變化磁場對周圍的導體產生的影響，抓住這條隱藏的線索，將使整個教學內容邏輯更清晰。

（二）演示實驗，建立概念

探究活動2：

（1）在電磁爐上放一個不銹鋼杯、兩個塑料杯（杯中都有水），兩個塑料杯中放有溫度計，打開電磁爐開關，觀察現象。

（2）往其中一個塑料杯中放入鐵塊，繼續觀察兩個塑料杯中溫度計示數情況。

由上述實驗可知，電磁爐不是直接將熱量傳遞給水的，加熱的關鍵在于不銹鋼、鐵塊這些金屬物質。

綜上所述，電磁爐通電后，線圈中通有大小和方向隨時間快速變化的電流，電流周圍產生磁場，由于電流變化，電流產生的磁場也隨時間變化，變化的磁場周圍會產生感生電場，這個感生電場是閉合的，如果在此空間中存在導體，那么導體中的磁通量也會發生變化，從而產生感應電流，由于導體中電流是一圈一圈的，看起來像水中的漩渦一樣，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。

當我們把不銹鋼杯放在電磁爐上，打開電磁爐，不銹鋼杯中會產生渦流并大量生熱，之后再把熱量傳遞給杯中的水，這就是電磁爐的工作原理，其實際上是利用了渦流的熱效應。

渦流熱效應的其他應用：當金屬塊的電阻比較小時，形成的渦流的電流強度就會比較大，進而產生大量的焦耳熱。工業上的感應冶煉爐，就是利用渦流的熱效應來熔煉金屬的。冶煉爐外繞有線圈，冶煉爐內裝有待冶煉的金屬。將大功率的高頻交流電源與線圈連接后，高頻交流電在線圈內激發出很強的磁場，這時爐內的金屬中會產生強大的渦流，并釋放出大量的焦耳熱，從而將待冶煉的金屬熔化。

探究活動3：演示實驗，將鐵棒放入通有高頻交流電的線圈中，鐵棒會產生渦流，并被加熱到很高溫度。

通過視頻展示真空冶煉過程，真空冶煉爐的優點如下：加熱時間比較短，控制溫度比較方便，能避免雜質混入等。

渦流的防止：渦流的熱效應也可能帶來危害。看，這是變壓器，它由兩個線圈組成，兩個線圈繞在了鐵芯上，想想這是為什么？（為了提升磁感應強度。）我們在之前的學習中也曾通過在螺線管中插入電芯來提升磁感應強度，但是線圈通入快速變化的電流時，鐵芯會產生渦流，在電阻率比較小的情況下，渦流比較強，發熱量比較大，不僅造成了能量的損失，還有可能損壞電器，因此怎么減小渦流呢？（降低頻率。）但是我們生活中常用的變壓器頻率是不變的……從鐵芯本身想想辦法，我們常用特殊材料制作鐵芯，如硅鋼，除此之外，我們還能怎么做？

設計意圖：這一環節，教師要注重和學生的互動交流，引導學生思考，讓學生對渦流大小的影響因素形成感性的認識。

我們近距離觀察一下變壓器的鐵芯可以發現，變壓器的鐵芯并不是一整塊金屬，而是由很多層金屬片疊在一起組成的，而且金屬片所在的平面和線圈平面垂直，雖然鐵芯內部渦流應該處在和線圈平行的平面上，但是鐵芯被疊加的貼片代替了，而且每層貼片之間用絕緣漆隔離，阻斷了渦流的回路，使得大范圍的渦流消失，熱效應就減弱了。

渦流的磁效應：除了熱效應，渦流還有其他的用途。

探究活動4：挖寶小游戲

準備三個盲盒，開展“尋寶”游戲，有且只有一個盲盒里放入了一枚金屬銀制成的錢幣，要求學生在不打開盒子的情況下找到它。學生搖盒子、聽聲音、掂重量、用磁鐵吸引等方法都無效。教師拿出挖寶工具——金屬探測儀，很輕松就找到了寶藏所在。在學生思考后，教師介紹金屬探測儀的工作原理。

再來看一段影片，影片展現的是抗戰時期，日本軍人用探雷器探雷的場景，所有探雷器都沒有發出警報，但是卻有地雷爆炸，這又是為什么呢？（地雷不是金屬的，這些地雷是用粗瓷制成的，不會被探雷器識別到，又有很大的殺傷力。抗戰時期勞動人民的智慧和創造力值得我們學習和敬佩，同時也提醒我們要銘記歷史，刻苦學習，奮發圖強！）

設計意圖：充分彰顯物理學科的魅力。新時期，中國正處于發展的關鍵階段，網絡世界更是沒有硝煙的戰場，因此，在教學中抓住一切可能，對學生進行思政教育顯得十分必要，在物理教學中以實際的案例來提高學生的社會責任感，更容易獲得學生的認可和接受。

（三）自制教具，認知沖突

除了熱效應和磁效應，渦流還有怎樣的應用呢？讓我們來看下面這個實驗：自制鋁盤，演示，轉動鋁盤，用磁鐵靠近鋁盤，鋁盤立即停止轉動；磁鐵靠近鋁盤后轉動，鋁盤跟著轉動。

這里面又蘊含著怎么的原理？和渦流又有著怎樣的聯系呢？下面我們一起學習感應電流的機械效應。

設計意圖：通過自制簡易鋁盤實驗，引起學生的認知沖突，充分調動學生的求知欲，激發學生進一步學習的積極性。

（四）本課小結

（1）什么是渦流？渦流是怎么產生的？

（2）渦流有哪些應用？分別利用了渦流的什么效應？

（3）有哪些防止渦流的例子？

課堂小結：本節課主要介紹什么是渦流、渦流的應用與危害。本節課是電磁感應的后續內容，有利于加深學生對前面電磁感應現象的理解。

三、教學反思

渦流、電磁阻尼和電磁驅動雖然是本章的重點，但并不是難點。在設計教學環節時，筆者本著以學生為主體的原則，處處以啟發式教育引導學生循序漸進，按照“教師為主導，學生為主體，實驗為手段，問題為線索”來構想。由于本節課實驗很多，如果設計不恰當就會給人一種堆砌的感覺，所以在設計時，筆者始終抓住“導體”這一點，無論是課程引入還是講授渦流的產生、應用和防止，都著眼于研究變化的磁場對周圍“導體”的影響。此外，每個環節筆者均運用恰當的過渡語，使得整個過程連貫且具有邏輯性。

四、作業設計

（1）完成本節課后習題。

（2）課后分組學習任務：

①查閱資料，了解安檢門的工作原理。②用本節課的知識，嘗試解釋磁鐵為什么可以“牽引”鋁盤。

五、形成性評價

為了更好地了解學生的學習情況，及時發現問題，在渦流、電磁阻尼和電磁驅動（第1課時）教學過程結束之后，筆者設置了如下形成性評價量表（表1）。

［參考文獻］

張波.初中物理教師如何培養學生的問題意識[J].遼寧教育，2019（13）：77-78.

徐益勇.彰顯物理學科魅力 培養學生核心素養：以“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”的兩次教學實踐為例[J].物理通報，2019（2）：49-53.