用實(shí)驗(yàn)探究來培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)*
——以“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”教學(xué)為例

孫春成 戴元峰

(江陰市青陽中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，學(xué)生具備的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)．該素養(yǎng)包含：讓學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)探究過程，能使用常見的實(shí)驗(yàn)儀器，能獨(dú)立完成物理實(shí)驗(yàn)，并學(xué)會(huì)運(yùn)用物理規(guī)律來設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)并解釋生活中的常見問題．

筆者在進(jìn)行“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的教學(xué)時(shí)，設(shè)置了4個(gè)探究活動(dòng)，設(shè)計(jì)了多個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，力圖體現(xiàn)用實(shí)驗(yàn)探究來培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)這一教學(xué)思想．

探究活動(dòng)一：趣味實(shí)驗(yàn)，引發(fā)探究

實(shí)驗(yàn)過程：筆者自制了一個(gè)裝置(圖1)，該裝置由多匝線圈繞制而成，并與電流表連接，當(dāng)線圈中有電流產(chǎn)生的時(shí)候，電流表指針將發(fā)生偏轉(zhuǎn)．筆者請(qǐng)一名同學(xué)握拳，拳頭穿過線圈中心，指針沒有偏轉(zhuǎn)——沒有電流；筆者也握拳，拳頭穿過線圈中心，指針偏轉(zhuǎn)——有電流．

圖1 自制磁生電實(shí)驗(yàn)裝置

提出問題：為什么這位同學(xué)不能使線圈產(chǎn)生電流，而老師可以呢？老師有什么特別之處呢？(學(xué)生議論紛紛，思考)

引發(fā)探究：筆者舒展拳頭，學(xué)生發(fā)現(xiàn)手掌中有塊狀物，它能吸引鐵片——該物為磁鐵．提出問題：看來，線圈中產(chǎn)生的電流與磁鐵有關(guān)，那么，磁在什么條件下能夠產(chǎn)生電呢？筆者引導(dǎo)學(xué)生回憶初中學(xué)過的知識(shí)，學(xué)生回答：閉合回路中，部分導(dǎo)體切割磁感線．深入追問：不切割，能否產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

筆者提供了3種不同的實(shí)驗(yàn)器材，要求學(xué)生們充分嘗試，通過自己的實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．

探究活動(dòng)二：自主實(shí)驗(yàn)，深入探究

方案一 實(shí)驗(yàn)器材[圖2(a)]：條形磁鐵，螺線管，電流計(jì)，導(dǎo)線若干．

方案二 實(shí)驗(yàn)器材[圖2(b)]：大螺線管，小螺線管(含有一根鐵芯)，滑動(dòng)變阻器，電源，開關(guān)，電流計(jì)，導(dǎo)線若干．

方案三 實(shí)驗(yàn)器材[圖2(c)]：兩塊平行的薄磁體(中間的磁場可以近似認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場)，電流計(jì)，小線圈，導(dǎo)線若干．

圖2

在學(xué)生動(dòng)手探究之前，筆者先提出了實(shí)驗(yàn)要求：根據(jù)器材，設(shè)計(jì)方案(體現(xiàn)在大家如何連接電路的過程中)；觀察實(shí)驗(yàn)，記錄現(xiàn)象(記錄下本組實(shí)驗(yàn)怎樣操作有感應(yīng)電流，怎樣操作無感應(yīng)電流)；分析現(xiàn)象，歸納條件(分析本組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，歸納出本組產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么)．

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，筆者分別巡視這3組，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)．學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，請(qǐng)3組學(xué)生派代表分別講述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論．

方案一：

過程與現(xiàn)象.將螺線管與電流計(jì)通過導(dǎo)線連接組成閉合回路.磁鐵插入螺線管時(shí)，有感應(yīng)電流；磁鐵靜止在螺線管中時(shí)，無感應(yīng)電流，磁鐵從螺線管中拔出時(shí)，有感應(yīng)電流．

分析與結(jié)論.磁鐵上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，磁鐵的磁感線被螺線管的線圈給切割了，產(chǎn)生了感應(yīng)電流．即閉合回路中，部分導(dǎo)體切割磁感線，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

方案二：

過程與現(xiàn)象.將小線圈與電源連接構(gòu)成一個(gè)閉合回路，將大線圈與電流計(jì)連接，也構(gòu)成一個(gè)回路．?dāng)嚅_和閉合開關(guān)，有電流產(chǎn)生；快速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的觸頭，有電流產(chǎn)生；抽拔鐵芯，有電流產(chǎn)生．

分析與結(jié)論.開關(guān)斷開和閉合時(shí)，小線圈的磁場變強(qiáng)和變?nèi)酰换瑒?dòng)變阻器阻值改變，會(huì)引起小線圈磁場的強(qiáng)弱變化；抽拔鐵芯，也會(huì)影響小線圈磁場的強(qiáng)弱變化．即閉合回路中，磁場的強(qiáng)弱發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

方案三：

過程與現(xiàn)象.將小線圈與電流計(jì)連接，構(gòu)成一個(gè)閉合回路．線圈在磁場中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，無感應(yīng)電流；線圈在磁場中左右平動(dòng)，無感應(yīng)電流；線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)，有感應(yīng)電流；線圈進(jìn)出磁場，有感應(yīng)電流；線圈面積變化，有感應(yīng)電流產(chǎn)生．

分析與結(jié)論.這5種情況有一個(gè)共性，均改變了線圈在磁場中的有效面積，因此，改變線圈的面積，可以產(chǎn)生感應(yīng)電流．即勻強(qiáng)磁場中，改變線圈的有效面積，閉合回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

筆者引導(dǎo)學(xué)生反思這3個(gè)實(shí)驗(yàn).

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：線圈面積沒有改變，磁鐵靠近或者遠(yuǎn)離——磁場的強(qiáng)弱在變化！即S不變，B變化．

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)：大線圈的面積沒有改變，當(dāng)小線圈中的電流發(fā)生變化的時(shí)候，小線圈的磁場發(fā)生了變化！即S不變，B變化．

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)：由于是勻強(qiáng)磁場，所以，磁場的強(qiáng)弱不變，但線圈的各種運(yùn)動(dòng)引起了線圈有效面積S的變化，即B不變，S變化．

筆者引導(dǎo)學(xué)生思考：從上面3個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和線圈有效面積S，只要有一個(gè)變化，閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．那么，如果B變化，S也變化，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？由此引出第三階段的實(shí)驗(yàn)探究．

探究活動(dòng)三：演示實(shí)驗(yàn)，持續(xù)探究

該裝置(圖3)系筆者自己制作，取名為“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”．筆者在平板玻璃上用鐵粉模擬出該圓柱形磁鐵磁感線的分布，然后根據(jù)磁感線的分布，應(yīng)用繪圖軟件在數(shù)控機(jī)床上加工出該裝置．

圖3 自制探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀

筆者先用導(dǎo)線與電流計(jì)組成閉合回路，然后引導(dǎo)學(xué)生思考：我們將此導(dǎo)線的一部分圈成的線圈緊貼著該裝置從位置1平移到位置2，如圖4所示.

圖4 移動(dòng)線圈

在這個(gè)過程中，距離磁鐵越遠(yuǎn)，磁場就越弱，而面積就越大；距離磁場越近，磁場就越強(qiáng)，而面積就越?。敲矗瑥奈恢?平移到位置2的過程中，線圈中會(huì)不會(huì)產(chǎn)生電流呢？(學(xué)生紛紛討論，并猜測結(jié)論)

筆者將線圈從位置1多次(快速、緩慢)平移到位置2，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，電流計(jì)未偏轉(zhuǎn)！即該過程中沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生．筆者引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考：在這個(gè)過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化了，線圈面積S也變化了，但是沒有感應(yīng)電流，這就給我們一個(gè)感覺，如果把B與S割裂開來看，不足以解釋這個(gè)現(xiàn)象，必須將B與S看成是一個(gè)整體．

由此，引出了磁通量的概念，并進(jìn)一步總結(jié)出產(chǎn)生感應(yīng)電流的根本條件：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化．

探究活動(dòng)四：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主探究

筆者進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用剛才總結(jié)的條件，來解釋第一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，為什么老師能使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而那位同學(xué)不能？學(xué)生紛紛回答，因?yàn)槔蠋熓掷锏拇盆F通過線圈的時(shí)候，線圈里面的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流．筆者順勢引導(dǎo)學(xué)生自主探究：我們是否可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將這個(gè)物理規(guī)律運(yùn)用到實(shí)踐中去呢？

實(shí)驗(yàn)一：探雷器(尋寶儀)

筆者提供一塊強(qiáng)磁鐵以及3個(gè)不透明的紙杯(圖5)，將3個(gè)紙杯倒置，并將強(qiáng)磁鐵置于其中一個(gè)杯子下，要求學(xué)生運(yùn)用今天所學(xué)知識(shí)確定出磁鐵在哪個(gè)杯子下．很快，有學(xué)生提出方案并開始操作：學(xué)生將線圈與小燈泡連接組成閉合回路，用該線圈分別從上方快速套入這3個(gè)杯子，并在使小燈泡發(fā)光的那個(gè)杯子下找出了磁鐵．

圖5 自制“尋寶儀”

實(shí)驗(yàn)二：“搖式”電筒

筆者提供了電筒外殼、小燈泡、小線圈、圓柱形強(qiáng)磁鐵等，要求學(xué)生制作出不用電池的手電筒(圖6)．有學(xué)生很快就制作完成，在前后搖動(dòng)手電筒的時(shí)候，圓柱形強(qiáng)磁鐵來回穿過線圈，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，成功地使燈泡一閃一閃地發(fā)光．

圖6 自制“搖式”電筒

實(shí)驗(yàn)三：搖繩實(shí)驗(yàn)

筆者提問：我們所處的地球表面，存在地磁場，那么，我們是否可以想辦法，來檢測出這微弱的地磁場呢？

學(xué)生經(jīng)過一番討論，提出了“搖繩實(shí)驗(yàn)”，并有學(xué)生指出，由于地磁場十分微弱，因此，該實(shí)驗(yàn)需要用到“放大”思想．他們提出的實(shí)驗(yàn)策略有：搖繩要比較長；繩子中要有多匝線圈(通電螺線管的啟示)；使用靈敏電流計(jì)(最好使用傳感器)；站位要恰當(dāng)(東西方向站位)．實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)學(xué)生在走廊中搖繩，其他學(xué)生運(yùn)用蘋果手機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將靈敏電流計(jì)示數(shù)放大并實(shí)時(shí)傳到大屏幕上，順利地觀察到了指針的偏轉(zhuǎn)．

在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，筆者通過設(shè)計(jì)多個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生親身經(jīng)歷了探究的整個(gè)過程，通過操作、討論、反思、總結(jié)等方式，在實(shí)驗(yàn)中逐步建構(gòu)了對(duì)物理規(guī)律的完整認(rèn)識(shí)，并將物理規(guī)律應(yīng)用到實(shí)踐中去，有效地避免了學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)而導(dǎo)致的知其然而不知其所以然的現(xiàn)象，取得了良好的教學(xué)效果．教學(xué)過程中，學(xué)生的優(yōu)異表現(xiàn)也多次令筆者感到欣喜和震撼，也許，我們一直低估了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造力，也許，這樣的教學(xué)方式才的確符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律．如果我們?cè)谖锢斫虒W(xué)中能夠始終把探究性實(shí)驗(yàn)放在重要位置，讓物理教學(xué)過程回歸物理學(xué)科研究的本質(zhì)，那么，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)就一定能夠順利達(dá)成．