基于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的“法拉第電磁感應(yīng)定律”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

張齊峰

摘要：本文介紹了運(yùn)用簡(jiǎn)易自制教具，定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)設(shè)計(jì)過程，改進(jìn)了教材上的學(xué)生實(shí)驗(yàn).同時(shí)，教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)、問題、啟發(fā)、應(yīng)用或拓展為手段，以語(yǔ)言、圖象、表格或代數(shù)為方式，讓學(xué)生在動(dòng)眼、動(dòng)手、動(dòng)口、動(dòng)腦或合作交流中，逐步發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：學(xué)生核心素養(yǎng)；法拉第電磁感應(yīng)定律；教學(xué)設(shè)計(jì)

課堂是學(xué)生發(fā)展能力的主陣地，為了發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，筆者上了一節(jié)市級(jí)教學(xué)公開課，現(xiàn)把這節(jié)課的教學(xué)過程和設(shè)計(jì)意圖與同行分享.

1教學(xué)過程

1.1激趣引入

上課伊始，組織同學(xué)進(jìn)行趣味比賽.要求兩名同學(xué)同時(shí)操作手搖式兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，比較哪個(gè)燈泡更亮，獲勝者予以鼓勵(lì).

設(shè)計(jì)意圖 前蘇聯(lián)教育家蘇霍姆林斯基說過：“求知欲，好奇心是人的永恒的，不可改變的特性.哪里沒有求知欲，哪里便沒有學(xué)校.”有效的教學(xué)情境，可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望.讓學(xué)生在親手操作，親歷情境和親身體驗(yàn)中點(diǎn)燃學(xué)生探究和學(xué)習(xí)的“火把”.

1.2猜想與假設(shè)

與參加趣味游戲的同學(xué)交流，你認(rèn)為發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）大小可能與哪些因素有關(guān)？學(xué)生可能回答，與磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速、線圈大小、匝數(shù)和導(dǎo)線的粗細(xì)等有關(guān).

教師：下面三種圖（圖1、圖2、圖3）均能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，上述因素是否是影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的最本質(zhì)的因素？

學(xué)生：在圖1、2和3中，由于不涉及轉(zhuǎn)速或線圈大小，所以轉(zhuǎn)速和線圈大小不是最本質(zhì)因素.又因?yàn)楦袘?yīng)電流產(chǎn)生的條件與磁通量的變化有關(guān)，結(jié)合發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的感受，我認(rèn)為可能與磁通量的變化、匝數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)？

教師在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上總結(jié)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E可能與磁通量的變化△φ、匝數(shù)n和時(shí)間△t有關(guān).

設(shè)計(jì)意圖 提倡開放性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象，排除非本質(zhì)因素，得到本質(zhì)屬性，訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力和信息收集、分析與處理能力，達(dá)成核心素養(yǎng)中自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，健康生活）的部分目標(biāo).

1.3設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

教師：為了檢驗(yàn)我們的猜想是否正確，下面我們運(yùn)用控制變量法進(jìn)行定量研究.

原理分析 如圖4，小車載著磁鐵從上滑下到進(jìn)入線圈△L過程中（如圖5），閉合回路的磁通量φ增大、磁鐵速度υ增大，則閉合回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E增大，靈敏電流計(jì)偏角會(huì)不斷變大.調(diào)節(jié)光電門到線圈的距離，當(dāng)靈敏電流計(jì)偏角最大時(shí)，用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)此時(shí)瞬時(shí)時(shí)間△t.改變線圈的匝數(shù)或磁鐵的條數(shù)，就改變了閉合回路的匝數(shù)n或磁通量的變化△φ；改變小車下滑的距離L，就改變了時(shí)間△t，血這樣，就可以比較感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與匝數(shù)n、磁通量的變化△φ和時(shí)間△t的關(guān)系了.

實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理

（1）保持磁通量△φ、△t不變，探究E與匝數(shù)n的關(guān)系（表1）.

（2）保持△t、匝數(shù)n不變，探究E與△φ的關(guān)系（表2）.

（3）保持△φ、匝數(shù)n不變，探究E與△t的關(guān)系（表3）.

將數(shù)據(jù)描點(diǎn)、連線，即可得圖6、圖7和圖8.

設(shè)計(jì)意圖 學(xué)生自己進(jìn)行組內(nèi)分工與相互合作，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)、描繪圖象和得出結(jié)論，由實(shí)驗(yàn)表象向歸納結(jié)論逐步過渡，主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，達(dá)到核心素養(yǎng)中的社會(huì)參與目標(biāo).

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

教師：1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，之后大量的科學(xué)家開始研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，最早由紐曼、韋伯各自從理論上提出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式，之后法拉第通過精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一規(guī)律.人們?yōu)榱思o(jì)念法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象方面的突出貢獻(xiàn)，就用他的名字命名了這一定律，即E=k△φ/△t，（k為比例系數(shù)）.在國(guó)際制單位中，因?yàn)?V=1Wb/s，故k=1，即單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=△φ/△t.又因?yàn)閚匝線圈相當(dāng)于n個(gè)電源串聯(lián)，所以n匝線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=n△φ/△t.

設(shè)計(jì)意圖 適時(shí)滲透情感、物理文化、思想和方法教育，避免生硬說教，同時(shí)關(guān)注學(xué)生成長(zhǎng)，達(dá)成核心素養(yǎng)中的文化基礎(chǔ)目標(biāo).

1.5延伸推導(dǎo)

教師：能否利用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)“導(dǎo)線切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”？請(qǐng)完成下列兩種情況的推導(dǎo).

學(xué)生：垂直切割時(shí)，如圖9所示，導(dǎo)體由ab勻速移動(dòng)到a1b1，這一過程中穿過閉合回路的磁通量變化△φ=BLv△t，△t時(shí)間內(nèi)軌道與金屬棒所圍面積內(nèi)磁通量的變化量為△φ=BZis=Bvl△t.由法拉第電磁感應(yīng)定律得E=△φ/△t=Bv△tL/△t=BLv.即垂直切割電動(dòng)勢(shì)E=BLv.

學(xué)生：切割方向與磁場(chǎng)方向成θ角時(shí)，如圖10所示，將υ分解為垂直于B和平行于B的兩個(gè)分量，其中v2=Vcosθ，沒有切割磁感線，不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)；與B垂直的分量v。=vsinθ，切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E=BLvsinθ.

設(shè)計(jì)意圖 通過對(duì)所學(xué)知識(shí)的合理推導(dǎo)，體驗(yàn)解決問題的成功喜悅，增進(jìn)學(xué)習(xí)物理的情感.推導(dǎo)后，注重教師評(píng)價(jià)和同伴評(píng)價(jià)的有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)展，達(dá)成核心素養(yǎng)中的自主發(fā)展目標(biāo).

1.6例題分析

例1 如圖11所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為IT勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一根長(zhǎng)為20cm的導(dǎo)線以2m/s的速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與磁感線方向成30°角，求導(dǎo)線中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大??？

例2 勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向外，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2×10T，一個(gè)直徑為20cm、電阻為0.1Ω的圓形圈放在磁場(chǎng)中，線圈平面垂直磁場(chǎng)方向。在線圈某一直徑兩端用力拉線圈，如圖12所示，在0.5s內(nèi)使線圈面積變?yōu)榱?。問：在這個(gè)過程中，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向如何？平均感應(yīng)電流有多大？

設(shè)計(jì)意圖 引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)題設(shè)條件，從物理規(guī)律出發(fā)，通過分析、綜合或類比等，將實(shí)際問題簡(jiǎn)化為物理模型，運(yùn)用新知識(shí)解決新問題，達(dá)到消化、理解和反饋所學(xué)新知識(shí).同時(shí)兩組例題對(duì)比，讓學(xué)生在反思中鞏固、深化和提高，使學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)由點(diǎn)到面、由面到體，形成合理的知識(shí)結(jié)構(gòu).endprint

1.7討論與展望

討論電動(dòng)機(jī)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)是加強(qiáng)了電源的電流，還是阻礙了電源的電流？學(xué)生討論后發(fā)表見解，教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)得出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電源的電流方向相反，稱為反電動(dòng)勢(shì)，會(huì)阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)線圈做負(fù)功，使電能向其他形式的能轉(zhuǎn)化.

展望電磁感應(yīng)規(guī)律在日常生活中，有著廣泛的應(yīng)用.可以根據(jù)此原理制造發(fā)電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器等電器設(shè)備，有興趣的同學(xué)可查閱資料或預(yù)習(xí)下一節(jié).

設(shè)計(jì)意圖“討論”片段，讓學(xué)生運(yùn)用新知識(shí)解決舊問題，為知識(shí)安裝一個(gè)應(yīng)用“接口”，逐步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、勤于思考和發(fā)現(xiàn)問題的好習(xí)慣；“展望”片段，提出新知識(shí).新情景，為知識(shí)安裝一個(gè)拓展“窗口”，激發(fā)學(xué)生探究新知識(shí)的欲望，以求達(dá)到核心素養(yǎng)中的自主發(fā)展和文化基礎(chǔ)的部分目標(biāo).

2教學(xué)反思

2.1課前

教師需充分了解學(xué)生的認(rèn)知障礙，在教學(xué)過程中為學(xué)生設(shè)計(jì)邏輯關(guān)系嚴(yán)謹(jǐn)、難度梯度適當(dāng)?shù)膯栴}或?qū)嶒?yàn)系列，把知識(shí)問題化，問題情境化，將學(xué)生置于問題的情境中，讓他們經(jīng)歷智力的探險(xiǎn)，收獲思維和智慧，改變只會(huì)“模仿”不會(huì)“遷移”的頑癥.

2.2課中

通過課堂學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)和分組定量探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親臨其境，獲得具體的直接經(jīng)驗(yàn)，得到清晰認(rèn)識(shí).并在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，經(jīng)過學(xué)生討論、分析、推理和歸納，上升到理性認(rèn)識(shí)，形成物理概念或物理規(guī)律.

2.3概念規(guī)律教學(xué)

一個(gè)物理概念或物理規(guī)律可以用語(yǔ)言、圖表、代數(shù)或幾何等方式表達(dá)出來，而不同的學(xué)生對(duì)信息的不同表征形式有著不同的反應(yīng).教學(xué)中需幫助他們找到最適合自己的表征形式.反過來，如果一個(gè)學(xué)生能夠以多種形式來表達(dá)同一問題，就表示他們已經(jīng)對(duì)此問題有了非常透徹的理解.

2.4教學(xué)思想

運(yùn)用物理概念或物理規(guī)律時(shí)，依據(jù)“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的教學(xué)思想，需從學(xué)生身邊的生活實(shí)例入手，突出從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，在階梯中領(lǐng)悟，在漸進(jìn)中進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生關(guān)注生活、應(yīng)用知識(shí)解決問題的熱情和能力.

2.5課后

還應(yīng)注重各種知識(shí)間的相互聯(lián)系，從整體角度看知識(shí)結(jié)構(gòu)，將學(xué)生各方面零散知識(shí)聯(lián)系在一起，這樣有利于學(xué)生全面掌握知識(shí)和理順各部分與整體的關(guān)系.endprint