基于探究理念的“楞次定律”的教材編寫建議

王金文 尹德利

(北京五中分校 北京 100009) (北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

楞次定律作為高中階段最為抽象的物理定律，歷來是中學(xué)物理教學(xué)的“老大難”問題，雖然許多中學(xué)一線物理教師做過研究課、公開課，物理教學(xué)期刊也發(fā)表了很多有關(guān)楞次定律的教學(xué)設(shè)計和案例，但楞次定律的“教學(xué)難”問題并沒有得到根本的解決.這個難點是如何形成的呢？筆者認為，既有教材編寫的原因，也有教師的教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計的原因；只有厘清教學(xué)難點形成的根源，才能最終破解楞次定律教學(xué)難的問題.

1 教學(xué)難點形成的原因

1.1 教科書編寫的不足是形成教學(xué)難點的主因

物理實驗定律是建立在大量實驗事實基礎(chǔ)上的，是物理學(xué)家經(jīng)過數(shù)年甚至數(shù)十年的實驗探索，在分析大量的實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來的.楞次定律作為電學(xué)的一個重要實驗定律，當(dāng)然也不例外，它是俄國物理學(xué)家楞次“在分析了許多實驗事實”后概括總結(jié)出來的[1].然而，長期以來，我國中學(xué)物理教科書在編寫“楞次定律”一節(jié)時，卻只提供了一個條形磁鐵插入螺線管的實驗，并通過對該實驗現(xiàn)象的分析，就概括出了判斷感應(yīng)電流方向的普適定律——楞次定律.這樣編寫，能夠“多快好省”地將楞次定律的知識傳授給學(xué)生，這在“以知識為中心”“以應(yīng)試為目的”的年代沒什么不妥.然而在當(dāng)下，我國基礎(chǔ)教育正處在從學(xué)科教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)科教育的轉(zhuǎn)型期，從發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的視角來審視楞次定律的教學(xué)，教科書的編寫，就有些不妥當(dāng).這樣編寫，帶來了兩大問題：其一，學(xué)生可能會產(chǎn)生這樣一種錯誤觀念,物理實驗定律的發(fā)現(xiàn)無需做很多實驗，一個實驗或許就夠了，科學(xué)家做了那么多實驗，才得出規(guī)律性的結(jié)論，是不是過于謹慎了？其二，楞次定律的嚴謹表述，給楞次定律的探究教學(xué)造成了很大的困難.教科書中關(guān)于楞次定律的表述是這樣的：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.這個表述是嚴謹而又言簡意賅的，但該定律并沒有直接說明感應(yīng)電流的方向，而是通過感應(yīng)電流的效果——阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，來間接判斷感應(yīng)電流的方向.楞次定律的這個表述，對高中生來說，理解起來就有一定的困難，更何況讓學(xué)生自主探究得出這個完美結(jié)論.

我們不禁要問，教科書上的這個表述是楞次本人的原始表述嗎？如果學(xué)生自主探究得出其他判斷感應(yīng)電流的方法，但表述卻與教科書上的表述不一致，是否說明這節(jié)課的教學(xué)就是失敗的呢？

答案是否定的.筆者查閱相關(guān)的物理學(xué)史文獻發(fā)現(xiàn)，楞次本人對感應(yīng)電流方向的表述與我國中學(xué)物理教科書中的表述其實并不一致[2].1832年，楞次獲悉法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的消息后，很快做了一系列電磁感應(yīng)的實驗，得出了感應(yīng)電動勢的大小與線圈的匝數(shù)成正比的結(jié)論.1833年11月，楞次在彼得堡科學(xué)院所作的《關(guān)于感應(yīng)引起的伽伐尼電流方向的判定》報告中指出：“一切動電感應(yīng)實驗都可以很容易地納入動電運動定律，如果后者已知，則前者即可確定”“如果金屬導(dǎo)體在電流或磁鐵附近運動，那么導(dǎo)體中激起的伽伐尼電流的方向，使處于靜止狀態(tài)的導(dǎo)體朝相反的方向移動”.由此可見，楞次只是針對動生感應(yīng)電流的方向提供了一種判斷方法，在這里他并沒有提到“阻礙”這個詞，更沒有提及“磁通量”和“磁通量的變化”等概念.事實上，“磁通量”的概念在1846年才由法拉第提出[3].至于中學(xué)物理教科書上關(guān)于楞次定律的嚴謹表述，到底是由歷史上哪位物理學(xué)家概括出來的，筆者由于可供查閱的史料有限，已無從考證.

既然連楞次本人都沒有總結(jié)出物理教科書上的結(jié)論，那為什么要苛求師生必須在45 min的時間內(nèi)落腳在“感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”這個結(jié)論上呢？如果學(xué)生在那么短的時間內(nèi)就能得出這個結(jié)論，楞次定律也就不會成為高中物理教學(xué)的難點.

仍舊回到楞次本人的表述上來.為了更好地理解楞次關(guān)于動生電流方向的判斷方法，我們以金屬桿切割磁感線運動為例.如圖1所示，金屬桿cd沿導(dǎo)軌向右切割磁感線運動，那么它產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是怎樣的呢？按楞次的說法，這個電流方向就是使處于靜止狀態(tài)的金屬桿cd沿導(dǎo)軌向相反的方向運動,即向左運動(這個方向也就是安培力的方向)時流過金屬桿的電流方向.用左手定則容易判斷出，導(dǎo)體桿中感應(yīng)電流的方向由c到d.

圖1 金屬桿切割磁感應(yīng)線

再譬如，如圖2所示，通電直導(dǎo)線中的電流方向自下而上，直導(dǎo)線右側(cè)放一閉合導(dǎo)線框abcd，若導(dǎo)線框向右運動，那么閉合線框中的感應(yīng)電流方向如何判斷？按楞次的說法，感應(yīng)電流的方向就是使閉合線框由靜止開始向左運動(安培力向左)時流過線框的電流方向.根據(jù)安培定則和左手定則容易判斷出，閉合線框中感應(yīng)電流的方向為順時針方向.

圖2 閉合金屬線框中感應(yīng)電流方向判斷

從這里可以看出，楞次本人并沒有使用磁通量的概念，也沒有借助“感應(yīng)電流的磁場”這個中介物，只是根據(jù)已有的知識——安培定則和左手定則，就輕易地判斷出了感應(yīng)電流的方向.

教科書中關(guān)于楞次定律的表述盡管嚴謹、無懈可擊，但它造成的弊端卻是：束縛了學(xué)生科學(xué)探究的思想，人為增加了課堂教學(xué)的難度.

1.2 教學(xué)理念和教學(xué)評價的偏差是造成楞次定律教學(xué)難的另一原因

新課標強調(diào)物理教學(xué)應(yīng)采取自主、合作、探究的方式，于是許多物理教師，為了體現(xiàn)這一教學(xué)理念，在“楞次定律”的研究課、公開課教學(xué)中，紛紛采用小組合作探究的方式，讓學(xué)生“自主發(fā)現(xiàn)”物理規(guī)律.為了體現(xiàn)整節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的完整性，教師在設(shè)計這節(jié)課的教學(xué)流程和進度時，就必須讓學(xué)生在不到45 min鐘的時間內(nèi)通過小組合作探究總結(jié),得出和教科書上一模一樣的結(jié)論.顯然，這對任何層次的學(xué)生來說，都是很難做到的.如果學(xué)生臨下課前還得不出教科書上的結(jié)論，不管是授課教師還是聽課教師，都會認為這節(jié)課的教學(xué)目標沒有達成，這節(jié)課的教學(xué)就是不成功的.試問，教科書上的結(jié)論，連作為物理學(xué)家的法拉第、安培甚至楞次本人研究了多年都沒有總結(jié)出來，讓我國的中學(xué)生在不到45 min的時間內(nèi)就總結(jié)出來，這是不是有些苛求學(xué)生？如果學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)探究不出教科書上的結(jié)論，學(xué)生的探究難道就是失敗的嗎？顯然，教學(xué)理念和教學(xué)評價都出現(xiàn)了問題.

新課標指出，科學(xué)探究不僅僅是一種教學(xué)方式，也是一種教學(xué)目標.作為目標的科學(xué)探究，本意是教師通過科學(xué)探究這種教學(xué)方式，讓學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，掌握科學(xué)探究的方法，形成科學(xué)探究的意識.不能把知識教學(xué)作為衡量一節(jié)課成功與失敗的唯一標準.若把是否得出結(jié)論作為評價一節(jié)探究課成功與否的唯一標準，那么授課教師就會精心設(shè)計探究流程，準確設(shè)定學(xué)生探究的時間.如果探究過程中學(xué)生的步伐沒有跟上教師預(yù)設(shè)的節(jié)奏，教師就會通過一連串的問題引導(dǎo)，將學(xué)生“生拉硬拽”地拉回到“正確的探究軌道”上來，這種探究在筆者看來，充其量是在教師主導(dǎo)下的“偽探究”，因為實驗方案是教科書上的，實驗器材是教師提供的，實驗表格也是教師事先設(shè)計好的，學(xué)生的思維活動也是由教師“主導(dǎo)”的，學(xué)生只需要“照方抓藥”就行了.

令人匪夷所思的是，許多楞次定律的研究課、公開課，學(xué)生不僅如期按時得出了教科書上的完美結(jié)論，而且授課教師還有足夠的時間對楞次定律中的“阻礙”一詞進行“科學(xué)”解讀：誰阻礙？阻礙誰？如何阻礙？阻礙的結(jié)果怎樣？這樣的研究課看起來非常完美，但對其他教師是否具有真正的借鑒意義，恐怕還得打個問號.

楞次定律的實驗探究，難就難在實驗現(xiàn)象的歸納總結(jié)上.從條形磁鐵插入螺線管的實驗中概括出“阻礙”一詞就有相當(dāng)?shù)碾y度，因為學(xué)生在手拿磁鐵插入和拔出螺線管的過程中，學(xué)生很難感受到這種阻礙作用.而將落腳點落在“阻礙回路磁通量的變化”上，難度更大，因為這首先要引入“感應(yīng)電流的磁場”這個概念.但是，如果沒有一定的鋪墊，“感應(yīng)電流的磁場”這個概念學(xué)生是很難想到的.還有，“阻礙”一定是阻礙磁通量的變化嗎？阻礙相對運動就不行嗎？筆者認為，就條形磁鐵插入、拔出螺線管的實驗探究而言，學(xué)生若能總結(jié)出感應(yīng)電流的效果總是阻礙條形磁鐵靠近或遠離螺線管(或者說阻礙相對運動)，就已經(jīng)非常難能可貴了，教師完全沒有必要糾纏于學(xué)生有沒有得出教科書上的完美結(jié)論.當(dāng)然，楞次定律的準確表述教師可以在后續(xù)課中再逐漸引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)提煉出來.

2 教材編寫建議

如上所述，要破解楞次定律教學(xué)難的問題，需要從兩個角度進行改進.首先要從教科書的編寫入手，因為教科書是教師備課、學(xué)生上課最為重要的課程資源.筆者的建議是：將前一節(jié)中“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”中的3個探究實驗(圖3、圖4、圖5)都讓學(xué)生重新探究一番，而不是只讓學(xué)生探究圖4的實驗.

圖3 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(1)

圖4 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(2)

圖5 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件(3)

如前所言，一個普適物理實驗定律的得出，絕不是依據(jù)單個實驗就能總結(jié)出來的.這就是為什么要增加“探究導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向”的實驗和“探究雙螺線管感生電流方向”的實驗.有的教師可能會質(zhì)疑：一個物理實驗，學(xué)生探究起來都那么費勁，再增加探究實驗不是更完不成教學(xué)任務(wù)了嗎？筆者認為，如果增加探究實驗可以降低學(xué)生探究的臺階，如果增加的探究實驗更有利于學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)的認識，那么增加的探究實驗就是值得的.首先，這樣編排遵循了由淺入深、由易到難的原則，便于不同水平、不同層次的學(xué)生開展實驗探究.其次，這樣編排教材，遵循了由特殊到一般、由現(xiàn)象到本質(zhì)的知識發(fā)展邏輯，便于學(xué)生形成正確的運動與相互作用觀、辯證的因果觀和能量觀.

由于學(xué)生在前一章中已經(jīng)學(xué)習(xí)了判斷安培力方向的左手定則.當(dāng)學(xué)生探究導(dǎo)體棒切割磁感線運動產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向時，就容易受左手定則的啟發(fā)，較容易地“發(fā)現(xiàn)”動生電流方向所遵循的規(guī)律——右手定則.順便指出，現(xiàn)行的人教版課標教材3-2把右手定則放在楞次定律之后講解，筆者認為也是不妥的，這首先不符合學(xué)生的認知從簡單到復(fù)雜、由特殊到一般的邏輯.試想，如果學(xué)生已經(jīng)認識了普適的楞次定律，再講右手定則還有什么必要呢？但如果學(xué)生先通過實驗現(xiàn)象的分析“獨立發(fā)現(xiàn)”右手定則，就可以把右手定則作為進一步探究的工具，學(xué)生一旦發(fā)現(xiàn)這個工具具有一定的局限性，就會激發(fā)學(xué)生進一步探尋更普適的判斷方法.

在學(xué)生得出判斷動生電流方向的右手定則以后，教師可以進一步引導(dǎo)學(xué)生分析導(dǎo)體棒的受力和運動情況，這也符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)理論.學(xué)生通過分析導(dǎo)體棒的受力情況，很容易得出結(jié)論：感應(yīng)電流的效果，總是阻礙導(dǎo)體棒的相對運動.那么，為什么感應(yīng)電流的效果是阻礙而不是促進導(dǎo)體棒的運動呢？教師引導(dǎo)學(xué)生進一步從能量守恒與轉(zhuǎn)化的角度進行分析.學(xué)生通過分析就會發(fā)現(xiàn)，如果感應(yīng)電流的效果不是阻礙而是促進導(dǎo)體桿的運動，那么導(dǎo)體桿的動能以及回路中產(chǎn)生的電能就會不斷增加，這顯然違背了能量守恒定律.這樣，學(xué)生從力和運動的角度進行分析，立刻就觸及到了電磁感應(yīng)現(xiàn)象和楞次定律的本質(zhì)——能量轉(zhuǎn)化與守恒，學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象就有了更全面、更深刻的認識.

有了“阻礙”這個思想基礎(chǔ)，學(xué)生在探究導(dǎo)體棒插入、拔出螺線管的實驗中，也會從螺線管中感應(yīng)電流的效果阻礙條形磁鐵的下落以及能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度分析判斷螺線管中感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律.由于避開了從磁通量變化的角度分析判斷感應(yīng)電流的方向，因而降低了學(xué)生探究的難度.這對普通學(xué)校的中學(xué)生是適宜的.那么，是不是在任何情況下都可以用“阻礙相對運動”來判斷感應(yīng)電流的方向呢？生源比較好的重點學(xué)?？梢岳^續(xù)讓學(xué)生探究雙螺線管實驗中感應(yīng)電流方向的判斷方法.這時，由于兩個螺線管之間沒有相對運動，因此，無法從阻礙相對運動的角度分析判斷感應(yīng)電流的方向，說明右手定則不是普適的規(guī)律，學(xué)生剛剛建立的認知平衡又被打破了.那么，有沒有判斷感應(yīng)電流方向的普適方法呢？學(xué)生由此產(chǎn)生了進一步探究的欲望.這時，教師不失時機地引導(dǎo)學(xué)生重新從回路中磁通量變化的角度來分析前面的兩個實驗，學(xué)生就容易得出“感應(yīng)電流的效果總是阻礙回路中磁通量的變化”這個結(jié)論.

另外，建議將本節(jié)課的標題“楞次定律”改為“探究感應(yīng)電流的方向”，這樣改，便于不同類型學(xué)校的教師根據(jù)自己學(xué)生的能力水平確定探究的內(nèi)容和深度.

由于篇幅所限，本文只就楞次定律教學(xué)難的根源及教材編寫的建議提出了自己的一孔之見，不當(dāng)之處敬請各位專家、同仁指正.