基于教材中“楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”題開展的科學(xué)探究及其教學(xué)實(shí)踐*

周新雅 劉堯 鄒芳

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

科學(xué)探究既是人類認(rèn)知世界、獲取科學(xué)知識的一條重要途徑，又是學(xué)生主動學(xué)習(xí)科學(xué)知識、體驗(yàn)科學(xué)探究過程、掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的有效活動．根據(jù)《新課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力是中學(xué)階段的重要目標(biāo)之一．教材作為“教師教”與“學(xué)生學(xué)”的重要中間介質(zhì)，為師生提供了豐富的探究內(nèi)容．以下將以教材中的一道習(xí)題為基礎(chǔ)，闡述如何利用“楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”題進(jìn)行學(xué)生核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究能力培養(yǎng)．

1 應(yīng)用于科學(xué)探究的“習(xí)題”原文

“楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)” 人教版高中《物理·選修3-2》(2010年4月第三版)第四章第3節(jié)“楞次定律”課后“問題與練習(xí)6”如圖1所示[1].

圖1 教材插圖

對于該實(shí)驗(yàn)，教參所描述的大意為：“用磁鐵上的任意一極去靠近閉合環(huán)時(shí)，穿過閉合環(huán)的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，閉合環(huán)中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，阻礙磁鐵向閉合環(huán)接近，閉合環(huán)因此遠(yuǎn)離磁鐵；同理可得，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離閉合環(huán)時(shí)，閉合環(huán)中的感應(yīng)電流阻礙磁鐵遠(yuǎn)離，閉合環(huán)將跟隨磁鐵移動．當(dāng)磁鐵靠近開口環(huán)時(shí)，由于其斷開無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，不管磁鐵遠(yuǎn)離或靠近環(huán)，開口環(huán)都不會移動．”[2]可見該實(shí)驗(yàn)不僅操作簡單、現(xiàn)象直觀，還可以很好地說明問題，幫助學(xué)生理解楞次定律的內(nèi)容，所以很多教師將其作為驗(yàn)證楞次定律的演示實(shí)驗(yàn)帶入課堂，幫助學(xué)生理解“來拒去留”與“增反減同”的物理意義．然而，實(shí)驗(yàn)效果真的如此理想嗎？筆者對該問題進(jìn)行了深入探究．

2 基于“楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)習(xí)題”的探討過程

2.1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

從改變磁鐵磁性強(qiáng)弱、磁鐵插入方式以及鋁環(huán)3個(gè)角度出發(fā)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)一：用磁性不同的磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

當(dāng)選用磁性不同的磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到如表1所示的結(jié)果.

表1 探究磁性強(qiáng)弱的影響

實(shí)驗(yàn)二：改變鋁環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

(1)分別用薄、厚、寬、窄、大、小的鋁環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有因鋁環(huán)的薄厚、寬窄、大小不同而顯著不同；

(2)用與A環(huán)質(zhì)量相同的塑料替代A環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別用弱磁鐵、正常磁鐵、超強(qiáng)磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一基本一致．

實(shí)驗(yàn)三：改變磁鐵插入方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

用超強(qiáng)磁鐵在環(huán)的上側(cè)遠(yuǎn)離或靠近，環(huán)也隨之運(yùn)動

2.2 現(xiàn)象原因解釋

實(shí)驗(yàn)一：當(dāng)弱磁鐵靠近A環(huán)時(shí)，環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流會抵抗磁通量的增加，從而產(chǎn)生阻礙弱磁鐵靠近的力．由于磁鐵磁性較弱，產(chǎn)生的力太小，不足以使A環(huán)運(yùn)動(支點(diǎn)有摩擦力作用)．B環(huán)是不閉合的，只能在環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是渦流，由于磁鐵磁性較弱，產(chǎn)生的力較小，故B環(huán)也不動．但是當(dāng)用超強(qiáng)磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，A環(huán)發(fā)生移動原因與教參所述吻合，而當(dāng)超強(qiáng)磁鐵一極靠近B環(huán)時(shí)，磁鐵和環(huán)之間發(fā)生相對運(yùn)動，環(huán)內(nèi)部電子發(fā)生移動，產(chǎn)生渦流，在超強(qiáng)磁鐵生成的強(qiáng)磁場中，B環(huán)運(yùn)動．

實(shí)驗(yàn)二：其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一相同，說明楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)中環(huán)的動與不動跟環(huán)的厚薄、寬窄、大小無關(guān)．當(dāng)用質(zhì)量相同的塑料代替A環(huán)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)生變化說明B環(huán)的移動與否與A環(huán)的磁通量變化無關(guān)．

實(shí)驗(yàn)三：進(jìn)一步說明環(huán)的運(yùn)動是因?yàn)榄h(huán)的內(nèi)部產(chǎn)生了渦流．

綜上發(fā)現(xiàn)楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)中環(huán)的動與不動，主要是與磁鐵的磁性強(qiáng)弱有關(guān)．

3 在課外實(shí)驗(yàn)探究活動中培養(yǎng)學(xué)生探究能力

基于教材課后練習(xí)，將“楞次雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”中環(huán)的“動”與“不動”的設(shè)置成課外實(shí)驗(yàn)探究活動，既可以增強(qiáng)學(xué)生對楞次定律和渦流的理解，又可以增加知識點(diǎn)之間的橫向聯(lián)系，顯然是很有意義的．從研究活動的一個(gè)相對完整的周期看,是以發(fā)現(xiàn)問題和提出問題為起點(diǎn),以解決問題并提出新問題為終點(diǎn)的一種理性探究過程[3]．在探究過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的情境中，從日常生活及自然現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的觀察中，從物理的角度發(fā)現(xiàn)問題，書面或口頭表述這些問題；根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和知識，對問題的成因提出猜想，對探究的方向和可能的結(jié)果進(jìn)行推測與假設(shè)，綜合運(yùn)用所學(xué)的知識和技能解決問題，形成一些基本策略．例如下面的案例.

讓學(xué)生閱讀書本上的習(xí)題并思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后用超強(qiáng)磁鐵向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

問題1：老師演示的實(shí)驗(yàn)是否與大家預(yù)料的結(jié)果一致？(激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心)

問題2：為什么我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會與我們用已學(xué)知識判斷的結(jié)果不同？

問題3:能否說出我們的實(shí)驗(yàn)在哪里出了問題，那么開口環(huán)的移動到底與什么因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)中我們只用到了磁鐵和鋁環(huán)，是磁鐵的問題還是鋁環(huán)的問題？

問題4：鋁環(huán)、磁鐵的哪些因素造成我們實(shí)驗(yàn)的失??？

啟發(fā)引導(dǎo)：環(huán)的形狀、大小、開口大小以及磁鐵的強(qiáng)弱是否是實(shí)驗(yàn)失敗的關(guān)鍵．

問題5：找到影響因素后應(yīng)該設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證之前的猜想？怎么樣消除不同因素的相互影響？ (組織學(xué)生按照下列表格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填在表2中)[4]

表2 探究環(huán)的結(jié)構(gòu)影響

問題6：一旦發(fā)現(xiàn)開口環(huán)的移動與它的大小、厚薄、開口程度都沒有關(guān)系時(shí)，那說明是否與磁鐵的磁性有關(guān)？應(yīng)該用磁性更強(qiáng)的磁鐵還是更弱的？(組織好學(xué)生將磁鐵換成正常磁鐵重復(fù)上表實(shí)驗(yàn))

問題7：實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與大家最初預(yù)料的一致？開口環(huán)發(fā)生移動的本質(zhì)是什么？(組織學(xué)生交流討論)

啟發(fā)引導(dǎo)：大家回憶一下，曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的渦流．在一塊金屬內(nèi)部只要有變化的磁場就會有許多小型渦流產(chǎn)生，渦流激發(fā)出磁場，反過來與磁鐵相互作用，就會有力的產(chǎn)生，所以開口環(huán)會移動．(讓學(xué)生將開口環(huán)與電流計(jì)串聯(lián)，用超強(qiáng)磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象)

問題8：為什么用磁性較弱的磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)開口環(huán)不發(fā)生移動？難道是里面沒有產(chǎn)生渦流嗎？(當(dāng)磁鐵磁性較弱時(shí)，環(huán)中依舊產(chǎn)生渦流，只不過是磁性較弱，產(chǎn)生的力太小而雙環(huán)的支點(diǎn)上有摩擦力阻礙了它運(yùn)動)

問題9：既然大家明白了其中的道理，那大家預(yù)測一下如果用磁鐵靠近一張鋁箔，鋁箔會跟隨磁鐵移動嗎？(進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果鋁箔會跟隨磁鐵運(yùn)動)

總結(jié)：開口環(huán)的動與不動只與磁鐵的磁性強(qiáng)弱有關(guān)．

學(xué)生通過經(jīng)歷一系列的探究過程，不僅可以加深對已學(xué)知識的理解，使知識與知識間的聯(lián)系更加緊密，還可以通過不斷地思考提高思維品質(zhì)．在實(shí)驗(yàn)探究過程中學(xué)生主動與小組成員積極合作、有效交流分享、協(xié)同完成任務(wù)，準(zhǔn)確表述、評估和反思實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果，并交流實(shí)驗(yàn)中未解決的問題，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的問題，對實(shí)驗(yàn)不斷改進(jìn)，有利于提高學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力．

4 反思

培養(yǎng)學(xué)生的探究能力是科學(xué)探究的重要組成部分，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突是激發(fā)其探究意識的方式之一．在上述活動中學(xué)生通過思考提出雙環(huán)“動”與“不動”可能與環(huán)的形狀有關(guān)，并積極地對猜想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析論證，尋找問題的本質(zhì)原因，有效地將科學(xué)探究方法內(nèi)化為學(xué)生的物理思維品質(zhì)．

現(xiàn)行教材雖然加大了實(shí)驗(yàn)部分的比重，但是大多實(shí)驗(yàn)仍然還是驗(yàn)證性的，由于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是可以預(yù)知的，學(xué)生對其沒有太多的好奇心與興趣，不會進(jìn)行太多思考，機(jī)械地進(jìn)行操作，這樣就不能較好地培養(yǎng)學(xué)生的探究能力．只有讓學(xué)生處于主體地位，真正經(jīng)歷 “提出問題--猜想與假設(shè)--制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)--進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)--分析與論證--評估”這一過程，才能真正提升學(xué)生的科學(xué)探究能力．