余嘉懿 尹文慧 張軍朋

摘? ? 要：要落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，物理教學(xué)應(yīng)該重視情境創(chuàng)設(shè)，應(yīng)該從情境中來，到情境中去。通過以情境引問題，以問題導(dǎo)探究，以探究促真知，以真知解問題，形成“問題—實(shí)驗(yàn)—探究—遷移—應(yīng)用”的教學(xué)鏈，將學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)植根于物理課堂。文章以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”為例，討論情境創(chuàng)設(shè)對(duì)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的作用。

關(guān)鍵詞：情境創(chuàng)設(shè);渦流;電磁阻尼;電磁驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）2-0077-4

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在教學(xué)建議中提出：“在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)”。所謂創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，是指教師在教學(xué)環(huán)節(jié)中組織有助于學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、科學(xué)探究的場(chǎng)景條件，使教學(xué)過程充滿活力[1]。相較于其他的教學(xué)模式，情境教學(xué)具有一定的優(yōu)越性：借助“看得見、摸得著”的生動(dòng)情境可以還原知識(shí)生成的真實(shí)場(chǎng)景，還能通過情境教學(xué)解決真實(shí)情境中的物理問題，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)和能力。

1? ? “渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”內(nèi)容分析及教學(xué)設(shè)計(jì)思路

教材圍繞渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)三個(gè)核心概念展開描述，邏輯順序是首先介紹渦流，接著通過思考與討論展開對(duì)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象及其應(yīng)用的學(xué)習(xí)，如圖1所示。教材注重科學(xué)概念的形成過程，先從簡單的模型和實(shí)驗(yàn)觀察出發(fā)，經(jīng)過分析概括后，完成對(duì)科學(xué)概念的建構(gòu)。本節(jié)課對(duì)渦流兩種效應(yīng)的認(rèn)知是基于對(duì)渦流的本質(zhì)以及形成機(jī)理的充分認(rèn)識(shí)之上形成的，因此，課堂教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該是對(duì)渦流概念及成因的充分認(rèn)識(shí)，渦流概念的建構(gòu)過程。教學(xué)難點(diǎn)是理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生過程，并能夠進(jìn)行實(shí)例分析。教材介紹了電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的部分應(yīng)用，突出了技術(shù)的應(yīng)用，但是缺少用于課堂直觀演示的實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生知識(shí)的有效遷移。

基于以上分析，筆者以“小熊蕩秋千”實(shí)驗(yàn)為線索展開教學(xué)，教學(xué)流程如圖2所示。通過多元情境的創(chuàng)設(shè)，層層遞進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)核心概念，意在指引學(xué)生強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念;基于科學(xué)探究引導(dǎo)學(xué)生挖掘出三個(gè)概念間內(nèi)在的聯(lián)系，提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力;引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問題，培育學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

2? ? 聯(lián)系生活實(shí)際，創(chuàng)設(shè)引導(dǎo)性問題情境

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平處于從具體運(yùn)算向形式運(yùn)算的過渡階段，對(duì)于未接觸過的陌生概念需要一定的感性認(rèn)識(shí)來支撐。而創(chuàng)設(shè)情境目的在于幫助學(xué)生形成感性的認(rèn)識(shí)，為知識(shí)的意義建構(gòu)做好充分準(zhǔn)備。因此，在創(chuàng)設(shè)導(dǎo)入情境時(shí)可借助演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生展示貼近生活的有趣現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也要能引發(fā)學(xué)生的思考。

如圖3所示，將小熊懸掛起來，磁鐵放置在小熊的下方，與小熊不接觸，移動(dòng)磁鐵，讓學(xué)生觀察小熊的運(yùn)動(dòng)情況。引導(dǎo)學(xué)生觀察小熊底部藏有金屬線圈，讓他們猜想這個(gè)金屬線圈是哪種金

屬？大多數(shù)學(xué)生猜想是鐵。接著展示磁鐵不能吸引這個(gè)金屬線圈，從而說明小熊底部所藏的不是鐵質(zhì)線圈，而是鋁質(zhì)線圈。進(jìn)而提問：磁鐵不會(huì)吸引鋁，為什么小熊會(huì)蕩秋千？讓學(xué)生帶著這一問題進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。

3? ? 擴(kuò)展物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)概念形成情境

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要組成部分，它既是物理學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，又是物理學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容、方法和手段。通過借助物理現(xiàn)象體現(xiàn)物理規(guī)律，在現(xiàn)象和理論之間搭建橋梁，幫助學(xué)生建立、理解概念和規(guī)律。因此，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)概念形成情境，讓學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)之后，再借助特定的物理實(shí)驗(yàn)情境對(duì)學(xué)生加以引導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷思維的探究過程，完成概念的建構(gòu)。通過上文中的“小熊蕩秋千”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到磁鐵可以帶動(dòng)鋁質(zhì)線圈運(yùn)動(dòng)，可以在這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，指引學(xué)生完成渦流概念的建構(gòu)。

鋁質(zhì)線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變，必然會(huì)受到力的作用，是什么力的作用呢？引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，如圖4所示。當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)線圈向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量減少，根據(jù)楞次定律可以判斷出線圈中產(chǎn)生順時(shí)針方向的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流處于磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用，根據(jù)左手定則判斷出安培力方向向右，安培力的作用效果就是驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體跟著磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。同理可知，當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)線圈向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈所受安培力向左。所以移動(dòng)磁鐵時(shí)，能觀察到鋁質(zhì)線圈和小熊運(yùn)動(dòng)起來。

提出系列問題：如果將鋁質(zhì)線圈換成中間挖了一個(gè)洞的鋁板a，移動(dòng)磁鐵能否觀察到鋁板和小熊一起運(yùn)動(dòng)？如果把洞挖小點(diǎn)，換成鋁板b能否觀察到鋁板和小熊一起運(yùn)動(dòng)？洞再小一點(diǎn)換成鋁板c呢？教師依次換成鋁板a、b、c進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖5），學(xué)生觀察到鋁板a、b、c均能運(yùn)動(dòng)起來。結(jié)合上文的分析，學(xué)生不難理解：磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，在鋁板a、b、c內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，在安培力的作用下使鋁板運(yùn)動(dòng)起來。

繼續(xù)提出問題：如果換成不挖空的鋁板d，移動(dòng)磁鐵，能否觀察到鋁板和小熊一起運(yùn)動(dòng)？讓學(xué)生進(jìn)行猜想，大多數(shù)學(xué)生不敢確定。關(guān)鍵在于學(xué)生不能確定塊狀導(dǎo)體內(nèi)部是否存在閉合回路。

接下來教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生會(huì)觀察到移動(dòng)磁鐵，仍然能使小熊蕩秋千，

即移動(dòng)磁鐵仍然能帶動(dòng)鋁板運(yùn)動(dòng)起來。說明在鋁板內(nèi)形成了閉合回路，看上去鋁板內(nèi)的閉合回路“消失”，實(shí)際上鋁板內(nèi)部自成閉合回路。進(jìn)而得出結(jié)論：塊狀導(dǎo)體內(nèi)部必定自成閉合回路，當(dāng)變化的磁場(chǎng)穿過塊狀導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，形狀類似水的漩渦，這種電流叫渦電流，簡稱為渦流，如圖6所示。

磁場(chǎng)相對(duì)塊狀導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，塊狀導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，受到的安培力的合力也會(huì)使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來。對(duì)以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行概括：磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來，這種現(xiàn)象叫作電磁驅(qū)動(dòng)。線圈、線框、塊狀導(dǎo)體等均適用，由此幫助學(xué)生建構(gòu)豐滿的電磁驅(qū)動(dòng)概念。

介紹渦流具有熱效應(yīng)以及渦流的熱效應(yīng)在生活中有廣泛的應(yīng)用，可以通過多媒體等手段為學(xué)生演示電磁爐加熱食物的現(xiàn)象。

4? ? 引發(fā)認(rèn)知沖突，創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究情境

新課標(biāo)重視對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下深入地去思考一個(gè)物理現(xiàn)象、物理過程，通過親身體驗(yàn)和自己的思考發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。而教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生處于適度的認(rèn)知沖突中最有學(xué)習(xí)的動(dòng)力[2]。以認(rèn)知沖突為依托，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。因此，教師可以通過制造認(rèn)知沖突為學(xué)生創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，通過科學(xué)探究解決問題，建構(gòu)物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

再次利用“小熊蕩秋千”演示實(shí)驗(yàn)，但不同的是先讓小熊（下方貼有鋁板）動(dòng)起來，再將磁鐵放置到小熊下方，學(xué)生會(huì)觀察到此時(shí)小熊的運(yùn)動(dòng)很快停止。上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，變化磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體使其運(yùn)動(dòng)起來，而本實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)卻阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)使其很快停下來，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象截然相反，從而引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。

讓學(xué)生猜想兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同的原因，讓他們對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的不同之處。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)上個(gè)實(shí)驗(yàn)中初始狀態(tài)磁場(chǎng)先動(dòng)，而本實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)體先動(dòng)，因此學(xué)生會(huì)猜想：初始狀態(tài)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體可能會(huì)受到阻礙。

學(xué)生猜想之后，利用電磁阻尼擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，如圖7所示。選擇兩個(gè)相同的鋁片，首先把兩個(gè)鋁片放置到相同位置，同時(shí)釋放，讓學(xué)生觀察兩個(gè)鋁片幾乎同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)（排除無關(guān)因素的干擾）。接著，在一個(gè)鋁片的兩側(cè)加上磁鐵，一個(gè)鋁片處于空氣中做對(duì)比，再次將兩個(gè)鋁片放置到相同的位置同時(shí)釋放，可以觀察到磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的鋁片先停下來，說明導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)確實(shí)會(huì)受到阻礙，驗(yàn)證猜想正確。

類比電磁驅(qū)動(dòng)的分析過程，讓學(xué)生自主分析此時(shí)是安培力阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)。由此得出結(jié)論：導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其所受安培力阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫作電磁阻尼。引導(dǎo)學(xué)生分析電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象的共同產(chǎn)生原因，如圖8所示。即兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于磁場(chǎng)和導(dǎo)體發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致變化的磁場(chǎng)穿過塊狀導(dǎo)體，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流。而感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因，從而安培力阻礙導(dǎo)體和磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng);導(dǎo)體先動(dòng)，安培力阻礙導(dǎo)體;磁場(chǎng)先動(dòng)，安培力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體。所以，電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象都是渦流的機(jī)械效應(yīng)的體現(xiàn)。

5? ? 激活物理知識(shí)，創(chuàng)設(shè)遷移應(yīng)用情境

學(xué)生學(xué)習(xí)了物理知識(shí)后，還要回到生活中學(xué)會(huì)靈活應(yīng)用，這樣才能賦予新知識(shí)以意義。因此，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)遷移應(yīng)用情境，將物理知識(shí)與身邊事物相聯(lián)系，幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)遷移到新的情境中，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。其次，教師也應(yīng)該通過一定的教學(xué)手段，比如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或多媒體制作等方式簡化實(shí)際問題，抓住同本節(jié)課知識(shí)有聯(lián)系的主要矛盾進(jìn)行研究，使得學(xué)生“跳一跳”能夠“摘到果子”，收獲不同于解題的真實(shí)成就感。

電磁阻尼在制動(dòng)方面有著廣泛的應(yīng)用。教師可以利用自制教具模擬過山車的電磁制動(dòng)過程，用底部貼有金屬鋁片的小車模擬過山車，準(zhǔn)備一個(gè)底部貼有強(qiáng)磁鐵的軌道模擬過山車的制動(dòng)軌道，如圖9所示。將小車從軌道的頂端釋放，當(dāng)其經(jīng)過制動(dòng)區(qū)域時(shí)，會(huì)觀察到明顯的減速現(xiàn)象。讓學(xué)生解釋其中的原理，進(jìn)而讓學(xué)生明白過山車的電磁制動(dòng)過程，指引學(xué)生完成知識(shí)的遷移。

引導(dǎo)學(xué)生分析電磁驅(qū)動(dòng)在磁性式轉(zhuǎn)速表中的應(yīng)用，利用自制Flash動(dòng)畫模擬汽車轉(zhuǎn)速表的基本結(jié)構(gòu)，如圖10所示。其中，感應(yīng)片是金屬鋁片，永久磁鐵的轉(zhuǎn)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連。測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，永久磁鐵會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)感應(yīng)片同方向旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生思考并解釋其中的原理。指針和感應(yīng)片的轉(zhuǎn)軸相連，所以指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。彈簧游絲隨感應(yīng)片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)被扭緊，產(chǎn)生反方向的恢復(fù)力，當(dāng)游絲的恢復(fù)力矩與電磁驅(qū)動(dòng)作用的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平衡時(shí)，指針穩(wěn)定地指在某一示數(shù)。通過讓學(xué)生掌握磁性式轉(zhuǎn)速表的工作原理，了解物理知識(shí)與技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和社會(huì)責(zé)任感。

總之，情境能夠?qū)ξ锢斫虒W(xué)活動(dòng)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用，在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)課堂中應(yīng)廣泛地應(yīng)用情境教學(xué)[3]。創(chuàng)設(shè)多元情境，有利于學(xué)生自主完成概念和規(guī)律的構(gòu)建，有利于學(xué)生展開科學(xué)探究，有利于知識(shí)的遷移深化和應(yīng)用，是

知識(shí)轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡劍.創(chuàng)設(shè)物理情境規(guī)引學(xué)習(xí)過程——初中物理概念教學(xué)之“過程性情境”創(chuàng)設(shè)訴求[J]. 物理教師， 2015，36（04）：38-40.

[2]劉建浩.基于情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論的教學(xué)設(shè)計(jì)——圓周運(yùn)動(dòng)[J].物理教師，2019，40（07）：31-33.

[3]劉銀奎. 重視情境創(chuàng)設(shè)、培養(yǎng)核心素養(yǎng)——以“動(dòng)能與動(dòng)能定理”教學(xué)為例[J]. 物理教學(xué)探討， 2019，37（06）：14-18.

（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）