基于物理核心素养导向的概念教学
——以“电磁阻尼和电磁驱动”为例

尹文慧 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

物理学科核心素养是学生在学习物理过程中逐步形成的行为习惯与关键能力，是物理学科育人价值的集中体现.高中物理课程标准倡导要把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标.因此，如何基于物理核心素养开展课堂教学就成为广大一线教师关注的热点问题.

本文以“电磁阻尼和电磁驱动”的概念教学为例，探讨了如何在物理教学中培养学生的物理核心素养.

1 创设实验情境 激发学生兴趣

新课标指出在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设.创设情境进行教学，可以增强学生对物理现象的感性认识，调动学生的思维进而在自主活动中不断抽象出其本质，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用.在物理概念的教学中，可以从演示实验出发，通过有趣的实验现象为学生创设引人入胜的学习情境，帮助学生从生动的主观过渡到抽象的思维.同时，有趣的实验情境不仅能激发学生的学习兴趣，也能引发学生的思考，把学生的注意力吸引到本节课要研究的问题上来.

在“电磁阻尼和电磁驱动”概念教学中，演示“小熊荡秋千”趣味实验(小熊下方贴有金属铝片，移动磁铁带动小熊跟着运动起来)，如图1所示，让学生观察磁铁不能吸引铝片，但磁铁运动却能够带动铝片跟着运动.通过趣味实验创设问题情境，激发学生的好奇心和求知欲，让学生带着问题继续学习.

课堂实录：

师：这里有一个悬挂的小熊(图1)，在其下方放置磁铁，移动磁铁，可以观察到什么？

图1 小熊荡秋千模型

生：小熊跟着动起来了.

师：小熊的下方贴有一个金属片，猜想金属片是哪一种金属材质？

生：铁.

师(教师演示磁铁不能吸引该金属片)：这个金属片不是铁片，而是铝片，磁铁不会吸引铝片，为什么小熊会荡秋千？

2 注重方法渗透 建构物理观念

物理观念是物理概念和规律在头脑中的提炼与升华，是对物理思想和方法概括性、纵观性的认知与体验[1].基于物理观念的概念教学既要包括对物理概念的深入认识与理解，还要包括科学思想方法的体验与应用[2].因此，在概念教学中应该以物理思想方法作为生长点向外延展，引导学生对物理过程深入分析，发展学生运用物理思想方法处理实际问题的能力，实现对物理思想方法的内化，让学生在物理方法的体验和反思中建构物理观念.

在“电磁阻尼和电磁驱动”的教学中，提出问题之后，引导学生逐步分析.当块状导体和磁场相对运动时，在导体中会产生涡流，形状类似水的漩涡，如图2所示.对于曲线电流，学生难以直接受力分析，此时可以渗透微元的思想进行“化曲为直”，将曲线电流转化为直线电流，进而引导学生利用微元法分析出电磁驱动和电磁阻尼现象的产生过程，促进学生对物理概念的深入理解，也可以提高学生活用微元思想化解疑难问题、简化复杂过程的能力.

图2 涡流示意图

课堂实录：

师：导体带动小熊运动起来，它们的运动状态改变，必然受到了什么作用？

生：力的作用.

师：什么力的作用呢？下面进行分析.磁场远离导体向右运动时，会引起穿过导体的磁通量减少.在块状导体内会产生什么？

生：涡流.

师：正确.根据楞次定律，感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化，根据右手螺旋定则，可以判断出此时涡流方向为逆时针，如图3所示.涡流处在磁场中，会受到什么力的作用？

图3 分析涡流方向示意图

生：安培力.

师：正确.由此得出使块状导体运动起来的力是安培力.那么导体所受安培力的方向如何，为什么会使导体运动起来呢？通过俯视图具体分析(见图4).磁场向右运动，感应电流为逆时针.块状导体内产生涡电流，对于曲线电流，不能直接判断安培力的方向.所以采用微元法“化曲为直”，将涡流分解成若干个微小电流元，任取一段电流元，可以近似地看成直线电流.如何判断这段电流元所受安培力的方向呢？

图4 分析安培力方向示意图

生：左手定则.

师：伸出左手，磁场垂直穿过掌心，四指指向电流方向，拇指指向安培力的方向，垂直于电流向右上方.在对称的下半圆周也取一段电流元，所受安培力向右下方.对这两个安培力沿水平和竖直方向正交分解，会发现安培力竖直方向分量有什么特点？

生：等大反向，相互抵消.

师：正确，所以合力向右.对于整个导体，任意上下对称的电流元竖直方向安培力都会抵消，所受安培力的合力向右，与磁场运动方向一致.由此得到磁场相对导体运动时，安培力使导体运动起来，把这种现象叫做电磁驱动.

3 制造认知冲突 激发科学探究

新课标重视对学生科学探究能力的培养.广义的科学探究不仅仅是学生动手做实验；学生在教师的引导下深入地去思考一个物理现象、物理过程，通过亲身的体验和自己的思考发现物理规律，这也属于探究的过程.教师需要通过一定的教学手段创设学生感兴趣的待解决问题，让学生运用所学的知识和方法，在教师的引导下展开探究，形成物理概念或总结出物理规律.而教学实践表明，学生处于适度的认知冲突中最有学习的动力[3].以认知冲突为依托，可以激发学生的学习兴趣和探究欲望.在教学中，可以通过制造认知冲突为学生创设生动的问题情境，引导学生发现问题，提出问题，通过科学探究解决问题，建构物理概念和规律，培养学生的科学探究能力.

在电磁阻尼和电磁驱动的教学中，当学生建构出电磁驱动的概念之后，再次利用小熊荡秋千的实验装置，让学生观察导体阻碍小熊的运动.通过一个实验装置，演示导体被驱动和被阻碍两种截然相反的实验现象，给学生制造强烈的认知冲突，引导学生进行科学探究.

3.1 观察实验现象 提出探究问题

通过创设一定的问题情境引发学生的认知冲突，激起学生的好奇心，促使学生观察现象、发现问题,积极主动地去探索、去学习, 发挥学生的主体作用.

课堂实录：

师：通过电磁驱动，导体跟着磁场动起来.如果初始状态，让导体先运动起来，再将磁铁放置到导体下方(见图1).会有什么现象呢？

教师演示，学生观察.

生：导体很快停下来.

师：此时磁铁对导体有什么作用？

生：阻碍了导体的运动.

师：上一个实验中，磁铁驱动导体，使导体动起来，为什么此时阻碍导体，使导体很快停下来呢？

3.2 提出假设 设计实验方案

教师引导学生对比两个实验现象的不同之处猜想原因.学生通过对比发现两个实验中导体的初始运动状态不同，上个实验中初始状态为磁场先动，此时导体先动.

生：如果初始状态导体在磁场中运动，导体会受到阻碍.

师：同学们做出了猜想，导体在磁场中运动时可能会受到阻碍.那该如何设计实验验证我们的猜想呢？

(学生思考，教师让学生表达想法)

师：导体选择上文中提到的铝片.导体动，有平动和转动两种方式，为了方便研究，选择平动中的摆动.在磁场中运动，用磁铁(可拆卸)来提供磁场.为了对比实验现象，选择两个相同的铝片，一个在磁场中运动，一个在空气中运动做对比.由此可采用如图5所示的实验装置.

图5 电磁阻尼摆实验模型

设计意图：新课标重视探究的过程，在实验探究时，每一步的实验设计思路教师都要给出充分的依据，说明其中涉及到的物理思想和方法，让学生不仅学习实验操作，更能学习设计实验的思维.

3.3 进行实验 验证猜想

首先排除无关变量的干扰，两个铝片的两侧都不加磁铁，将铝片放置到相同的位置同时释放，可以观察到两个铝片几乎同时停止摆动.在左侧铝片的两侧加上磁铁，再次同时释放，可以观察到在磁场中运动的铝片先停下来.验证了猜想正确，导体在磁场中运动时确实会受到阻碍.

设计意图：通过实验探究解决问题，并在实验前排除无关因素的干扰，培养学生严谨和实事求是的科学态度，在实验过程中渗透“对比”的物理思想，使学生得到科学思维和方法的训练，提升学生的科学探究能力.

3.4 得出结论 建构概念

类比电磁驱动的分析过程，让学生自主分析出阻碍导体的力是安培力，并用微元的方法分析安培力的方向，与导体运动方向相反.由此得到，导体在磁场中运动，安培力阻碍导体运动，这种现象叫做电磁阻尼，完成概念的建构.

设计意图：类比电磁驱动的建构过程，让学生完成电磁阻尼概念的建构，可以让学生巩固所学的物理思想和方法，培养学生独立解决问题的能力.

4 抽象物理模型 激活科学思维

“科学思维”指从物理学角度对客观事物内在规律及其本质的认识，是基于经验事实建构物理模型的抽象过程[4].基于科学思维的物理教学要求能抽象出物理概念和规律的科学本质，完成物理概念模型或物理原理、规律模型的建构[5].

在电磁阻尼和电磁驱动的教学中，得出两种现象的定义后，引导学生综合看待两种现象，电磁阻尼中安培力阻碍导体，电磁驱动安培力驱动导体，抽象出其共同特点：安培力阻碍导体和磁场的相对运动，再挖掘其本质，磁场和导体的相对运动引起了穿过导体的磁通量变化，在导体内产生了涡流(感应电流)，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，因此阻碍穿过导体的磁通量变化，进而阻碍导体和磁场的相对运动，从而完成物理现象产生原理的模型建构，电磁阻尼和电磁驱动本质示意图如图6所示.由此,一方面可以加深学生对这两种现象以及楞次定律的深刻认识，明确它们之间的内在关系；另一方面可以培养学生透过物理现象挖掘物理本质以及建构物理模型的能力，发展学生的科学思维.

图6 分析电磁阻尼和电磁驱动本质示意图

5 解决实际问题 提升社会责任感

物理教学要十分重视对学生科学态度与责任感的培养，在教学中要培养学生科学应用的意识和能力.教师应该创设一定的应用情境，通过教师有意识的引导，帮助学生把所学知识迁移到新的情境，解释和解决实际问题，赋予新知识以意义.在迁移的过程中让学生了解物理知识与技术进步、社会发展的关系，以激发学生的创造力和社会责任感.

在电磁阻尼和电磁驱动的教学中，利用自制教具为学生演示两种规律在“过山车刹车”和“磁性式转速表”中的应用，创设贴近生活实际的迁移情境，在真实的情境下完成对电磁阻尼和电磁驱动现象的重新建构，让学生了解物理知识在技术中的应用，启发学生用所学知识解决生活实际问题，培养学生的科学态度和责任.

利用自制教具(图7)为学生介绍电磁阻尼在过山车刹车中的应用.两个相同的轨道，一方的轨道下方有磁铁，小车的下方有铝片.将小车在两个轨道上释放，会观察到小车在下方有磁铁的轨道上运动先停下来.引导学生结合电磁阻尼知识解释其中的原理，由此引申到过山车的电磁制动模型.过山车进入制动区域运动时，轨道下方有强磁铁，过山车的底部有铜铝合金或者铝片，过山车进入磁场中运动时，会受到安培力的阻碍减速，最终通过摩擦轮或其他摩擦制动的方式停下来.

图7 过山车电磁制动模型

下面介绍电磁驱动在磁性式转速表中的应用.汽车有速度表及转速表，汽车上的转速表(图8)反映发动机的转速，根据发动机的转速可以判断汽车是否启动，是否换挡等等.

图8 磁性式转速表示意图

通过Flash动画展示汽车转速表的基本结构，如图9所示.

图9 磁性式转速表原理示意图

永久磁铁的转轴和发动机转轴相连，感应片通常是金属铝片，指针和感应片的转轴相连，在测转速时，永久磁铁随发动机转轴旋转，会带动感应片同方向旋转，由此指针发生偏转，引导学生利用电磁驱动知识解释原理.此时弹簧游丝随感应片转轴转动被扭紧，产生反方向的恢复力，当游丝的恢复力矩与电磁驱动作用的转动力矩平衡时，指针稳定地指在某一示数.发动机转轴带动磁铁转速增大时，由电磁驱动产生的转动力矩增大，指针就稳定在偏角更大的位置，图10是自制磁性式转速表模型.

图10 自制磁性式转速表模型

利用自制教具演示磁性式转速表的工作过程，进一步增强学生的感性认识，并引导学生自己制作磁性式转速表模型.

物理课堂教学是落实和发展学生物理核心素养的主阵地，以物理核心素养为导向的教学是高中物理课程改革对物理教学的必然要求.实施核心素养导向的物理教学，要求教师转变价值观念，意识到物理教学不仅是知识的传输和再现，更重要的是物理思想方法的体验和应用.让学生即使遗忘物理知识，仍然能在头脑中留下物理思想方法、科学研究态度的痕迹，让其被学生永久保持，发展为学生的必备品格和基本素养，这才是中学物理课程的价值所在[6].