基于核心素养的物理实验教学创新设计
——以“楞次定律”教学为例

齐 斌

(江苏省南京市宁海中学，江苏 南京 210097)

1 实验教学与核心素养

物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。核心素养的培养有利于学生的终身发展，促使其更好地应对现代社会和未来发展带来的挑战。

实验教学是落实物理育人的重要手段，能有效提升学生的核心素养。物理实验可以把物理知识和实践情境紧密地结合起来，培养学生从物理学的视角解释现象和解决实际问题的能力；物理实验可以让学生基于事实和推理对不同观点和结论提出质疑并检验，可以激活学生的思维；实验可以让学生体验和经历探究的过程，提高他们的科学探究能力；物理实验是有趣的、奇妙的，生活中的物理更是能使学生体会到自然界的和谐与奇妙，体会科学规律的普适性。除此之外，物理实验还有助于培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学精神，团队协同探究的过程也有利于增强学生的协同意识与合作精神。[1]

2 以实验为主线的楞次定律教学设计

楞次定律这一节内容是在学生已经掌握感应电流产生条件的基础上，探究感应电流方向的规律。在楞次定律的实验探究中，需要让学生从实验现象中找出“相同事件”或“相关事件”的共同特征，总结出感应电流方向的规律，并且能用能量守恒的观点解释“阻碍磁通量变化”过程中其他形式的能转化为电能。楞次定律是电磁感应模块中的重点，也是学生学习的难点。笔者通过一连串的创新实验设计，化整为零，突破重难点，把核心素养的培养落实到教学过程中。

2.1 利用魔管实验趣味引入

情境1：用图1所示的器材做小游戏，测测学生的反应时间。老师和学生都将管子竖直放置，小球从管的上方释放，然后迅速用手在管的下方接小球，看能不能接住。小球在老师手里的管中下落得慢，在学生手里的管中下落得快。

图1 魔管实验

师：老师对球施加魔法了吗？

生：两个小球不一样，老师释放的是磁球。

师：磁球为什么下落得慢呢？

生：磁球和管之间有吸引力。

师：磁铁可以吸引哪些物质？

生：磁铁可以吸引磁铁，可以吸引铁、钴、镍，可以吸引电流。

师：很好，那铜管属于哪一种？

生：铜管不是铁、钴、镍，也不是磁铁，那铜管中有感应电流！

师：特别棒！请同学们思考一下，老师上节课讲的感应电流产生的条件，看看铜管是否满足产生感应电流的条件呢？

生：感应电流的产生条件是闭合回路中磁通量发生变化，铜管中产生了感应电流。

设计意图：利用魔管实验，调动学生的积极性，激发学习兴趣；在思维加工中，激发认知冲突，进一步引导学生思考磁球怎么会与铜管发生相互作用，从而得出铜管中有感应电流的结论。这一设计可以提升学生的科学思维，促进他们在思维加工中内化物理观念，在自我纠错中养成科学态度。

2.2 利用“楞次”小船判定感应电流方向

图2

情境2：图2所示为笔者自制的“楞次小船”，图3是其原理图。所用器材为铝制易拉罐、泡沫板、磁铁等。将小船放入水中，将塑料棒插入或拔出绑在小船上的易拉罐时，小船纹丝不动；当磁铁N极或S极插入和拔出的时候，小船左右运动。

图3

师：观察实验现象，并描述小船的运动。

生：当磁铁靠近小船时，小船向左运动；当磁铁远离小船时，小船向右运动。

师：易拉罐中是否有感应电流产生？为什么？

生：有感应电流，因为磁铁没有直接与小船发生相互作用，磁铁可以与电流发生相互作用，所以易拉罐中产生了感应电流。

师：如果易拉罐中有感应电流，可以将它类比为什么?

生：将它类比为磁体。

师：易拉罐中产生感应电流的方向有没有变化？为什么？

生：在插入和拔出过程中，磁铁的磁极没有变化，但小船一次被排斥，一次被吸引，所以易拉罐的N、S极发生了变化。

师：如果磁铁的S极远离小船，易拉罐中的感应电流方向如何？从左端看时是沿顺时针还是沿逆时针？

生：S极远离，可以看到小船受到吸引，易拉罐的右端可以看成N极，再由右手螺旋定则可以判断出，从左端看小船中的感应电流方向是沿顺时针方向。

情境3：实验探究，总结规律。设计表格(表1)，分别记录N极插入和拔出、S极插入和拔出时原磁场的方向、感应电流磁场的方向、磁通量的变化，并思考这三者之间有何关联。

表1

师：当磁铁靠近小船时，两者之间产生了什么力？当磁铁远离小船时，两者之间又产生了什么力？

生：磁铁靠近小船时，两者间是斥力；当磁铁远离小船时，两者间是引力。

师：填写表1，你能尝试从表格中总结出规律吗？

此时学生总结起来还是比较困难的。

师：原磁场在怎么变化？感应电流的磁场方向与原磁场变化有关联吗？原磁场方向与感应电流的磁场方向可以用“相同”或“相反”来表述，原磁场的变化可以用磁通量“增加”或“减小”来表述。

生：原磁场磁通量增加时，感应电流磁场方向与原磁场方向相反；原磁场磁通量减小时，感应电流磁场方向与原磁场方向相同。

师：很好，增反减同！哪位同学再解释一下“增”“减”“反”“同”都是什么意思？

生：“增”“减”指的是原磁场的磁通量增加或减小；“反”“同”指的是感应电流的磁场方向与原磁场方向相反或相同。

师：很好！总结很到位。“增反减同”，感应电流的磁场要“阻碍”原磁场磁通量的变化。

设计意图：“楞次”小船这一创新性实验，能激发学生的学习兴趣。从实施操作可行性角度看，“楞次”小船的设计，有利于培养学生的科学思维能力与科学探究能力；学生经过思考比较容易得到感应电流的方向会发生变化，并将感应电流的方向与磁通量的变化联系在一起，来探究它们之间的关系；能清楚地看到磁铁与小船之间的相互作用，并清楚判定出作用力的方向，引导学生类比电磁铁，判断出感应电流的方向。

2.3 利用实验展示楞次定律在生活中的应用

情境4：为学生提供电流计、电池、螺线管、磁铁、开关等，要求学生设计、连接电路。先在学案上用刚刚学习的理论知识来判断感应电流的方向(图4)。再用实验来检验自己的判定是否正确。

图4

情境5：将楞次定律与二极管相结合，展示发光二极管小车(图5)。发光二极管具有单向导电性，并且可以发光，可观察到电流的方向。小车底下有滚轮，在力的作用下比较容易运动。

图5

图6

情境6：魔管揭秘——相见时难别亦难。将铜管类比为一圈一圈的导线(图6)，用所学知识从“力”和“能”的角度分析小球下落慢的原因。并自制教具，在铜丝上接入小灯泡，当磁球滑过，让学生直观感受能量的转化。

师：磁球为什么下落缓慢？在A位置时，线圈1和线圈2给磁球力的方向是怎样的？在B位置时，线圈1和线圈2给磁球力的方向是怎样的？

生：铜管由n匝铜线圈组成，当磁球下落至A位置时，靠近线圈1，依据近斥远吸，磁球受到斥力，受力方向为竖直向上。当磁球下落至B位置时，远离线圈1，线圈1给磁球施加以吸引力，受力方向为竖直向上；靠近线圈2时，线圈2给磁球施加斥力，受力方向为竖直向上。因为磁球持续受到线圈施加的向上的力，所以下落缓慢。

师：磁球在管中下落时，你看到什么现象？机械能守恒吗？能量是如何转化的？

生：看到小灯泡发光。机械能减少，重力势能转化为动能和电能。

情境7：磁可生电，机械能可转化为电能，生活中有很多这类利用能的转化的实际应用。以“隔空取电”实验为例(图7)，隔空可以使得USB灯发光，隔空可以给手机充电；再分析实验装置，用已有知识解释其原理。

图7

师：在电能接收电路中没有电源，怎么可以实现充电？

生：电能接收电路中磁通量发生变化，所以可以产生感应电流。

师：为什么电能接收线圈中会有变化的磁通量？

生：电能输入线圈接入交流电，会产生变化的磁场。

设计意图：关于楞次定律在生活中的应用，笔者设计了四个情境，层层深入，用电流表检测感应电流方向的判断是否正确；用二极管小车将电磁与运动结合在一起；揭秘魔管，首尾呼应，并进一步改良实验，让学生直观感受到能的转化；最后一个实验涉及楞次定律在生活中的应用。这样的实验串不仅有趣，还促进学生动脑思考，实验是学生深刻理解知识的有效载体，是培养高价思维的有效路径。

3 结语

楞次定律的理解和应用，是本节课的重点，也是难点，为了突出重点，突破难点，本节课的设计以实验为轴线，以学生的体验与探究为主，充分调动学生的学习积极性，培养学生的核心素养。实验教学在培养学生核心素养方面的作用是其他教学方式所不能替代的，教师应该让学生有机会真正进入物理世界，进行“沉浸式学习”，让物理课堂更有“物理味”，让物理课堂更有“教育味”。