重视情境创设 落实学科核心素养

    余嘉懿 尹文慧 张军朋

    

    

    

    摘? ? 要：要落实学科核心素养，物理教学应该重视情境创设，应该从情境中来，到情境中去。通过以情境引问题，以问题导探究，以探究促真知，以真知解问题，形成“问题—实验—探究—迁移—应用”的教学链，将学生物理核心素养的培养植根于物理课堂。文章以“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”为例，讨论情境创设对落实物理学科核心素养的作用。

    关键词：情境创设;涡流;电磁阻尼;电磁驱动

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0077-4

    《普通高中物理课程标准（2017年版）》在教学建议中提出：“在教学设计和教学实施过程中要重视情境的创设”。所谓创设教学情境，是指教师在教学环节中组织有助于学生主动学习、科学探究的场景条件，使教学过程充满活力[1]。相较于其他的教学模式，情境教学具有一定的优越性：借助“看得见、摸得着”的生动情境可以还原知识生成的真实场景，还能通过情境教学解决真实情境中的物理问题，增强学生的实践意识和能力。

    1? ? “涡流、电磁阻尼和电磁驱动”内容分析及教学设计思路

    教材围绕涡流、电磁阻尼和电磁驱动三个核心概念展开描述，逻辑顺序是首先介绍涡流，接着通过思考与讨论展开对电磁阻尼和电磁驱动现象及其应用的学习，如图1所示。教材注重科学概念的形成过程，先从简单的模型和实验观察出发，经过分析概括后，完成对科学概念的建构。本节课对涡流两种效应的认知是基于对涡流的本质以及形成机理的充分认识之上形成的，因此，课堂教学的重点应该是对涡流概念及成因的充分认识，涡流概念的建构过程。教学难点是理解电磁阻尼和电磁驱动现象的产生过程，并能够进行实例分析。教材介绍了电磁阻尼和电磁驱动的部分应用，突出了技术的应用，但是缺少用于课堂直观演示的实验，不利于学生知识的有效迁移。

    基于以上分析，笔者以“小熊荡秋千”实验为线索展开教学，教学流程如图2所示。通过多元情境的创设，层层递进地引导学生建构核心概念，意在指引学生强化运动与相互作用观念;基于科学探究引导学生挖掘出三个概念间内在的联系，提升学生的科学思维和科学探究能力;引导学生用所学物理知识解决实际问题，培育学生的科学态度与责任。

    2? ? 联系生活实际，创设引导性问题情境

    根据皮亚杰的认知发展理论，中学生的认知发展水平处于从具体运算向形式运算的过渡阶段，对于未接触过的陌生概念需要一定的感性认识来支撑。而创设情境目的在于帮助学生形成感性的认识，为知识的意义建构做好充分准备。因此，在创设导入情境时可借助演示实验为学生展示贴近生活的有趣现象，激发学生的学习兴趣，同时也要能引发学生的思考。

    如图3所示，将小熊悬挂起来，磁铁放置在小熊的下方，与小熊不接触，移动磁铁，让学生观察小熊的运动情况。引导学生观察小熊底部藏有金属线圈，让他们猜想这个金属线圈是哪种金

    属？大多数学生猜想是铁。接着展示磁铁不能吸引这个金属线圈，从而说明小熊底部所藏的不是铁质线圈，而是铝质线圈。进而提问：磁铁不会吸引铝，为什么小熊会荡秋千？让学生带着这一问题进入本节课的学习。

    3? ? 扩展物理实验，创设概念形成情境

    物理实验是物理学的重要组成部分，它既是物理学习的重要基础，又是物理学习的重要内容、方法和手段。通过借助物理现象体现物理规律，在现象和理论之间搭建桥梁，帮助学生建立、理解概念和规律。因此，通过实验创设概念形成情境，让学生产生感性认识之后，再借助特定的物理实验情境对学生加以引导，让学生经历思维的探究过程，完成概念的建构。通过上文中的“小熊荡秋千”实验，学生已经初步认识到磁铁可以带动铝质线圈运动，可以在这个实验的基础上继续扩展实验，指引学生完成涡流概念的建构。

    铝质线圈的运动状态发生了改变，必然会受到力的作用，是什么力的作用呢？引导学生对实验原理进行分析，如图4所示。当磁场相对线圈向右运动时，穿过线圈的磁通量减少，根据楞次定律可以判断出线圈中产生顺时针方向的感应电流。感应电流处于磁场中会受到安培力的作用，根据左手定则判断出安培力方向向右，安培力的作用效果就是驱动导体跟着磁场运动。同理可知，当磁场相对线圈向左运动时，线圈所受安培力向左。所以移动磁铁时，能观察到铝质线圈和小熊运动起来。

    提出系列问题：如果将铝质线圈换成中间挖了一个洞的铝板a，移动磁铁能否观察到铝板和小熊一起运动？如果把洞挖小点，换成铝板b能否观察到铝板和小熊一起运动？洞再小一点换成铝板c呢？教师依次换成铝板a、b、c进行实验（如图5），学生观察到铝板a、b、c均能运动起来。结合上文的分析，学生不难理解：磁铁运动时，在铝板a、b、c内部产生感应电流，在安培力的作用下使铝板运动起来。

    继续提出问题：如果换成不挖空的铝板d，移动磁铁，能否观察到铝板和小熊一起运动？让学生进行猜想，大多数学生不敢确定。关键在于学生不能确定块状导体内部是否存在闭合回路。

    接下来教师进行实验，让学生观察实验现象。学生会观察到移动磁铁，仍然能使小熊荡秋千，

    即移动磁铁仍然能带动铝板运动起来。说明在铝板内形成了闭合回路，看上去铝板内的闭合回路“消失”，实际上铝板内部自成闭合回路。进而得出结论：块状导体内部必定自成闭合回路，当变化的磁场穿过块状导体时，导体内就会产生感应电流，形状类似水的漩涡，这种电流叫涡电流，简称为涡流，如图6所示。

    磁场相对块状导体运动时，块状导体内部产生涡流，受到的安培力的合力也會使导体运动起来。对以上几个实验进行概括：磁场相对导体运动时，安培力使导体运动起来，这种现象叫作电磁驱动。线圈、线框、块状导体等均适用，由此帮助学生建构丰满的电磁驱动概念。

    介绍涡流具有热效应以及涡流的热效应在生活中有广泛的应用，可以通过多媒体等手段为学生演示电磁炉加热食物的现象。

    4? ? 引发认知冲突，创设科学探究情境

    新课标重视对学生科学探究能力的培养。学生可以在教师的引导下深入地去思考一个物理现象、物理过程，通过亲身体验和自己的思考发现物理规律。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[2]。以认知冲突为依托，能激发学生的学习兴趣和探究欲望。因此，教师可以通过制造认知冲突为学生创设科学探究情境，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。

    再次利用“小熊荡秋千”演示实验，但不同的是先让小熊（下方贴有铝板）动起来，再将磁铁放置到小熊下方，学生会观察到此时小熊的运动很快停止。上一个实验中，变化磁场驱动导体使其运动起来，而本实验中磁场却阻碍导体运动使其很快停下来，两个实验现象截然相反，从而引起学生的认知冲突。

    让学生猜想两个实验现象不同的原因，让他们对比两个实验的不同之处。学生会发现上个实验中初始状态磁场先动，而本实验中导体先动，因此学生会猜想：初始状态导体在磁场中运动时，导体可能会受到阻碍。

    学生猜想之后，利用电磁阻尼摆实验验证猜想，如图7所示。选择两个相同的铝片，首先把两个铝片放置到相同位置，同时释放，让学生观察两个铝片几乎同时停止运动（排除无关因素的干扰）。接着，在一个铝片的两侧加上磁铁，一个铝片处于空氣中做对比，再次将两个铝片放置到相同的位置同时释放，可以观察到磁场中运动的铝片先停下来，说明导体在磁场中运动时确实会受到阻碍，验证猜想正确。

    类比电磁驱动的分析过程，让学生自主分析此时是安培力阻碍导体的运动。由此得出结论：导体在磁场中运动，其所受安培力阻碍导体运动，这种现象叫作电磁阻尼。引导学生分析电磁驱动和电磁阻尼现象的共同产生原因，如图8所示。即两种现象的产生是由于磁场和导体发生了相对运动，导致变化的磁场穿过块状导体，在导体内产生涡流。而感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，从而安培力阻碍导体和磁场的相对运动;导体先动，安培力阻碍导体;磁场先动，安培力驱动导体。所以，电磁驱动和电磁阻尼现象都是涡流的机械效应的体现。

    5? ? 激活物理知识，创设迁移应用情境

    学生学习了物理知识后，还要回到生活中学会灵活应用，这样才能赋予新知识以意义。因此，教师应该创设迁移应用情境，将物理知识与身边事物相联系，帮助学生将所学知识迁移到新的情境中，培养学生解决实际问题的能力。其次，教师也应该通过一定的教学手段，比如设计实验或多媒体制作等方式简化实际问题，抓住同本节课知识有联系的主要矛盾进行研究，使得学生“跳一跳”能够“摘到果子”，收获不同于解题的真实成就感。

    电磁阻尼在制动方面有着广泛的应用。教师可以利用自制教具模拟过山车的电磁制动过程，用底部贴有金属铝片的小车模拟过山车，准备一个底部贴有强磁铁的轨道模拟过山车的制动轨道，如图9所示。将小车从轨道的顶端释放，当其经过制动区域时，会观察到明显的减速现象。让学生解释其中的原理，进而让学生明白过山车的电磁制动过程，指引学生完成知识的迁移。

    引导学生分析电磁驱动在磁性式转速表中的应用，利用自制Flash动画模拟汽车转速表的基本结构，如图10所示。其中，感应片是金属铝片，永久磁铁的转轴和发动机转轴相连。测转速时，永久磁铁会随发动机转轴旋转，进而带动感应片同方向旋转，让学生思考并解释其中的原理。指针和感应片的转轴相连，所以指针也发生偏转。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。通过让学生掌握磁性式转速表的工作原理，了解物理知识与技术进步、社会发展的关系，以此激发学生的创造力和社会责任感。

    总之，情境能够对物理教学活动产生积极的促进作用，在核心素养导向下的物理教学课堂中应广泛地应用情境教学[3]。创设多元情境，有利于学生自主完成概念和规律的构建，有利于学生展开科学探究，有利于知识的迁移深化和应用，是

    知识转化为素养的重要手段，是培养学生核心素养的重要途径。

    参考文献：

    [1]蔡剑.创设物理情境规引学习过程——初中物理概念教学之“过程性情境”创设诉求[J]. 物理教师， 2015，36（04）：38-40.

    [2]刘建浩.基于情境认知与学习理论的教学设计——圆周运动[J].物理教师，2019，40（07）：31-33.

    [3]刘银奎. 重视情境创设、培养核心素养——以“动能与动能定理”教学为例[J]. 物理教学探讨， 2019，37（06）：14-18.

    （栏目编辑? ? 李富强）