(溫州市第五十一中學 浙江 溫州 325014)

本文就課例“渦流、電磁阻尼和電磁驅動”的兩次教學實踐，把握住對教材的深入理解，不斷反思自己的教學行為，改進教學方法，合理利用創(chuàng)新實驗，幫助學生建立“科學觀念”，形成“科學思維”，引導學生“科學探究”，培養(yǎng)學生“科學態(tài)度和責任”，充分彰顯物理學科的魅力，有利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).

1 第一次教學實踐

1.1 教學設想

以電磁爐為例引入新課，復習電磁感應相關知識，采用理論聯(lián)系實際開展啟發(fā)式教學，引導學生從知識遷移的原則思考教師提出的問題，利用演示實驗、教材插圖等多種方法，從而了解渦流的成因和應用.

1.2 教學過程

活動1 創(chuàng)設情境 引入新課

(1)演示實驗：將電磁爐的面板去掉，接通電源，將串有發(fā)光二極管的閉合線圈靠近電磁爐，看到發(fā)光二極管亮起來.

(2)問題1：為什么二極管會亮起來?(引導學生回顧產生感應電流的條件)

(3)問題2：如果將不銹鋼盤子靠近電磁爐，是不是也會產生感應電流?你怎么知道有感應電流產生?(通過盤子產生熱量的現象，知道有感應電流產生)

活動2:尋找成因 認識渦流

(1)多媒體展示：處在磁場中的盤子由無數個閉合線圈組合起來.

(2)分析：每個閉合線圈在磁場中產生感應電流方向都相同，如同水中的旋渦一樣，這種感應電流叫做渦旋電流，簡稱渦流.

(3)原理解釋：引導學生解釋生活中電磁爐對鐵鍋中食物加熱的原理.

活動3:利用插圖 了解應用

(1)利用教材插圖如圖1所示，了解真空冶煉爐的構造.

圖1 真空冶煉爐

(2)問題1：真空冶煉爐的工作原理是什么?有什么好處?

活動4:實驗演示 體會阻尼

(1)演示實驗：介紹裝置，如圖2所示，實驗時，沒有磁鐵，讓阻尼擺作自由擺動，可觀察到阻尼擺經過相當長的時間才停下來.當阻尼擺在兩磁極間前后擺動時，阻尼擺會迅速停下來.

(2)問題1： 磁鐵會不會吸引鋁擺?

(3)問題2： 鋁擺為什么會那么快停下來?

(4)知識遷移：通過回顧知識，閉合線圈在磁場中運動，產生感應電流，會使處在磁場中的這部分線圈受到安培力，安培力會阻礙線圈的相對運動.引導學生認識鋁擺上產生渦流，受到安培力，阻礙鋁擺的運動.從而定義出電磁阻尼.

圖2 實驗裝置

活動5:分組實驗 體驗阻尼 了解應用

(1)分組實驗：每兩位學生一個阻尼擺，一個磁電式儀表線圈.讓學生自己動手感受體驗電磁阻尼.

(2)問題1：我們如果換上同樣外形的塑料擺，是不是也很快停下來?(讓學生對電磁阻尼有感性認識)

(3)問題2：通過大家觀察磁電式儀表的線圈，線圈是繞在鋁框上的，那可不可以把線圈繞在更便宜、更輕的塑料框上?

(4)理論分析：由于鋁框轉動時其中有感應電流，鋁框受到安培力，由于電磁阻尼，使鋁框很快穩(wěn)定下來，從而帶動指針穩(wěn)定在某讀數.但是塑料框不能產生感應電流，沒有電磁阻尼，無法迅速穩(wěn)定.

活動6:實驗體會 電磁驅動

(1)問題1：利用剛才的鋁擺，我們能不能不接觸鋁擺，通過磁鐵讓它擺動?

(2)演示實驗如圖3所示，轉動磁鐵，觀察鋁框的運動，怎么解釋鋁框的運動?

圖3 演示實驗

(3)引導學生分析，這種現象類似于電磁阻尼的原理，安培力阻礙相對運動，但是此時安培力驅動鋁框隨磁鐵一起運動.從而了解電磁驅動現象.

(4)簡單介紹：交流感應電動機利用電磁驅動的作用原理.

活動7:找鑰匙游戲

(1)找鑰匙游戲，請一位學生將金屬鑰匙隨意放身上，老師手拿金屬探測儀，可以迅速找到鑰匙的位置.

(2)原因分析：探測儀中發(fā)出變化的磁場，會使探測的金屬中感應出渦流，渦流的磁場反過來影響探測儀，從而找出金屬鑰匙的位置.

1.3 教學反思

本次教學實踐采用電磁爐引入新課，看似非常簡單，卻貼近生活，能夠激發(fā)學生學習興趣，但是電磁爐的構造包括工作原理相對比較復雜，不利于學生的認知過程.筆者甚至發(fā)現有教師采用鋁板在電磁爐上加熱的實驗，由于鋁的磁導率很小，事實上鋁制品在電磁爐上無法正常加熱.所以應該引入更簡短，并能激發(fā)學生興趣的實驗.在渦流成因上，本次教學實踐采用多媒體展示將鐵盤分成無數個閉合線圈，體現了感應電流成因的知識遷移，但是全程學生參與度和思考度不夠，而且教材是以塊狀物體體現的渦流為例.同時在本次實踐中，學生缺乏體驗、探究對影響渦流大小因素的認知過程,以及在真空冶煉爐和電磁爐中為什么采用高頻交流電源也沒有體現.而且在大量解釋渦流的應用中，缺乏真實的實驗或視頻，甚至沒有涉及渦流危害性的防止，物理研究的科學性、全面性不夠.在電磁阻尼和電磁驅動現象中利用傳統(tǒng)的電磁阻尼教學裝置，能比較好地說明電磁阻尼，但是利用此裝置做電磁驅動實驗效果并不好，而且學生觀察效果也不好.在學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)中,該課例只達到了科學思維的基本要求,沒有建立科學觀念，沒有體現科學探究,更沒有讓學生的科學態(tài)度和責任得到提升.

2 第二次教學實踐

2.1 教學過程

活動1:影片片段 激發(fā)懸疑

(1)視頻播放:學生觀看地雷戰(zhàn)影片片段如圖4所示.

圖4 探雷器

(2)問題：片段中日本工兵的探雷器是利用什么原理探出地雷?我們又是用什么辦法讓他們探不出來，還把敵人炸死.

設計意圖：通過簡短的影視片段，激發(fā)學生愛國情緒，并激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任，引入本節(jié)學習的課題.

活動2:對比試驗 體會區(qū)別

(1)通過自制演示裝置如圖5所示，讓學生觀察在兩個相同線圈中通入相同的交變電流，線圈內放兩支完全相同的試管，試管內放入等量的水，其中有一支試管中放入小鐵柱，通過攝像頭展示在大屏幕上，如圖6所示，放有小鐵柱的試管內的水很快會沸騰.

圖5 自制演示裝置

圖6 屏幕上顯示演示實驗

(2)問題：線圈對試管中的水加熱效果應該是一樣的，那使試管中的水沸騰的熱量主要從哪里來?(看出區(qū)別，熱量不僅來自線圈的熱傳遞，學生會聯(lián)想到感應電流)

設計意圖：通過對比實驗，讓學生能知道熱量應該來自小鐵柱，讓學生意識到金屬塊狀物體上產生感應電流，培養(yǎng)學生科學推理和能量觀念.

活動3:分析成因 引入概念

(1)教師在黑板上畫出小鐵柱模型.

(2)問題1：要產生感應電流，必須要閉合回路，在這個小鐵柱的橫截面上，有沒有一圈一圈的閉合回路?(引導學生思考并在橫截面上找出閉合回路)

(3)問題2：線圈中通入交變電流，產生變化磁場.小鐵柱放入變化磁場，每個閉合回路中磁通量都有變化，小鐵柱橫截面上的感應電流畫出來像什么形狀?

設計意圖：本環(huán)節(jié)是這堂課的重點，采用漸進式的問題引導和思考，通過知識遷移的方法，減小思維難度，培養(yǎng)學生模型建構的能力，認識渦流的科學本質.

活動4:猜想因素 實驗驗證

(1)引導學生猜想渦流大小和什么因素有關，如圖7所示，通過利用變頻電源實驗驗證學生的猜想.

圖7 變頻電源

(2)問題1：那怎樣能讓小鐵柱中的渦流更大?

(3)學生猜測的可能因素：改變導體大小;換用電阻率比較小的材料;改變通入線圈中交流電的頻率;改變線圈的匝數等.

(4)引導學生理論解釋這些因素影響渦流大小的原因.并通過變頻電源將50 Hz的交變電流轉換成頻率為200 Hz的交變電流輸入線圈，實驗驗證改變通入線圈中交流電的頻率對渦流大小的影響.

設計意圖：本環(huán)節(jié)是這堂課的難點和創(chuàng)新之處，培養(yǎng)學生科學探究和科學論證的能力，通過創(chuàng)新使用變頻電源實驗能讓學生直觀了解改變交變電流頻率對渦流的影響，并且為下面電磁爐和真空冶煉爐的原理解釋做好了鋪墊.

活動5:了解渦流熱效應的應用

(1)渦流可以產生熱量，日常生活中有什么東西是利用渦流來加熱的?(電磁爐以及內部線圈展示,如圖8所示)

圖8 電磁爐內線圈

(2)引導學生分析電磁爐是如何加熱食物的原理，并提問如果要使食物更快得燒熟，通入線圈的電流頻率是高一些還是低一些?(了解電磁爐快速加熱食物，需要交變電流頻率升高)

(3)問題：真空冶煉爐的工作原理是什么?有什么好處?為什么采用高頻電源?

(4)視頻展示渦流加熱過程.

活動6:了解探測器 解釋影片懸疑

(1)老師手拿金屬探測器，和學生做找鑰匙游戲，并引導學生思考為什么有金屬它會響起來?(并做原因分析)

(2)問題1：那我們回到剛才上課前的影片片段中的問題，日本工兵的探雷器是用什么原理探出地雷的?

(3)問題2：如果我們做為抗日戰(zhàn)士的話，可以利用什么辦法讓它探不出來，還把敵人炸死.(學生討論)

設計意圖：引導學生運用所學的知識去分析解釋大量生活生產中的電磁感應現象，以及列舉如電磁爐、金屬冶煉爐、金屬探測器等與現代科技聯(lián)系很密切的內容來激發(fā)學生的興趣和好奇心.充分彰顯物理學科的魅力，通過解釋影片懸疑，互相呼應，學以致用，培養(yǎng)學生的科學思維和科學態(tài)度與責任的素養(yǎng).

活動7:全面認識 防止渦流

(1)問題1：變壓器的線圈繞在鐵芯上，主要是為了增大磁感應強度，硅鋼片變壓器鐵芯如圖9所示.但是線圈通入交變電流，鐵芯會產生渦流，鐵芯會發(fā)熱，浪費能量，還有可能損壞電器，怎么減小渦流?(學生討論)

圖9 硅鋼片變壓器鐵芯

(2)問題2：我們常用的變壓器頻率為50 Hz，是不變的.所以我們主要是增大鐵芯電阻，那怎么做可以增大鐵芯電阻?

(3)問題3：鐵芯的材料常用硅鋼，它的電阻率比較大.為了增大鐵芯電阻，我們還可以怎么做呢?

設計意圖：通過對變壓器鐵芯構成的討論和分析，設計問題串，加深對渦流影響因素的了解，而且知道渦流不僅可以應用有時也需防止，培養(yǎng)學生科學推理和用辯證唯物主義的觀點認識問題的科學素養(yǎng).

活動8:實驗探究 體會阻尼

(1)自制簡易鋁盤，演示電磁阻尼實驗，如圖10所示.

圖10 電磁阻尼實驗

(2)問題1：拿著磁鐵靠近它，不接觸，鋁盤很快就停下來了，你覺得現在主要是受到什么力的作用?

(3)問題2：使處在磁場中的鋁盤受到安培力.那鋁盤受到的安培力是動力還是阻力?

(4)分組實驗：每兩位學生一個阻尼擺，一個磁電式儀表線圈.讓學生自己動手體驗電磁阻尼.

(5)問題3：我們如果換上同樣外形的塑料擺，是不是也很快停下來?(讓學生對電磁阻尼有感性認識)

(6)問題4：通過大家觀察磁電式儀表的線圈，線圈是繞在鋁框上的，那可不可以把線圈繞在更便宜、更輕的塑料框上?

設計意圖：通過自制簡易鋁盤實驗和電表內部機構圖片，能讓學生更清楚直觀地觀察到電磁阻尼的現象.并且學生通過親身體驗有了更感性的認識.

活動9:電磁驅動及應用

(1)問題1：有沒有辦法使磁鐵不接觸鋁盤，而讓這個鋁盤擺動起來?

(2)問題2：鋁盤擺動受到的安培力是動力還是阻力?

(3)實驗演示教材中的實驗，電動機應用原理解釋.

設計意圖：通過自制簡易鋁盤實驗和電動機原理分析，理論解釋生活中的物品，體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念.

2.2 教學反思

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不是口號,而是要創(chuàng)設情境,通過學生參與活動，讓學生感受、體驗與內化.第二次實踐是以物理實驗為主線，以學生為中心，以培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)為目標.利用物理實驗貫穿整個教學過程，在實驗中，有高端的實驗儀器，有自制實驗儀器，也有隨手拿來的小物件，又與生活生產緊密聯(lián)系，彰顯了物理學科的魅力.教學過程中，通過視頻、實驗、探究、思考、分析，逐步培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng).