物理核心素养下的DIS探究学习

一、前言

（一）物理核心素养

2017年版2020年修订版《普通高中物理课程标准》指出：“物理核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。”在高中物理教学方面，要求教师重视教学过程，在教学中提升学生的物理学科核心素养。

（二）教材分析

“感应电流的方向、右手定则”是上海科学技术出版社出版的高级中学课本高二年级第二学期第十一章《电磁感应电磁波》B节《感应电流的方向右手定则》内容，教学要求为B级。本节课研究切割的一种特例，即闭合回路中的一部分导体做切割磁感线运动时产生的感应电流的方向。

本节为第一课时。在学习本节前，学生已经掌握了感应电流产生条件是闭合回路中的磁通量发生改变，已学习过左手定则，会用左手来描述三个物理量两两垂直的关系，本节以此为基础，让学生亲历观察、记录实验现象、归纳实验结论的过程，研究物理规律。

（三）现有教学设计的困惑

右手定则是一个抽象的物理规律，传统物理课堂上，教师往往采用如图1所示的器材，通过绕制多匝导线来产生可见的感应电流，从而推导出右手定则。除却数量限制，传统实验的弊端也不容忽视，采用单匝导线做切割磁感线运动，感应电流难以观测到，而采用多匝导线绕制的线圈切割磁感线，感应电流的方向又不直观。

（四）朗威DISLab微电流传感器的实验探索

如图2所示为朗威DISLab微电流传感器，它相当于传统意义上的灵敏检流计，当微小电流从红接线柱流入传感器时，计算机显示电流为正，当微小电流从黑接线柱流入时，电流为负。本探究实验使用朗威DISLab实验软件7.1版本中的通用软件，为了能够将导线切割蹄形磁铁磁感线产生的感应电流记录下来，我们选择示波显示方式，如图3所示，在示波显示方式下，流入微电流传感器的电流随时间变化的关系被精确记录了下来，便于研究。本校物理实验室的微电流传感器足够一个班级的学生完成右手定则的探究实验。笔者尝试将微电流传感器与单匝导线连接形成闭合回路，用单匝导线切割蹄形磁铁南北极间的磁感线，学生全程自主实验，完成探究过程，最终得出右手定则。

二、基于核心素养的教学设计

（一）引入（导线切割地磁场磁感线讨论）

教师介绍微电流传感器，单匝导线两端连接微电流传感器组成闭合回路，将其静放在讲台上，学生观察微电流传感器的示数，接着，教师两只手分别握住微电流传感器的红黑接线柱橡胶处，以此为轴（东西方向），使长直导线绕轴南北向转动切割地磁场磁感线，提示学生观察传感器示数。

问题1：连接好电路后，回路静止不动，为什么没有电流？

问题2：导线绕轴转动时，微电流传感器显示出了变化的电流，从感应电流产生条件出发，如何解释这种现象？

教师总结：我们已经知道了感应电流产生条件是通过闭合回路的磁通量发生改变。我们所处教室的地磁场从南向北不变化，是回路的面积变了啊！换个角度，闭合线圈绕轴转动时，它就必须要切断穿入其面积的磁感线，线圈的一部分做切割磁感线运动，切割方向是导体切断磁感线的方向，不同于运动方向。因此，切割是磁通量变化的一种特例，两者并不矛盾。

设计目的：明确切割产生感应电流的本质是闭合回路中磁通量的变化；介绍微电流传感器及其使用方法，为之后的探究实验铺垫；明确磁场方向B、切割方向v以及感应电流方向I的判定依据。

（二）分组实验

学生四人一组，在演示实验的基础上，共同制定实验方案，确定需要测量的物理量，如何改变因变量，以及如何记录单匝导线上的感应电流方向。

1.实验前讨论

问题1：在本实验中，感应电流I的方向受哪些因素影响？

问题2：在实验中，如何改变以上影响因素？

问题3：如何通过检流计示数的正负判断流过导线的感应电流的方向？

问题4：如何将影响因素的方向和感应电流的方向记录在表格上？

设计意图：通过猜想，得出影响感应电流方向的因素以及改变这些因素的方法；通过分析，明确判断流过导线的感应电流的方向；通过讨论，得出表格的正确记录方法。本实验中，通过微电流传感器记录的电流正负得出流过导线的电流方向是难点，笔者希望通过实验前的讨论，让学生能够自主判断导线上感应电流的方向。

2.实验操作与记录

实验操作图如图4所示，微弱磁通量变化时的输出图像如图5所示。由图5可见，横轴上方的图线表示电流由红接线柱流入微电流传感器，如图中1、3、5所示，而下方的图线表示电流由黑接线柱流入，如图中2、4所示。而在相同情况下，图线的高低与切割速度有关，速度越大，感应电流越大，图线越高，如图5所示。

实验记录的原始表格如表1所示，需要记录的物理量需要学生经过小组讨论自主确定并填入表格，分组实验后，学生可以得到如表2所示的记录表格。在此基础上，教师提示学生选择观察视角从A向B，得到简化后的平面示意图，如表3所示。

设计意图：DIS分组探究感应电流的方向，通过采集、记录并分析数据，将立体图转为平面图，建立模型，亲历实验观察、分析、归纳的探究过程。

3.右手定则的得出

问题1：磁场、切割以及感应电流的方向，三者在空间上存在着怎样的关系？

问题2：这种三者两两垂直的关系之前我们是否也学过？之前我们如何表示这种两两垂直的关系？

问题3：若让磁感线垂直穿掌心，如何用手来描述三者的方向？

设计意图：通过左手定则的知识迁移，感受类比法在得出新知识点时的重要作用，通过动手操作，让学生亲身经历右手定则的得出过程。

三、对教学设计的反思

（一）DIS微电流传感器对传统器材的改进

传统实验利用多匝线圈切割蹄形磁铁南北极之间的磁感线，由于实验器材数量的限制以及实验现象不明显等原因，教师往往通过演示实验完成实验探究，难以发挥探究型实验的优势。

本教学设计利用朗威DISLab改良传统实验，用微电流传感器代替传统检流计，用单匝导线切割蹄形磁铁南北极间磁感线的方式，简单明了地记录实验过程，得出结论。

（二）教学重点

从以往的教学实践来看，本节往往由教师完成演示实验，学生通过演示实验记录数据并得出结论，接着，就是操练过程。传统教学方式注重学习结果，忽视了学生自主探究、自主实验的能力。本节课注重学习过程，全程由学生自主设计实验、完成实验、分析数据并得出“右手定则”，感受科学探究的一般方法。

（三）侧重彰显的核心素养

本实验为探究型实验，本课注重对学生科学探究素养的培养，通过提出问题，感应电流的方向，猜想感应电流I的方向与磁场B方向和切割方向v有关，利用DIS微电流传感器测量并记录数据，得出B、I、v两两垂直的关系，通过小组成员讨论，最终反思得出右手定则。

与此同时，也彰显了物理思维。在物理核心素养的视角下，科学思维的基本方法包括分析综合、推理论证等要素。在本课中，在测量的基础上，学生将立体图转为抽象图，构建了物理模型，通过左手定则知识的迁移过程，得出了右手定则。