楞次定律高端备课

1、 中学物理教学参考2013年第4期 邢红军邢红军 宁成宁成 胡扬洋胡扬洋 首都师范大学首都师范大学 北京北京3535中学中学 首都师范大学首都师范大学 （教授）（教授） （特级教师）（特级教师） （研究生）（研究生） 楞次定律作为高中阶段最为抽象的一个物理规楞次定律作为高中阶段最为抽象的一个物理规律，长期以来都是物理教学的一个律，长期以来都是物理教学的一个“老大难老大难”问题。问题。为解决这一难题，已经积累了可观的研究资料。但为解决这一难题，已经积累了可观的研究资料。但如何以如何以高端备课高端备课的研究观点，立足的研究观点，立足物理学科的本质物理学科的本质与与学生的学习规律学生的学习规律，系统

2、地研究楞次定律，系统地研究楞次定律教学的物教学的物理内涵理内涵并给出并给出逻辑思维脉络逻辑思维脉络的教学设计还未涌现。的教学设计还未涌现。鉴于此，本文试图就楞次定律的教学设计论述我们鉴于此，本文试图就楞次定律的教学设计论述我们的观点，诚望方家指正。的观点，诚望方家指正。 一、传统教学的困局 现行人民教育出版社的教材现行人民教育出版社的教材“楞次定律楞次定律”一节，从条形磁铁相对螺线管运动的实验出发，一节，从条形磁铁相对螺线管运动的实验出发，引导学生将引导学生将“感应电流的磁场感应电流的磁场”作为作为“中介中介”，通过填表比较，归纳出楞次定律的表述：通过填表比较，归纳出楞次定律的表述：“感感应电

3、流具有这样的方向，即感应电流的磁场总应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。” 这种传统的教学安排，涉及这种传统的教学安排，涉及原磁场方向、原磁场方向、感应电流方向、线圈绕向、感应电流的磁场方感应电流方向、线圈绕向、感应电流的磁场方向、磁场的变化方向等众多要素向、磁场的变化方向等众多要素，早已受到了，早已受到了“现象多、过程复杂，效果不够好现象多、过程复杂，效果不够好”的评价。的评价。对此，我们认为，正是本节对此，我们认为，正是本节演示实验演示实验存在的问存在的问题造成了长期以来的困境。理由如下。题造成了长期以来的困境。理由如

4、下。 1.1.学生不能够学生不能够直接直接从从“螺线管四组实验螺线管四组实验”判判断出感生电流的方向。这是因为，由断出感生电流的方向。这是因为，由“磁铁插入、磁铁插入、拔出线圈拔出线圈”和和“灵敏电流计指针摆动灵敏电流计指针摆动”两个仅有两个仅有的实验现象判断感生电流的方向，需要经过（灵的实验现象判断感生电流的方向，需要经过（灵敏电流计接线柱的电流）敏电流计接线柱的电流）“正进负出正进负出”和线圈绕和线圈绕向两个思维环节，使得向两个思维环节，使得思维链条过长思维链条过长。这有违物。这有违物理教学的理教学的简单性原则简单性原则。 2.2.实验把感生电流方向和感生电流的磁场方向实验把感生电流方向和

5、感生电流的磁场方向两个变量同时呈现两个变量同时呈现，没能使用，没能使用“分离与控制变量分离与控制变量”的科学方法，使教学陷入复杂之中。的科学方法，使教学陷入复杂之中。 3. 3.由实验不能判断出感生电流的磁场方向由实验不能判断出感生电流的磁场方向。因此，正是实验的选取不当造成了教学逻辑的繁因此，正是实验的选取不当造成了教学逻辑的繁冗。所以，这种方式必须予以改变。当然，教材冗。所以，这种方式必须予以改变。当然，教材在在“楞次定律的应用楞次定律的应用”部分呈现了如下方框图，部分呈现了如下方框图，还是为我们提供了一定的启示。（如图还是为我们提供了一定的启示。（如图1 1所示）所示） 该图虽然初步体现

6、了较为清晰的脉络，然而该图虽然初步体现了较为清晰的脉络，然而启始部分仍然显出繁复的情势。图、部分从启始部分仍然显出繁复的情势。图、部分从“磁通量磁通量”和和“电路磁场的方向电路磁场的方向”两个抽象的内两个抽象的内涵入手，涵入手，有违直观性原则有违直观性原则。因为磁场的通量和方。因为磁场的通量和方向都并不能通过该实验确定。部分是对楞次定向都并不能通过该实验确定。部分是对楞次定律名称的直接搬用，以至于整个方框图未能展示律名称的直接搬用，以至于整个方框图未能展示出楞次定律具有可操作性的具体内涵。出楞次定律具有可操作性的具体内涵。 二、彰显定律内涵的教学设计 基于以上认识，我们选用基于以上认识，我们选

7、用“楞次环楞次环”实验实验作为基本的出发点和突破口。实验装置如图作为基本的出发点和突破口。实验装置如图2 2所所示，示，A A、B B都是铝环，其中环都是铝环，其中环A A闭合，环闭合，环B B断开，断开，横梁可以绕中间的支点转动。实验时，用条形横梁可以绕中间的支点转动。实验时，用条形磁铁的一极垂直插向、拔出磁铁的一极垂直插向、拔出A A环，可观察到仪器环，可观察到仪器绕支点的转动。绕支点的转动。 该实验的优势在于：该实验的优势在于：1.1.实验装置简单、实验实验装置简单、实验现象直观，现象直观，可以可以直接判断出直接判断出感生电流的磁感生电流的磁场方向场方向。至于感生电流的方向，则可由右手螺

8、旋至于感生电流的方向，则可由右手螺旋定则判断给出定则判断给出。2.2.可以控制和分离变量。感生电可以控制和分离变量。感生电流的方向与感生电流的磁场方向就被分离了开来。流的方向与感生电流的磁场方向就被分离了开来。所以，传统教学急于寻找磁场这一所以，传统教学急于寻找磁场这一“中介中介”并选并选用繁复且不能体物理现象的用繁复且不能体物理现象的“螺线管四组实验螺线管四组实验”实验其实是舍本逐末并徒增吃力的。实验其实是舍本逐末并徒增吃力的。 基于上述理由，我们对楞次定律展开了如基于上述理由，我们对楞次定律展开了如下的教学设计，教学逻辑图如下。下的教学设计，教学逻辑图如下。 显而易见，这一教学逻辑图更加符

9、合教学的逻辑。教学显而易见，这一教学逻辑图更加符合教学的逻辑。教学过程如下。过程如下。 第一步，第一步，判断感生电流的磁场方向判断感生电流的磁场方向。实验时，当使条。实验时，当使条形磁铁的形磁铁的N N极垂直并插向极垂直并插向A A环，发现环，发现A A环向远离磁铁方向运动，环向远离磁铁方向运动，呈现一种呈现一种“拒斥拒斥”现象；再使条形磁铁的现象；再使条形磁铁的N N极垂直并离开极垂直并离开A A环环时，却发现时，却发现A A环向磁铁方向追进运动，仿佛是对磁铁的环向磁铁方向追进运动，仿佛是对磁铁的“挽挽留留”。而对。而对B B环却没有这种现象。之后，换用环却没有这种现象。之后，换用S S极并

10、多次实验极并多次实验后发现仍然呈现以上现象，后发现仍然呈现以上现象，“来拒去留来拒去留”是对其最为直观形是对其最为直观形象的描述。这种直观、简约的实验现象不仅剥离了线圈绕向象的描述。这种直观、简约的实验现象不仅剥离了线圈绕向等多重因素，而且分离了感生电流方向这一因素。等多重因素，而且分离了感生电流方向这一因素。 在实验中体验到的在实验中体验到的“拒拒”与与“留留”正是铝环中正是铝环中感生电流磁场与原磁场相互作用的宏观表现，根据感生电流磁场与原磁场相互作用的宏观表现，根据“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的基本的基本规律易判断感生电流的磁场方向。进一步可以引

11、导规律易判断感生电流的磁场方向。进一步可以引导学生从物理本质上进行归纳：当铝环中的磁通量增学生从物理本质上进行归纳：当铝环中的磁通量增加时，感生电流的磁场方向与磁场方向相反；而当加时，感生电流的磁场方向与磁场方向相反；而当铝环中的磁通量减少时，感生电流磁场方向与磁场铝环中的磁通量减少时，感生电流磁场方向与磁场方向同。因此，可以用方向同。因此，可以用“增反减同增反减同”概括。概括。 第二步，第二步，判断感生电流的方向判断感生电流的方向。已知感生。已知感生电流的磁场方向，电流的磁场方向，根据安培定则根据安培定则就很容易得出就很容易得出感生电流的方向。至此，感生电流方向的判断感生电流的方向。至此，感

12、生电流方向的判断完成，楞次定律也得以自然地被总结出来。以完成，楞次定律也得以自然地被总结出来。以上实验结果记录在如下记录表中。（如表上实验结果记录在如下记录表中。（如表1 1所所示）示）实验实验现象现象磁通量磁通量感生电流磁场方感生电流磁场方向与原磁场方向向与原磁场方向N N极极靠近靠近排斥排斥增加增加相反相反远离远离吸引吸引减少减少相同相同S S极极靠近靠近排斥排斥增加增加相反相反远离远离吸引吸引减少减少相同相同来拒去留来拒去留增反减同增反减同 最后，为了验证这一定律，可以最后，为了验证这一定律，可以将电流传感器接入不将电流传感器接入不闭合铝环，用条形磁铁重复上述实验闭合铝环，用条形磁铁重复

13、上述实验，传感器显示铝环中，传感器显示铝环中有电流产生并且与定律判断的方向一致。有电流产生并且与定律判断的方向一致。 三三 、对教学设计的、对教学设计的反思与启示反思与启示 我们认为，教学设计不是一项我们认为，教学设计不是一项实用主义实用主义导向的导向的活动，而是基于活动，而是基于物理教学理论物理教学理论的系统思考。在以的系统思考。在以理论为导引与与实践答辩实践答辩的双重作用下，教学设计活动的双重作用下，教学设计活动才能成为沟通教学理论与实践的枢纽。从上述教学才能成为沟通教学理论与实践的枢纽。从上述教学设计过程中，我们得到了如下启示。设计过程中，我们得到了如下启示。 （一）物理教学实验的选取应

14、（一）物理教学实验的选取应以简单性为原则以简单性为原则 纵观以上教学设计可见，正是选用简单、显性的纵观以上教学设计可见，正是选用简单、显性的“楞次楞次环环”实验代替了实验代替了“螺线管四组实验螺线管四组实验”才使整个教学思路豁然才使整个教学思路豁然开朗。传统教学安排的实验是显然不符合这种开朗。传统教学安排的实验是显然不符合这种“简单性简单性”要要求。实践中，虽然已经有教师开发出了体现定律力学特征的求。实践中，虽然已经有教师开发出了体现定律力学特征的实验与教具，但是仍然同物理教学的这一要求存在距离。实验与教具，但是仍然同物理教学的这一要求存在距离。4545麦克斯韦曾经说过：麦克斯韦曾经说过：“这

15、些实验的教育价值，往往与仪这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制的仪器，虽然经常出毛病，器的复杂性成反比，学生用自制的仪器，虽然经常出毛病，但他却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整但他却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整好的仪器学生易于依赖，而不敢拆成零件。好的仪器学生易于依赖，而不敢拆成零件。”这很好地说明这很好地说明了简单仪器特有的教育价值。了简单仪器特有的教育价值。 （二）分离与控制变量是（二）分离与控制变量是教学逻辑的基本要求教学逻辑的基本要求 “分离与控制变量分离与控制变量”在初高中物理教学多次出现，在初高中物理教学多次出现，甚至是出现频次最

16、高的方法，然而许多人却没有意甚至是出现频次最高的方法，然而许多人却没有意识到，教学的逻辑也需要由科学方法来表达。我们识到，教学的逻辑也需要由科学方法来表达。我们的实验及教学设计成功地剥离了多个变量的干扰，的实验及教学设计成功地剥离了多个变量的干扰，通过隐性地控制变量，不仅使教学脉络简单、层次通过隐性地控制变量，不仅使教学脉络简单、层次分明，并且体现了科学方法的效力与内涵。分明，并且体现了科学方法的效力与内涵。 事实上，我国物理教学研究的历史上也一直有着对事实上，我国物理教学研究的历史上也一直有着对“物物理教学逻辑理教学逻辑”的零星研究。如传统教材编写就提出了的零星研究。如传统教材编写就提出了“

17、逻辑逻辑轻快轻快”的原则。然而，所谓的原则。然而，所谓“教学的逻辑教学的逻辑”却并不只包含这却并不只包含这一单一化的条框，而是有着丰富的内涵可供研究。这些对教一单一化的条框，而是有着丰富的内涵可供研究。这些对教学逻辑的研究都意在使学生在教学中体验到一种微妙的逻辑学逻辑的研究都意在使学生在教学中体验到一种微妙的逻辑感，由此，感，由此，“教学的逻辑教学的逻辑”才能实现与才能实现与“思维的逻辑思维的逻辑”的互的互动。然而遗憾的是，目前对物理教学逻辑的研究还很不够，动。然而遗憾的是，目前对物理教学逻辑的研究还很不够，在在“逻辑轻快逻辑轻快”原则之后未能持续地深入下去。以上我们的原则之后未能持续地深入下

18、去。以上我们的教学设计则体现了：分离与控制变量不仅是物理学习的重要教学设计则体现了：分离与控制变量不仅是物理学习的重要科学方法，更应作为物理教学逻辑展开的一条基本要求。这科学方法，更应作为物理教学逻辑展开的一条基本要求。这是对是对“物理教学逻辑物理教学逻辑”内涵的重要发展与充实。内涵的重要发展与充实。 （三）（三）直观与抽象直观与抽象是物理教学中的一对基本矛盾是物理教学中的一对基本矛盾 物理教学既须满足直观性的教学原则，又须面对抽象而丰富物理教学既须满足直观性的教学原则，又须面对抽象而丰富的物理意义，因此，如何处理直观与抽象的关系就成了物理教学的物理意义，因此，如何处理直观与抽象的关系就成了物

19、理教学的一对基本矛盾。其中，物理教学的直观性是定律本质、认知特的一对基本矛盾。其中，物理教学的直观性是定律本质、认知特点以及物理教学基本思想的共同要求。这意味着物理教学不能泛点以及物理教学基本思想的共同要求。这意味着物理教学不能泛谈、空谈谈、空谈“直观直观”，而应明确为什么直观、如何直观。这需要对，而应明确为什么直观、如何直观。这需要对物理学概念、规律内涵的深刻把握才能揭示。物理学概念、规律内涵的深刻把握才能揭示。“楞次环楞次环”实验就实验就是在仪器简单性以及描述定律力学特征的双重思考下选用的。这是在仪器简单性以及描述定律力学特征的双重思考下选用的。这种直观性有助于学生形象思维能力的培养，关乎

20、整个物理教学的种直观性有助于学生形象思维能力的培养，关乎整个物理教学的基本思想，因为物理学的本质是现象而不是推演。基本思想，因为物理学的本质是现象而不是推演。 本节直观性与抽象性矛盾的核心是对定律中本节直观性与抽象性矛盾的核心是对定律中“阻碍阻碍”一词的诠释。传统教学设计在学生没有明一词的诠释。传统教学设计在学生没有明晰整个教学脉络且没有形成一个完整、形象的物理晰整个教学脉络且没有形成一个完整、形象的物理图景的前提下就引入了抽象内涵，或将图景的前提下就引入了抽象内涵，或将“来拒去留来拒去留”弃之不用，或将弃之不用，或将“增反减同增反减同”等同于等同于“阻碍阻碍”，或，或是对三者的名词进行简单的罗列，凡此种种，就在是对三者的名词进行简单的罗列，凡此种种，就在于没有把握住抽象与直观之间的层次关系与心理逻于没有把握住抽象与直观之间的层次关系与心理逻辑。而梳理