感悟物理 走進(jìn)科學(xué)

任煒東

2006年暑期的骨干教師培訓(xùn)中，北京市教育學(xué)院張維善教授的講座“物理教師的素質(zhì)”在我的心底產(chǎn)生了共鳴。他談到：“科學(xué)的本質(zhì)特征是科學(xué)知識、科學(xué)過程、科學(xué)文化的和諧統(tǒng)一，物理學(xué)科教學(xué)要以學(xué)生掌握科學(xué)的完整內(nèi)涵、全面提升學(xué)生的科學(xué)文化素質(zhì)為目的，物理教師要爭取學(xué)生全面發(fā)展與創(chuàng)造優(yōu)異成績的雙贏。”這為我指明了教學(xué)研究的方向，開啟了我的新課改之路，在眾多物理課中最難忘的是《電磁感應(yīng)現(xiàn)象》一課。

■課前慎思——叩問科學(xué)教育的目的

《電磁感應(yīng)現(xiàn)象》一課是感應(yīng)電動勢大小計算、感應(yīng)電流方向判斷、互感自感現(xiàn)象等教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)。

在初中，學(xué)生已經(jīng)了解了“電生磁，磁亦生電”，知道“閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中切割磁感線就會產(chǎn)生感應(yīng)電流”，理解了從“切割”角度分析感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，認(rèn)為“切割”就是產(chǎn)生感應(yīng)電流的普遍條件，本節(jié)課則是要通過師生共同的科學(xué)探究突破這一定式。

據(jù)此，我在科學(xué)過程與科學(xué)文化方面設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)是：學(xué)生在產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件探究、歸納與質(zhì)疑中，領(lǐng)悟由靜到動、由狀態(tài)分析到過程分析等思想方法，建立磁通量概念，認(rèn)識科學(xué)歸納對實踐活動的指導(dǎo)意義，激發(fā)分類、比較、歸納的自覺意識。教學(xué)重點是認(rèn)識產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，深入理解磁通量概念，幫助學(xué)生建立起對科學(xué)方法的感悟。解決好探究活動中學(xué)生出現(xiàn)的問題：把握不住探究問題、面對多個實驗現(xiàn)象理不出頭緒歸納不出實驗結(jié)論。

我確定的教學(xué)流程是，從歷史上對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究過程入手，了解法拉第如何找到研究的問題所在，以三個典型實驗為基礎(chǔ)，圍繞感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件這一問題展開，在實驗觀察的基礎(chǔ)上，理出頭緒、分析論證、建立概念、歸納結(jié)論。

■課中掠影——探索科學(xué)教育的規(guī)律

1.問題的提出

在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)之后，法拉第歷時10年終于發(fā)現(xiàn)“磁能生電”，為了讓學(xué)生了解法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程為什么如此艱難，我調(diào)整了教材中的第二個實驗，設(shè)計了如下教學(xué)過程。

師：電流周圍存在磁場，磁場周圍存在電流嗎？如果利用實驗驗證，需要哪些器材檢驗電流的存在？

生：要用到磁鐵、導(dǎo)線、電流表。

師操作：如圖1，先出示一根小的條形磁鐵，一個螺線管，一個電流表。將條形磁鐵插入螺線管之后，連通電流表。發(fā)現(xiàn)電流表指針不動。是什么原因呢？

生：磁鐵的磁性不強(qiáng)。

師：斷開電路，換一根磁性強(qiáng)的磁鐵，再接通電路，仍無現(xiàn)象！怎么才能產(chǎn)生感應(yīng)電流？

生：提出圖2“切割”實驗方案（初中做過）。

教師請學(xué)生上臺選擇器材演示并講解如何利用磁來生電。并提出設(shè)問：為什么“切割”就能產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象？

師揭示“由靜到動”的思想突破歷程，指出圖1實驗失敗的原因在于沒有在閉合電路的情況下改變磁體的磁性強(qiáng)弱，這跟歷史上很多科學(xué)家的思路一樣，人們無論怎么增加磁鐵的磁性、提高電流表的靈敏度，都無法產(chǎn)生電流！介紹安培“坐”失良機(jī)、科拉頓“跑”失良機(jī)的故事。

【設(shè)計意圖】多數(shù)學(xué)生經(jīng)過初中學(xué)習(xí)僅是從事實上知道磁能生電，并不理解歷史上科學(xué)家們遇到的困難在哪里。奧斯特實驗中通電導(dǎo)線是不動的，只要有電流存在，它周圍就有磁場，而電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生必須有磁通量變化或切割磁感線的過程，這正是本節(jié)課學(xué)生探究與理解的難點，即要從以往靜態(tài)的思維方式轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)的思維方式。這樣一種研究思路如果作為知識直接告知，學(xué)生將無法體會到舊有思想對人的禁錮和科學(xué)家們追求真理的艱辛，涉及科學(xué)過程與科學(xué)文化的教學(xué)目標(biāo)就無從實現(xiàn)。

2.探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

教師設(shè)問：你做的這個實驗中（如圖2），閉合電路在哪兒？該閉合電路各部分靜止時為什么沒有電流產(chǎn)生？哪部分導(dǎo)體在做切割磁感線運(yùn)動？畫出t1、t2時刻的電路結(jié)構(gòu)草圖和磁場分布情況（如圖3）。部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動是產(chǎn)生感應(yīng)電流的普遍條件嗎？即在沒有任何導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動的情況下，是否也有可能產(chǎn)生感應(yīng)電流？

【設(shè)計意圖】教師通過追問及畫圖過程，使學(xué)生明確了研究對象和建模方法，在畫圖過程中突出研究對象——閉合電路和穿過電路的磁場，教給學(xué)生在電磁感應(yīng)中狀態(tài)分析、過程分析的方法，為探究活動做好鋪墊。

受圖1實驗的啟發(fā)，學(xué)生提出實驗方案，在教師的引導(dǎo)下確定“證偽”的方案，利用圖1、圖4所示的實驗器材開展探究活動：觀察是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生；記錄如何操作能產(chǎn)生感應(yīng)電流；繪制剖面圖，明確t1、t2時刻的電路和磁場分布情況（如圖5）；得出研究結(jié)論；學(xué)生匯報演示。

在圖1實驗中，學(xué)生的常見做法有：用條形（蹄形）磁鐵插入線圈或沿與線圈平面平行的方向平移。學(xué)生對現(xiàn)象的解釋：（1）磁鐵相對線圈向下運(yùn)動的過程中，相當(dāng)于線圈那部分電路向上運(yùn)動，切割了磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此可以說切割磁感線運(yùn)動是產(chǎn)生感應(yīng)電流的普遍條件。（2）當(dāng)磁鐵產(chǎn)生的磁場與線圈截面平行，相對移動過程中線圈沒有切割磁感線，因此從另一側(cè)面說明切割磁感線運(yùn)動是產(chǎn)生感應(yīng)電流的普遍條件。

在圖4實驗中，學(xué)生的常見做法有：（1）當(dāng)線圈A、B相對靜止時，閉合或斷開電磁鐵電路開關(guān)，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，此時線圈并沒有切割磁感線運(yùn)動。（2）當(dāng)開關(guān)一直接通時，沒有感應(yīng)電流。（3）當(dāng)開關(guān)一直接通，調(diào)節(jié)滑動變阻器接入電路的阻值時，線圈B中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。（4）當(dāng)開關(guān)一直接通，插拔線圈A中的鐵芯，線圈B中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。此處我留給學(xué)生較充裕的時間，引導(dǎo)學(xué)生控制實驗條件、觀察現(xiàn)象變化，鼓勵同學(xué)間合作交流并形成思維沖突。并提出了下一個待解決的問題：如何概括圖4實驗中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件？在師生的交流與碰撞中，產(chǎn)生了兩個發(fā)現(xiàn)：一是3個實驗中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件有差異，即實驗1時磁鐵動，實驗2時導(dǎo)線動，實驗3時磁場變；二是3個實驗中穿過閉合電路的磁感線條數(shù)都變化。在兩個發(fā)現(xiàn)中副板書（由圖1-5組成）的對比作用很大，第二個發(fā)現(xiàn)使磁通量概念的建立水到渠成，實現(xiàn)了“復(fù)雜問題簡單化，簡單問題理論化、概括化”。

3.建立磁通量概念，理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件

借助副板書，通過分析、比較、歸納、概括，學(xué)生經(jīng)歷了有意義的學(xué)習(xí)過程，在得出結(jié)論的同時清晰了分析問題的步驟：確定閉合電路所圍平面畫剖面圖，確定該面積的初狀態(tài)Φ1和末狀態(tài)Φ2，確定磁通量的變化，得出結(jié)論。通過問題討論：“磁場變就會有感應(yīng)電流嗎”，有效克服把“磁場變化”當(dāng)成“磁通量變化”的錯誤認(rèn)識。并利用學(xué)生探究實驗中的兩個挫折使理論問題具體化。做法是：將圖4中的線圈A放在線圈B的一側(cè)，改變磁場，B中磁通量改變，仍能產(chǎn)生感應(yīng)電流；線圈A水平放在線圈B上方，改變磁場，發(fā)現(xiàn)沒有感應(yīng)電流，可見磁場變了，但穿過大線圈平面的磁通量始終為0，所以仍然不會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

【設(shè)計意圖】通過分析強(qiáng)化“穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化”是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，比較一系列似是而非的說法。

■課后反思——構(gòu)建師生同行的物理課堂

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中指出：高中階段是學(xué)生主體意識的成熟期，也是主體性建構(gòu)的關(guān)鍵期。高中教育應(yīng)著力完成學(xué)生主體意識的培育和主體性的建構(gòu)。高中物理課程肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重任，從科學(xué)課程出發(fā)，創(chuàng)造條件鼓勵學(xué)生開展探究活動，可以促使學(xué)生實現(xiàn)從被動接受到主動獲取知識的轉(zhuǎn)變。但要注意，學(xué)生的參與并不代表其主體性的建構(gòu)，學(xué)生動手做實驗了也不能說明其主體地位一定落實?！爸挥袑W(xué)生的思維以及與該思維相應(yīng)的行為（行動）對所研究問題具備了真正的、切實的、自始至終的參與，才是學(xué)生主體的落實?！保ɡm(xù)佩君）

依據(jù)上述要求，我的做法是：

創(chuàng)設(shè)引人入勝的情景。以情景串引發(fā)學(xué)生問題，以問題串促進(jìn)學(xué)生的實驗觀察和邏輯思維。本節(jié)課中出現(xiàn)的5個實驗，使學(xué)生經(jīng)歷了模擬歷史設(shè)疑激趣，喚起記憶明確方法，問題引思分組探究，實驗設(shè)疑加深理解等環(huán)節(jié)。學(xué)生中出現(xiàn)了較具創(chuàng)造性的實驗方法，為之后理解磁通量概念提供了鮮活的例子。

設(shè)計發(fā)人深省的問題。在向?qū)W生呈現(xiàn)一系列直觀情景時，我們的落點應(yīng)是學(xué)生有效的實驗觀察與操作，以及邏輯推理思辨過程。這就要求教師圍繞教學(xué)中的核心問題創(chuàng)設(shè)情景，從而引發(fā)學(xué)生的問題，讓學(xué)生經(jīng)歷問題的發(fā)現(xiàn)、提出，問題的分解、細(xì)化，方案的設(shè)計實施，探究條件的控制，實驗結(jié)論的理解。在教學(xué)設(shè)計中教師必須進(jìn)行問題的預(yù)設(shè)，力爭設(shè)計出一系列良性問題，促進(jìn)學(xué)生的有效思維參與。

營造有效思維的課堂。本課的一些環(huán)節(jié)體現(xiàn)了學(xué)科方法的連續(xù)性，如描述感應(yīng)電流產(chǎn)生條件時，將磁通量變化過程通過副板書具體體現(xiàn)為：t1時刻穿過面的磁通量Φ1，t2時刻穿過面的磁通量Φ2；對于t1→t2（即Δt）這個過程對應(yīng)磁通量的變化ΔΦ，這種板書設(shè)計既有利于學(xué)生體會“磁生電”這個磁通量變化過程，又有利于之后磁通量變化率的引入，既是對力學(xué)思維方法中狀態(tài)、過程分析的正遷移，又為電磁感應(yīng)的后續(xù)教學(xué)做好了鋪墊。

追求師生心靈的共鳴。在法拉第歷經(jīng)10年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程中，有三點值得師生共同學(xué)習(xí)：一是對于自然界各種現(xiàn)象普遍聯(lián)系的堅定信念；二是堅持不懈的毅力；三是規(guī)范的行為及思想的解放。在法拉第等科學(xué)家身上閃耀的科學(xué)之光，正是我們后輩應(yīng)該繼承與發(fā)揚(yáng)的，也是當(dāng)今課改賦予物理學(xué)科的重要使命。教學(xué)中，我努力將自己對物理學(xué)科的熱愛傳遞給學(xué)生，在追求師生心靈共鳴的過程中傳承科學(xué)文化。

我認(rèn)為，物理教學(xué)使學(xué)生獲得豐富的物理知識同時，應(yīng)讓學(xué)生感受物理學(xué)固有的追求真理、崇尚理性、尊重實踐的精神，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)理性、創(chuàng)新意識和實踐能力，同時，通過物理學(xué)習(xí)訓(xùn)練的一套思維方法為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)、生活奠定基礎(chǔ)?！?/p>

□編輯王宇華