基于“學(xué)習(xí)進階”的物理實驗教學(xué)

施堅

摘要：基于學(xué)習(xí)進階的物理實驗教學(xué)，通常需要通過創(chuàng)設(shè)一系列合理的問題情境，以實驗探究活動為核心，讓師生成為“探究的共同體”，以進階的方式促進學(xué)生突破學(xué)習(xí)重難點，建構(gòu)相關(guān)概念和規(guī)律，同時培養(yǎng)學(xué)生分析、論證和科學(xué)探究的能力?！短骄扛袘?yīng)電流的產(chǎn)生條件》一課教學(xué)，通過優(yōu)化實驗探究過程，引導(dǎo)學(xué)生推理、論證實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精練的結(jié)構(gòu)→實踐的檢驗”的學(xué)習(xí)進階。

關(guān)鍵詞：實驗探究學(xué)習(xí)進階《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》

“學(xué)習(xí)進階”，即從認(rèn)識簡單、具體的現(xiàn)象逐漸演變?yōu)槔斫鈴?fù)雜、抽象的概念或規(guī)律，呈現(xiàn)出一段時間內(nèi)學(xué)習(xí)者的思維和認(rèn)知發(fā)展進程。基于學(xué)習(xí)進階的物理實驗教學(xué)，通常需要通過創(chuàng)設(shè)一系列合理的問題情境，以實驗探究活動為核心，讓師生成為“探究的共同體”，以進階的方式促進學(xué)生突破學(xué)習(xí)重難點，建構(gòu)相關(guān)概念和規(guī)律，同時培養(yǎng)學(xué)生分析、論證和科學(xué)探究的能力。

初中階段，學(xué)生已有對感應(yīng)電流的產(chǎn)生需要“閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運動”的操作層面的認(rèn)識。如何順利過渡、提升到高中階段“閉合回路的磁通量發(fā)生變化”這一本質(zhì)的抽象層面的歸因？教學(xué)人教版高中物理選修32《探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件》一課，筆者通過優(yōu)化實驗探究過程，引導(dǎo)學(xué)生推理、論證實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精練的結(jié)構(gòu)→實踐的檢驗”的學(xué)習(xí)進階。

一、激發(fā)認(rèn)知沖突，獲得感性的表象

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，現(xiàn)象是物理規(guī)律的外在表現(xiàn)。教學(xué)中，教師可讓學(xué)生參與實驗、觀察現(xiàn)象，從基本的感官感受出發(fā)，激發(fā)認(rèn)知沖突，獲得感性的表象。

（教師出示一捆數(shù)十匝的線圈，并與一個電流表連接形成閉合回路。指名一位學(xué)生上臺，請該生握拳將手穿過線圈中心，這時指針沒有偏轉(zhuǎn)，即沒有產(chǎn)生電流;教師也握拳將手穿過線圈中心，這時指針偏轉(zhuǎn)，即有電流產(chǎn)生。）

師為什么這位同學(xué)不能使線圈產(chǎn)生電流，而老師可以呢？老師有什么特別之處呢？

（學(xué)生議論紛紛，展開思考。）

師（舒展拳頭，呈現(xiàn)掌心的一塊磁鐵）看來，線圈中產(chǎn)生的電流與磁鐵有關(guān)。那么，磁在什么條件下能夠產(chǎn)生電呢？

[教師引導(dǎo)學(xué)生回憶初中學(xué)過的知識——簡要演示初中的切割磁感線實驗（下稱“演示實驗”，如圖1），并明確部分導(dǎo)體切割磁感線可以在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。]

師不切割磁感線，能否產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？或者說感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是什么呢？

二、引導(dǎo)小組合作，凝聚抽象的模型

小組合作學(xué)習(xí)是學(xué)生在實際探索中的合作學(xué)習(xí)，往往有不拘泥于教材的方法和思想火花。教師需要積極引導(dǎo)學(xué)生圍繞共同的問題或?qū)嵺`項目合理分工，釋放主動性，提高參與度，同心同力，凝聚抽象的模型。

師本節(jié)課，我們繼續(xù)沿著科學(xué)家的足跡，通過實驗來探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件。你覺得這個探究實驗需要哪些器材？

生磁鐵、線圈、靈敏電流計、導(dǎo)線若干。

師磁鐵的主要作用是提供磁場，可以是條形磁鐵或馬蹄形磁鐵。那么，一定需要磁鐵才能產(chǎn)生磁場嗎？

生還可以是通電導(dǎo)線或者螺線管。

師通電螺線管周圍會產(chǎn)生磁場。為了增強磁性，實驗中可以在螺線管中插入一根鐵芯。改變通電電流的大小可以改變其產(chǎn)生的磁場的強弱。請各小組根據(jù)提供的實驗器材，自主設(shè)計實驗方案，合作探究。

（課前把全班分成3個大組，每個大組內(nèi)再3人組成1個小組，其中，2人配合完成實驗操作，1人負(fù)責(zé)觀察和記錄。第1大組的實驗器材如圖2所示，有大螺線管、條形磁鐵、電流計、導(dǎo)線若干;第2大組的實驗器材如圖3所示，有電源、開關(guān)、滑動變阻器、大螺線管、含有一根鐵芯的小螺線管、電流計、導(dǎo)線若干;第3大組的實驗器材如下頁圖4所示，有小線圈、兩塊平行的薄磁體、電流計、導(dǎo)線若干。實驗探究后每個大組內(nèi)集體討論總結(jié)出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。教師行間指導(dǎo)。3個大組分別派代表講述觀察到的實驗現(xiàn)象和討論出的實驗結(jié)論。）

生（第1大組）將大螺線管和電流表相連，組成閉合回路，示意圖如圖5。（小組另一個學(xué)生同步操作）（1）插入磁鐵，有感應(yīng)電流產(chǎn)生;（2）磁鐵在大螺線管中保持不動，沒有感應(yīng)電流;（3）拔出磁鐵，有感應(yīng)電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：當(dāng)磁鐵插入或抽出螺線管時，即磁鐵和螺線管之間發(fā)生相對運動時，螺線管所在的閉合電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

生（第2大組）將小螺線管、滑動變阻器和開關(guān)連接到電源上構(gòu)成一個閉合回路，大螺線管連接到電流表上也構(gòu)成一個回路，示意圖如圖6。（小組另一個學(xué)生同步操作）（1）閉合和斷開開關(guān)，有感應(yīng)電流產(chǎn)生;（2）快速移動滑動變阻器，有感應(yīng)電流產(chǎn)生;（3）插拔鐵芯，有感應(yīng)電流產(chǎn)生;（4）插拔小螺線管，有感應(yīng)電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：當(dāng)開關(guān)閉合、開關(guān)斷開或滑動變阻器的滑片移動時，即小螺線管中的電流發(fā)生變化時，大螺線管所在的閉合電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生;而當(dāng)插拔鐵芯或小螺線管時，仍是和大螺線管形成相對運動，同樣大螺線管所在的閉合電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

生（第3大組）將小線圈與電流計連接構(gòu)成一個閉合回路，放入兩塊薄磁鐵之間，示意圖如圖7。（小組另一個學(xué)生同步操作）（1）線圈在磁場中上下運動，無感應(yīng)電流產(chǎn)生;（2）線圈在磁場中左右運動，無感應(yīng)電流產(chǎn)生;（3）線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，有感應(yīng)電流產(chǎn)生;（4）線圈進出磁場，有感應(yīng)電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：進出磁場改變了線圈在磁場中的面積，而在磁場中轉(zhuǎn)動改變了線圈與磁場的角度，均可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。

3類小組合作探究實驗可以讓學(xué)生充分經(jīng)歷方案設(shè)計、實驗操作、現(xiàn)象記錄、結(jié)論總結(jié)、分享交流等過程，學(xué)生在這樣相對簡單的電路設(shè)計和操作中更能訓(xùn)練自己的動手能力和故障排除能力。比如，電路連接時某個接頭松動了，學(xué)生不能就此停止研究，而要積極尋求故障的原因;而且尋找的過程中，要有明確的分工，一個人連接電路，另外一個人負(fù)責(zé)檢查。這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)故障，提高實驗探究的效率。

三、鋪設(shè)“求簡”路徑，達(dá)成精練的結(jié)構(gòu)

物理學(xué)與其他許多自然科學(xué)相比最顯著的不同就是，追求的不是“多”而是“少”，即不是從不同的現(xiàn)象中收集一大堆“原理”和“知識點”（雖然這件事本身也很有價值，也是物理學(xué)追求真正目標(biāo)的前提），而是探尋它們背后隱藏的相同且最簡單的規(guī)律。

師上述4個實驗都能使閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，（出示表1）但是對應(yīng)方式概括起來有4種，僅比法拉第總結(jié)的5種“變化和運動”少了一種。我們能否概括出現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律，尋找“產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”的一種簡單而統(tǒng)一的描述呢？

法拉第總結(jié)的5種“變化和運動”變化的電流變化的磁場運動的電流運動的磁鐵運動的導(dǎo)體由課堂實驗總結(jié)出的4種方式演示實驗導(dǎo)體切割第1大組磁鐵和線圈（螺線管）磁感線相對運動第2大組小線圈（螺線管）內(nèi)電流變化第3大組小線圈垂直磁場的面積變化師這一章學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容是“磁生電”，我們不妨先嘗試把尋找簡單而統(tǒng)一的描述聚焦在“磁”上。首先，在第1大組的實驗中，條形磁鐵與線圈相對運動的過程中，線圈有時離磁極比較近，有時比較遠(yuǎn)，從磁的角度來看，哪個物理量發(fā)生了變化？

生線圈內(nèi)磁感應(yīng)強度B發(fā)生了變化。

（教師課件展示條形磁鐵插拔時穿過線圈的磁感線模型，如圖8。）

師在第2大組的實驗中，當(dāng)開關(guān)閉合、開關(guān)斷開或滑動變阻器的滑片移動時，小線圈中的電流發(fā)生變化，又是哪個物理量發(fā)生了變化？

生也是磁感應(yīng)強度B發(fā)生了變化。

（教師課件展示小線圈中的電流發(fā)生變化時穿過大線圈的磁感線模型，如圖9。）

師在第3大組的實驗中，小線圈在進出磁場（垂直或斜著）或在磁場中轉(zhuǎn)動的過程中，均可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，是哪個物理量發(fā)生了變化？

生線圈的面積其實并沒有變化，但是線圈垂直磁場的面積在變化，即有效面積在變化。

（教師同步Flash動畫演示。）

師（出示圖10）為了研究方便，演示實驗可以畫成如圖所示的示意圖，導(dǎo)體棒在勻強磁場中切割磁感線時，哪個物理量發(fā)生了變化？

生當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線時，閉合回路在磁場中的有效面積發(fā)生了變化;而導(dǎo)體棒平行磁感線方向移動時，有效面積變化量始終為零。

師通過上述4個實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)強度B和有效面積S只要有一個變化，閉合回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。那么，如果B變化，S也變化，會不會產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

生會。

生不會。

師究竟會不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們還是通過實驗來探究。我們可以在平板電腦上模擬出一個圓柱形磁鐵磁感線的分布情況（出示圖11），然后根據(jù)磁感線的分布利用車床車出一個喇叭口木模型，并在其上放置一個圓柱形磁鐵，接著將靈敏電流計和兩根長導(dǎo)線組成一個閉合回路（出示實物并完成操作，如圖12所示）。若一個線圈從圖中的位置1平移到位置2，我們可以看到：距離磁鐵越遠(yuǎn)，磁場越弱，而面積越大;距離磁鐵越近，磁場越強，而面積越小。那么，線圈中會不會產(chǎn)生電流呢？（演示實驗）線圈套入的過程中，電流計指針偏轉(zhuǎn)了，說明電路是通的，這一過程類似于線圈和磁鐵的相對運動。

（教師繼續(xù)演示實驗：把套在喇叭口木模型上的線圈用手扣緊盡量成閉合圓形，并逐漸從位置1開始平移至位置2，讓學(xué)生觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況。）

生電流計指針沒有偏轉(zhuǎn)！

師這一現(xiàn)象說明——

生這個過程中，并沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

師上述過程中，B變化了，S也變化了，并沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流。這說明感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件不應(yīng)該把B與S割裂開來，而必須將B與S看成一個整體。那么，我們曾經(jīng)學(xué)過的哪個物理量既與B有關(guān)又與S有關(guān)呢？

生磁通量Φ。

（教師PPT展示引導(dǎo)學(xué)生回憶：磁通量Φ=BS，成立條件B⊥S，而且磁通量可通過穿過線圈的磁感線條數(shù)來理解。）

師剛才的實驗，將線圈從位置1平移到位置2的過程中，穿過線圈的磁感線條數(shù)有沒有變化？磁通量有沒有變化？能得出什么結(jié)論？

生沒有變化。

生當(dāng)磁通量不變的時候，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

師所以，我們得到了“產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”的第5種表述方式——穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。

（教師引導(dǎo)學(xué)生運用第5種表述解釋前4個實驗，即第1、2大組均是S不變、B變化，導(dǎo)致磁通量變化;第3大組和演示實驗均是B不變、S變化，導(dǎo)致磁通量變化。）

師至此，我們得到了“感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的簡單而統(tǒng)一的表述：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

從法拉第的5種“變化和運動”的表述，到由4個實驗得到的4種 “類變化和運動”的表述，學(xué)生已目睹和概括了10余種簡單而具體的實驗現(xiàn)象，所以發(fā)現(xiàn)和歸納探究過程背后更為本質(zhì)的規(guī)律成為思維和認(rèn)知進階的關(guān)鍵。而后續(xù)的實驗和教學(xué)引導(dǎo)都在鋪設(shè)“求簡”路徑，顯化本質(zhì)的規(guī)律，助力學(xué)生搭建精練的知識結(jié)構(gòu)。

四、解決實際問題，接受實踐的檢驗

教師在教學(xué)中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到：生產(chǎn)生活中的高新技術(shù)、高科技產(chǎn)品都源自基本自然科學(xué)原理的發(fā)展，是在“傳承”基礎(chǔ)上的“發(fā)展”。因此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用學(xué)過的物理知識和規(guī)律去解決生活中的實際問題，接受實踐的檢驗。這也是一種對“物理源于生活，服務(wù)于生活”課程理念的滲透。

（一）“手插發(fā)電”實驗原理解釋

師運用剛才總結(jié)的條件，請同學(xué)們來解釋一下：本課一開始的實驗中，為什么老師可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，而那位同學(xué)不可以？

生老師手里的磁鐵通過線圈的時候，線圈里面的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應(yīng)電流。

（二）“搖繩發(fā)電”實驗檢測地磁場的存在

師利用本節(jié)課所學(xué)的知識能否設(shè)計一個簡單的實驗方案，來檢測一下地磁場的存在？

生用長導(dǎo)線和電流表連成閉合回路，然后想辦法讓閉合回路中的地磁場磁通量發(fā)生變化。

生可將導(dǎo)線綁在一根長繩上，然后搖動長繩。

師（出示圖13）這個場景能否在本節(jié)課中找到模型？

生和閉合電路中的部分導(dǎo)體在磁場中切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流相類似。

師搖繩時，東西方向站立和南北方向站立哪個發(fā)電效果更好些？

生地磁場是南北方向的，應(yīng)該東西方向站立。

（教師提供長導(dǎo)線，綁在長繩上，與電流傳感器組成閉合回路，請兩名學(xué)生東西向站立在教室外走廊里搖繩，得到如圖14所示的It圖像。）

學(xué)生通過對這兩個生活問題的解決，不但能夠鞏固本節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容，還對物理模型的類比有了更為清晰的認(rèn)識。依托解決實際問題的教學(xué)實踐更能讓學(xué)生主動思考，提升他們的學(xué)習(xí)能力。

基于學(xué)習(xí)進階的物理教學(xué)，要培養(yǎng)學(xué)生成為擁有“主體性覺悟”的“探究者”，即通過探究活動的實施，讓師生成為“探究的共同體”，依托小組合作，提高學(xué)習(xí)參與度和學(xué)習(xí)效率，進而完成思維和認(rèn)知的進階。本節(jié)課通過演示實驗和探究實驗來引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生分析背后的原因，從具體到抽象，實現(xiàn)物理邏輯思維的連貫性和進階性。在學(xué)習(xí)活動中，不斷重復(fù)“描述實驗現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—解釋原因”的科學(xué)研究三環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生認(rèn)知從現(xiàn)象走向本質(zhì)。

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項課題“全面落實立德樹人的普通高中高質(zhì)量發(fā)展研究”（編號：D/2020/02/164）和中國教育科學(xué)研究院STEM教育研究中心課題“STEM實驗教學(xué)情境校本開發(fā)與課堂實施策略研究”（編號：2019STEM022）的階段性研究成果。

參考文獻：

[1] 孫春成，徐凌峰.“感應(yīng)電流產(chǎn)生條件演示儀”的制作與運用[J].物理通報，2018（2）.

[2] 周革潤.基于物理核心素養(yǎng)下的學(xué)習(xí)進階的教學(xué)設(shè)計——以“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”為例[J].物理教師，2019（5）.