回歸身心一體：具身認(rèn)知視域下的科學(xué)探究
——以高中物理“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)為例

戴加成

認(rèn)知源于“身體”，個(gè)體的認(rèn)知發(fā)展離不開“身體”的參與。學(xué)習(xí)過程不是一種可以“離身”的精神訓(xùn)練，而是需要“身體”積極參與的，是“具身”的。“身體”是知覺的中心，在“身體”的幫助下學(xué)生能夠感知課堂上各種各樣的事物和變化，認(rèn)知是大腦、身體與環(huán)境相互作用的結(jié)果。

物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，學(xué)生可以通過科學(xué)探究形成物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、提升科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。由此可見，科學(xué)探究是培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的抓手。教學(xué)中教師如何創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)和支持學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，是課堂教學(xué)中需要關(guān)注的重點(diǎn)，具身理論為我們提供了新的視角。

下面，筆者以高中物理“法拉第電磁感應(yīng)定律”一課為例，分別從背景分析、設(shè)計(jì)思路、實(shí)施過程、評(píng)價(jià)反思等方面來探討教學(xué)過程中如何創(chuàng)設(shè)具身性的情境，進(jìn)行具身認(rèn)知視域下的科學(xué)探究，讓學(xué)生體驗(yàn)身心一體的科學(xué)探究過程。

一、背景分析及教學(xué)設(shè)計(jì)思路

1.教學(xué)內(nèi)容分析

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是高中物理人教版選擇性必修第二冊(cè)第二章第二節(jié)的內(nèi)容，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的核心內(nèi)容。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以加深對(duì)磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率等知識(shí)點(diǎn)的理解，為后續(xù)學(xué)習(xí)渦流、交流電等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

2.學(xué)情分析

根據(jù)教材內(nèi)容，在學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律之前，學(xué)生剛通過實(shí)驗(yàn)探究了感應(yīng)電流的方向和磁通量的變化之間的關(guān)系，得出了楞次定律。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)課再研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通量變化率之間的關(guān)系，從感應(yīng)電流深入到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從磁通量的變化深入到磁通量變化率，從定性探究深入到定量探究，對(duì)學(xué)生提出了更高的要求。這也是教學(xué)的難點(diǎn)，需要合理設(shè)計(jì)教學(xué)、搭建支架、分解難點(diǎn)，幫助學(xué)生理解并掌握法拉第電磁感應(yīng)定律。

3.設(shè)計(jì)思路

直接用實(shí)驗(yàn)來探究法拉第電磁感應(yīng)定律對(duì)中學(xué)生而言有一定的難度，為增強(qiáng)學(xué)生的切身體驗(yàn)和實(shí)踐感受，可以用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律，這樣更符合學(xué)生認(rèn)知水平，貼近學(xué)生最近發(fā)展區(qū)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程包括“問題、證據(jù)、解釋和交流”等科學(xué)探究的元素，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。然而，在中學(xué)階段直接通過實(shí)驗(yàn)來確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通量的變化率之間的定量關(guān)系很困難，所以在教學(xué)時(shí)可以通過變換法拉第電磁感應(yīng)定律的表達(dá)式來間接驗(yàn)證，這符合具身性原則。

二、教學(xué)實(shí)施過程

1.提出問題

師：同學(xué)們，上一節(jié)課我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)了楞次定律。實(shí)驗(yàn)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，電表的指針除了偏轉(zhuǎn)方向不同以外，偏轉(zhuǎn)角度也不一樣，這說明產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小也不一樣。那么感應(yīng)電流的大小和哪些因素有關(guān)呢？請(qǐng)大家通過實(shí)驗(yàn)來定性分析并大膽猜想它們之間可能是什么關(guān)系。

生：向線圈中插入或拔出條形磁鐵，發(fā)現(xiàn)插拔速度越快，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。插拔速度越快，磁通量變化越快，即磁通量的變化率越大，說明感應(yīng)電流大小和磁通量的變化率有關(guān)，很可能成正比。

【具身分析】本環(huán)節(jié)的教學(xué)從上一節(jié)課實(shí)驗(yàn)探究感應(yīng)電流方向和磁通量變化之間的關(guān)系，自然過渡到研究感應(yīng)電流的大小和哪些因素有關(guān)，學(xué)生能夠自然地調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)來探索新的問題。依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生憑直覺很容易說出感應(yīng)電流大小和磁通量的變化率成正比。此時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生勇于突破、大膽猜想，再引導(dǎo)學(xué)生小心求證。

2.講述結(jié)論

師：這個(gè)猜想很大膽，也很吸引人。我們進(jìn)一步分析這個(gè)電路，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，說明電路中有電源，哪部分相當(dāng)于電源呢？

生：線圈就是這個(gè)電源。

師：對(duì)！它的電動(dòng)勢(shì)是由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的，叫作感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。德國物理學(xué)家紐曼、韋伯在對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行嚴(yán)格分析后，提出“閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和穿過這一電路的磁通量變化率成正比”這一結(jié)論。因英國科學(xué)家法拉第對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象貢獻(xiàn)巨大，后人稱之為法拉第電磁感應(yīng)定律，表達(dá)式是E＝。

【具身分析】本環(huán)節(jié)教學(xué)中對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只是稍做說明，沒有深入介紹，這部分內(nèi)容可以在下一節(jié)課“動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)”中詳細(xì)解釋，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生的精力集中在探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁通量的變化率的關(guān)系上，更利于探究活動(dòng)的開展。在中學(xué)階段，通過實(shí)驗(yàn)得出法拉第電磁感應(yīng)定律很難實(shí)現(xiàn)，所以筆者沒有按照科學(xué)探究的一般流程來組織教學(xué)，而是采用教師講述的方式，結(jié)合物理學(xué)史講解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容，然后再通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律，這樣的設(shè)計(jì)更貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）方案設(shè)計(jì)

師：這個(gè)結(jié)論的得出基于當(dāng)時(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)資料，這種從有限的事實(shí)推導(dǎo)得出一般性結(jié)論的方法叫歸納推理。得出結(jié)論后，科學(xué)家們還會(huì)通過實(shí)驗(yàn)來證明或證偽，物理學(xué)就是在這個(gè)過程中不斷向前發(fā)展的。下面請(qǐng)大家嘗試著設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律，并交流、評(píng)估你們的方案。（實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖1）

（圖1）

學(xué)生方案1：每次把磁鐵從線圈中同一位置拔到同一高度，這樣每次穿過線圈的磁通量的變化量相同，拔出的速度越快，所用時(shí)間越短，磁通量的變化率越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

學(xué)生方案2：把磁鐵從不同高度靜止釋放穿過線圈，確保穿過線圈的過程中磁通量的變化量相同。忽略空氣和電磁阻力，磁鐵近似自由落體，可以計(jì)算出磁鐵經(jīng)過線圈時(shí)的速度，把這個(gè)速度看作磁鐵穿過線圈的速度，線圈寬度恒定，則穿過線圈所用時(shí)間和速度成反比。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和速度成正比，這樣就不需要直接測(cè)量時(shí)間了。

生：方案1實(shí)際操作時(shí)，拔到同一位置不好控制，時(shí)間也無法測(cè)量，所以我們建議采用方案2。

師：請(qǐng)大家看課本上《做一做》欄目提供的方案，正是大家設(shè)計(jì)的方案2。

【具身分析】課前筆者為學(xué)生準(zhǔn)備了線圈、電流表、電壓表、強(qiáng)磁鐵和米尺，提出問題后學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)方案，學(xué)生在電學(xué)實(shí)驗(yàn)氛圍濃郁的情境中時(shí)而獨(dú)立思考，時(shí)而互動(dòng)交流，有時(shí)一籌莫展，有時(shí)欣喜若狂，沉浸在身心一體的探究世界里。在米尺的幫助下學(xué)生聯(lián)想到自由落體運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)出方案2。米尺的出現(xiàn)有利于激活學(xué)生思維，使學(xué)生調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)解決問題，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

師：請(qǐng)大家按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并交流體會(huì)。

生：用電壓表讀不出磁鐵穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。

師：磁鐵穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)用電壓表確實(shí)不易讀出，我們可以用DIS 電壓傳感器來測(cè)量電壓，以時(shí)間為橫坐標(biāo)、電壓值為縱坐標(biāo)，可以描繪出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線。請(qǐng)大家再次實(shí)驗(yàn)。

【具身分析】使用DIS 電壓傳感器解決問題的新方法拓寬了學(xué)生視野，拓展了學(xué)生認(rèn)知的客觀情境。

生：為方便計(jì)算，不妨將線圈分別套在距離管口10 厘米、40 厘米和90 厘米的地方，讓磁體從管口自由釋放，利用電壓傳感器和計(jì)算機(jī)描繪出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線。（見圖2）

（圖2）

師：如何根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線，確定磁鐵分別下落10 厘米、40 厘米和90 厘米時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值呢？

生：將圖線的峰值即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值作為磁體穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)1 2 3下落高度/cm 10.0 40.0 90.0感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)/V 0.220 0.483 0.742

師：請(qǐng)大家分析表1中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行交流。

生：由自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律易得磁體分別下落10厘米、40厘米和90厘米時(shí)，對(duì)應(yīng)的速度比為1∶2∶3，測(cè)出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之比也應(yīng)該為1∶2∶3，但根據(jù)表中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)磁體穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不滿足1∶2∶3的關(guān)系。

師：我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)設(shè)不符，這是為什么呢？請(qǐng)大家對(duì)照電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線，結(jié)合磁體運(yùn)動(dòng)的過程，分析原因。

生：磁體從開始下落到穿越線圈的過程中磁通量的變化和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況如下。如圖3，從A點(diǎn)開始，線圈中開始有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，穿過線圈的磁通量從0 開始增加，磁通量的變化率越大，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大，在C點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值。接著磁通量的變化率開始減小，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也變小，但磁通量還在不斷增加。在電動(dòng)勢(shì)為0 的瞬間，磁通量最大，此時(shí)磁體恰好經(jīng)過線圈中心，對(duì)應(yīng)圖3 中的B點(diǎn)，接下來磁通量開始減小，線圈中產(chǎn)生和剛才相反的電動(dòng)勢(shì)。圖3 中的A、B、C位置對(duì)應(yīng)圖4 中的A＇、B＇、C＇的位置，電動(dòng)勢(shì)最大的位置是圖4中C＇點(diǎn)，這個(gè)位置在線圈上方某處，所以在不同次數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，它們離開管口的距離分別小于10 厘米、40厘米和90厘米。

（圖3）

師：對(duì)，磁體在穿過線圈時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不是最大值，而是0。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大的位置應(yīng)該在線圈上方某個(gè)位置，但這個(gè)位置并不容易確定?？磥韺?shí)驗(yàn)方案還需改進(jìn)，或許還需要重新制定實(shí)驗(yàn)方案。

（圖4）

【具身分析】學(xué)生一開始認(rèn)為磁體穿過線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，這是有問題的。但教師不必馬上糾正，等到收集完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)不符合預(yù)期，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而積極主動(dòng)地思考，大腦、身體和環(huán)境相互作用，深化學(xué)生對(duì)磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)物理觀念的形成。

（3）方案優(yōu)化

（圖5）

師：我們?cè)谘芯縿蜃兯僦本€運(yùn)動(dòng)的位移和速度關(guān)系時(shí)，用圖5 所示的方法來求運(yùn)動(dòng)過程中的位移，能用類似的方法來驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律嗎？剛才我們描繪的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線（見圖3）所包圍的面積表示什么呢？請(qǐng)大家分組討論并分享你的觀點(diǎn)。

生：如下頁圖6，假設(shè)從線圈中開始有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)再次為0 這一過程所用時(shí)間為t，我們可以把時(shí)間t分成若干份，每份為Δti，這段極短時(shí)間對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為Ei，磁通量的變化量為ΔΦi，若法拉第電磁感應(yīng)定律即E＝成立，則可以得到Ei·Δti＝ΔΦi。此表達(dá)式說明圖6 中曲線和兩條細(xì)線與時(shí)間軸所包圍的面積表示Δti這一極短時(shí)間內(nèi)磁通量的變化量。把0 到t這段時(shí)間內(nèi)的所有這些面積累加起來，可得圖中曲線所包圍的面積等于0 到t這段時(shí)間內(nèi)的磁通量的變化量。

（圖6）

【具身分析】利用圖片喚起舊知——計(jì)算勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移。在此情境下，學(xué)生可以積極調(diào)動(dòng)已有知識(shí)，深入思考“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)-時(shí)間”曲線所包圍的面積表示什么物理量。學(xué)生經(jīng)過互動(dòng)討論、相互啟發(fā)、不斷嘗試，切身體驗(yàn)探索過程的艱辛和取得突破的喜悅，這樣的情緒體驗(yàn)讓學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，完成知識(shí)的建構(gòu)。

（4）再次實(shí)驗(yàn)

師：從線圈上方不同高度釋放磁體，每次磁體穿過線圈的速度不同，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不同，借助傳感器描繪出的曲線也不相同，但如果法拉第電磁感應(yīng)定律成立，則不同曲線包圍的面積應(yīng)該相同，若能通過實(shí)驗(yàn)證明不同曲線包圍的面積相同，則可間接證明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小和磁通量的變化率成正比，法拉第電磁感應(yīng)定律成立。請(qǐng)大家通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

生：從線圈上方不同高度釋放磁體，借助傳感器和計(jì)算機(jī)描繪出瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的圖像。

師：實(shí)驗(yàn)軟件能直接計(jì)算出曲線所包圍的面積，以“積分值”呈現(xiàn)，如圖7。請(qǐng)大家多次實(shí)驗(yàn)并將數(shù)據(jù)記錄在下表中。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)1 2 3下落高度/cm H1 H2 H3積分值0.0195 0.0194 0.0195

（圖7）

【具身分析】使用積分的方法拓寬了學(xué)生視野，拓展了學(xué)生認(rèn)知的客觀情境。實(shí)驗(yàn)過程中，每次積分值出來前，學(xué)生都全神貫注、充滿期待。這個(gè)過程中學(xué)生的大腦、身體與情境之間緊密互動(dòng)，有利于對(duì)知識(shí)的內(nèi)化和認(rèn)知的建構(gòu)。

（5）得出結(jié)論

生：由表2 中的數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，積分值相同，不同的曲線包圍的面積相同，即磁通量的變化量相同，法拉第電磁感應(yīng)定律成立。

師：我們還忽略了一個(gè)問題，實(shí)驗(yàn)中使用的線圈不止一匝，穿過每一匝線圈的磁通量相同，磁通量的變化率也相同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這一個(gè)個(gè)線圈相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小電源，它們之間處于什么關(guān)系？

生：串聯(lián)。

師：對(duì)，所以法拉第電磁感應(yīng)定律可以表示為E＝n。

三、評(píng)價(jià)反思

1.發(fā)揮教師主導(dǎo)作用

本次教學(xué)過程以具身認(rèn)知理論為指引，將科學(xué)探究貫穿整個(gè)課堂。筆者在課前充分了解學(xué)生學(xué)情，在具身認(rèn)知視域下精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，為學(xué)生鋪設(shè)符合其認(rèn)知規(guī)律的探究路徑。當(dāng)下，由于特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，注重對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，往往又會(huì)忽視教師的主導(dǎo)作用。其實(shí)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)也好、自主探究也罷，并不意味著教師可以不聞不問。相反，在關(guān)鍵時(shí)刻教師要充分發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，在教學(xué)關(guān)鍵之處給學(xué)生以引導(dǎo)和幫助。如本節(jié)課提供的米尺、DIS 實(shí)驗(yàn)器材等都是教師在關(guān)鍵時(shí)刻給予學(xué)生學(xué)習(xí)的必要支架。

2.凸顯學(xué)生主體地位

學(xué)生是進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)的主體，本節(jié)課充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性、積極性，學(xué)生在探究過程中擁有良好的心靈感受和具身體驗(yàn)。本節(jié)課一開始就從學(xué)生已有的知識(shí)引入，這樣學(xué)生可以迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，在設(shè)計(jì)方案時(shí)小組內(nèi)積極互動(dòng)，充分表達(dá)各自的觀點(diǎn)；學(xué)生利用教師提供的儀器，調(diào)動(dòng)已有知識(shí)，積極主動(dòng)地嘗試各種實(shí)驗(yàn)操作，構(gòu)成了一個(gè)由“大腦—身體—環(huán)境”組成的耦合系統(tǒng)；在探究過程中不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生經(jīng)歷了第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)期不一致的失望，也經(jīng)歷了最后三次積分值和預(yù)期完美吻合的喜悅。整個(gè)過程中學(xué)生擁有積極的情緒感受，沉浸式地體驗(yàn)了身心一體的科學(xué)探究。

3.創(chuàng)設(shè)具身性的教學(xué)情境

新的高考評(píng)價(jià)體系明確指出高考命題要以情境為載體來考查學(xué)生的核心素養(yǎng)，這為高中教學(xué)指明了方向——課堂教學(xué)要注重情境的創(chuàng)設(shè)。本節(jié)課依據(jù)具身認(rèn)知理論，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過提供實(shí)驗(yàn)器材、展示圖片、講述物理學(xué)史等方式創(chuàng)設(shè)情境，在教學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮身體在認(rèn)知過程中的作用，有利于學(xué)生在原有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過身體和環(huán)境之間的交互產(chǎn)生感知與經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生主動(dòng)獲得、理解、掌握并應(yīng)用知識(shí)。在具身性的情境下進(jìn)行科學(xué)探究能夠“點(diǎn)燃”學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇之心，對(duì)于學(xué)生形成物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、提升科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有著積極的影響，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)落地轉(zhuǎn)化的有效途徑。但在具體實(shí)踐中并非所有教學(xué)內(nèi)容都符合具身性設(shè)計(jì)的要求，教師在具體實(shí)施的過程中要加以篩選和甄別。