“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”案例教學(xué)有效性探討

呂婧 陳剛

摘? ?要：學(xué)習(xí)者習(xí)得物理概念和規(guī)律的信息加工機制，可為有效教學(xué)提供穩(wěn)定一致的評價標(biāo)準(zhǔn)。以“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”教學(xué)為例，分析教學(xué)中需要獲得的各個結(jié)論及每個結(jié)論獲得的學(xué)習(xí)機制、必要信息的呈現(xiàn)方式，以此為依據(jù)評析案例教學(xué)的有效性，并進(jìn)一步提供合理的建議。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電流；產(chǎn)生條件；學(xué)習(xí)心理學(xué)；加工機制

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）4-0069-6

1? ? 問題的提出

感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是高中物理電磁感應(yīng)教學(xué)的重難點之一。鑒于學(xué)生在初中對于電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)并不深入，可能存在錯誤認(rèn)知：只有切割磁感線才能產(chǎn)生感應(yīng)電流；切割磁感線一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流［1］，不同版本的《物理》教材嘗試通過多個實驗引導(dǎo)學(xué)生修正錯誤認(rèn)知、發(fā)現(xiàn)本質(zhì)原因。以2019年版人教版教材為例，它根據(jù)導(dǎo)體棒和通電螺線管兩個實驗的現(xiàn)象（圖1），直接概括出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是磁通量發(fā)生變化。倘若教師理所當(dāng)然地“教教材”，那么由表面現(xiàn)象直接躍遷到磁通量的要求可能超出學(xué)生的認(rèn)知能力，并且按照兩個實驗的邏輯難以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f明感應(yīng)電流的產(chǎn)生必須是與磁通量變化有關(guān)，而與閉合導(dǎo)體回路面積變化或磁感應(yīng)強度變化等沒有必然聯(lián)系。一些教師意識到問題，創(chuàng)造性地改進(jìn)實驗，期望通過實驗探究展開教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。那么，究竟這些教學(xué)改進(jìn)是否有效呢？有效性的依據(jù)是什么呢？其次，這些教學(xué)方案是否還有改進(jìn)的空間呢？若有，該如何改進(jìn)呢？基于以上問題，筆者認(rèn)真觀看了一些全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽的錄像，選取其中一個教學(xué)錄像，從學(xué)習(xí)心理學(xué)視角分析其在獲得感應(yīng)電流產(chǎn)生條件過程中的教學(xué)有效性，并提出改進(jìn)建議。

2? ? 基于學(xué)習(xí)心理學(xué)的習(xí)得機制與教學(xué)要求

2.1? ? 物理概念和規(guī)律建立與排除因果聯(lián)系的邏輯機制

學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示學(xué)習(xí)的內(nèi)部機制，證明學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是信息加工的過程，符合學(xué)習(xí)機制的教學(xué)才是有效的教學(xué)［2］。物理概念和規(guī)律都是通過與其他物理概念間的定性、定量關(guān)系來界定的，界定方法主要包括求同求異法、求同法、差異法以及演繹法等。求同求異法考查被研究對象出現(xiàn)和不出現(xiàn)的若干場合（即正事例與負(fù)事例），若正事例組的各場合只有一個共同情況，并且它在負(fù)事例組的各場合都不存在，那么這個情況就是被研究現(xiàn)象的原因。其結(jié)構(gòu)如表1所示［3］。求同法通過多個正事例確定唯一共同情況與被研究現(xiàn)象的因果聯(lián)系，差異法則通過一組正負(fù)事例確定唯一不同情況與被研究現(xiàn)象的因果聯(lián)系。

穩(wěn)定的因果關(guān)系存在可重復(fù)性和可預(yù)見性，可歸結(jié)為：等價的原因—等價的結(jié)果。如果本質(zhì)原因存在，則結(jié)果也應(yīng)存在；如果本質(zhì)原因改變，則結(jié)果也應(yīng)變化。由此，可得到兩種排除物理量間因果聯(lián)系的演繹推理方式，如表2、表3所示。

2.2? ? 有效教學(xué)的基本要求

基于物理概念和規(guī)律的習(xí)得機制，獲得結(jié)論環(huán)節(jié)的有效教學(xué)應(yīng)符合三個要求：（1）提供給學(xué)生獲得結(jié)論所需的信息應(yīng)保持在適度范圍，減少干擾信息；（2）提供信息的方式應(yīng)滿足呈現(xiàn)一次加工所需的信息，獲得一個新結(jié)論；（3）信息呈現(xiàn)應(yīng)符合特定結(jié)論獲得的加工方式［3］。因此，筆者認(rèn)為只有厘清教學(xué)中所需要建立的各個結(jié)論、每個結(jié)論獲得的邏輯加工機制以及獲得結(jié)論應(yīng)該呈現(xiàn)的必要信息，才能有據(jù)可依地評價教學(xué)的有效性，并進(jìn)一步給出教學(xué)建議。

3? ? “探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”教學(xué)案例

課堂上四組學(xué)生分別進(jìn)行不同的實驗，實驗現(xiàn)象如表4所示。

師：實驗一說明導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流。實驗二中線圈繞平行磁場的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，是否切割磁感線？

生：否。

師：（呈現(xiàn)圖2）線圈豎直方向的兩條邊在轉(zhuǎn)動過程中切割磁感線，但回路不產(chǎn)生感應(yīng)電流。實驗四，線圈沒有切割磁感線，但回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。說明切割磁感線可能不產(chǎn)生感應(yīng)電流，而不切割磁感線可能產(chǎn)生感應(yīng)電流。因此，初中學(xué)習(xí)的“切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流”并不完全準(zhǔn)確。

師：實驗一中究竟哪個物理量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？（呈現(xiàn)圖3）

生：閉合導(dǎo)體回路的面積。

教師繼續(xù)提問實驗二中變化的物理量，呈現(xiàn)圖4所示的實驗裝置：手電筒光線模擬磁感線，可轉(zhuǎn)動的矩形金屬片模擬線圈，白屏顯示金屬片的影子，進(jìn)行實驗：當(dāng)手電筒光線與線圈軸垂直時，隨著線圈繞軸轉(zhuǎn)動，線圈影子面積變化；當(dāng)手電筒光線與線圈軸平行時，隨著線圈繞軸轉(zhuǎn)動，線圈影子面積不變。

師：手電筒實驗說明實驗二中變化的物理量是“線圈影子的面積”，在數(shù)學(xué)上將它稱為投影面積。實際上，實驗一中切割磁感線時，變化的物理量也是閉合導(dǎo)體回路在垂直磁場方向的投影面積（S⊥）。

師：（呈現(xiàn)圖5所示的條形磁鐵插拔動態(tài)圖）實驗三中條形磁鐵相對線圈運動變化的是什么物理量？

生：（比較遲疑）磁感應(yīng)強度B？

師：很好！實驗四中感應(yīng)線圈內(nèi)部哪個物理量發(fā)生了變化呢？（呈現(xiàn)圖6所示的感應(yīng)線圈內(nèi)部磁感線變化的動態(tài)圖）

生：B。

師：四個實驗說明，當(dāng)B不變，S⊥變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流；而S⊥不變，B變化，也產(chǎn)生感應(yīng)電流。那么，是否只要S⊥或B變化就能產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？如果二者同時變化呢？

教師呈現(xiàn)圖7所示的實驗裝置：銅絲制成的條形磁鐵磁感線空間分布模型，面積可變的彈簧線圈連接電流傳感器。

進(jìn)行實驗：將線圈套在條形磁鐵模型上，并緊貼著磁感線模型上下移動。

實驗現(xiàn)象：電流傳感器的示數(shù)始終保持在0附近。

師：線圈移動過程中，B變化，S⊥變化，卻不產(chǎn)生感應(yīng)電流。這說明B和S⊥都不能作為產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。能否尋找一個更合適的物理量，將B和S⊥涵蓋起來呢？

生：磁通量Φ。

師：實驗五中當(dāng)線圈順著銅絲移動時，線圈內(nèi)部的銅絲條數(shù)不變，其實是什么不變呢？這個實驗說明了什么呢？

生：Φ。說明當(dāng)Φ不變，不產(chǎn)生感應(yīng)電流。

師：如果Φ變化，能否產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

板書（表5）。

師：Φ變化就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

4? ? 案例教學(xué)有效性分析

案例教學(xué)中，學(xué)生通過實驗一至實驗五的現(xiàn)象探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，由“切割磁感線”“相對運動”的淺層認(rèn)識深入到“S⊥”“B”兩個中介變量，進(jìn)而理解變化的本質(zhì)物理量為“Φ”。在此過程中，學(xué)生主要獲得六個結(jié)論：

結(jié)論1：閉合回路部分導(dǎo)體切割磁感線與產(chǎn)生感應(yīng)電流沒有必然聯(lián)系；

結(jié)論2：感應(yīng)電流的產(chǎn)生與S⊥變化有關(guān)；

結(jié)論3：感應(yīng)電流的產(chǎn)生與B變化有關(guān)；

結(jié)論4：S⊥變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流沒有必然聯(lián)系；

結(jié)論5：B變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流沒有必然聯(lián)系；

結(jié)論6：感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件是閉合導(dǎo)體回路的Φ變化。

4.1? ? 結(jié)論1建立的邏輯機制及評析

基于實驗二、實驗四的現(xiàn)象，通過演繹推理排除“切割磁感線”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”之間的因果聯(lián)系，具體過程如表6、表7所示。

評析 教師通過實驗二裝置的側(cè)視圖（圖2），直觀展示線圈各邊與磁感線的位置關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生識別“線圈繞平行于磁場方向的軸旋轉(zhuǎn)”“豎直方向的兩條邊切割磁感線”以及“無感應(yīng)電流”的必要信息，與原有認(rèn)知“切割磁感線一定能產(chǎn)生感應(yīng)電流”產(chǎn)生沖突。其后，教師指出實驗四“線圈不切割磁感線卻產(chǎn)生感應(yīng)電流”的信息，根據(jù)兩種認(rèn)知沖突引導(dǎo)學(xué)生排除切割磁感線與產(chǎn)生感應(yīng)電流的因果聯(lián)系。該結(jié)論的教學(xué)中教師的引導(dǎo)合理有效，學(xué)生識別的必要信息充分，獲得結(jié)論的過程符合演繹推理的基本機制，而且兩種演繹推理方式的結(jié)合增強了獲得結(jié)論的嚴(yán)密性與說服力。

4.2? ? 結(jié)論2建立的邏輯機制及評析

基于實驗一、實驗二的現(xiàn)象，通過求同求異法獲得結(jié)論2，具體過程如表8所示。

評析 教師巧用實驗一的俯視圖（圖3），幫助學(xué)生快速識別導(dǎo)體切割磁感線時實質(zhì)變化的是閉合導(dǎo)體回路面積，教學(xué)效果良好。而后，教師選用源于生活的實驗器材，設(shè)計了手電筒實驗，直觀地顯示出線圈影子面積的變化，引導(dǎo)學(xué)生識別出線圈旋轉(zhuǎn)時變化的物理量是S⊥。手電筒實驗使實驗二中難以發(fā)現(xiàn)的變量形象可見，大大降低了學(xué)生獲得必要信息的困難程度。同時，教師還將必要信息“發(fā)生變化的物理量”“是否產(chǎn)生感應(yīng)電流”簡潔地記錄在表格中（見表5的板書），符合求同求異法的信息呈現(xiàn)方式。

4.3? ? 結(jié)論3建立的邏輯機制及評析

基于實驗三、實驗四的現(xiàn)象，通過求同法獲得結(jié)論3，具體過程如表9所示。

評析 結(jié)合形象的動態(tài)圖，教師試圖通過提問的方式讓學(xué)生識別實驗三的必要信息“B變化”，但可能由于缺乏具體的分析引導(dǎo)，學(xué)生回答時顯得有些遲疑困惑。其后，學(xué)生順利回答出實驗四的變量，但教師并沒有進(jìn)一步追問原因，便難保他們沒有受到之前問題答案的強烈暗示。細(xì)究以上教學(xué)行為，可見學(xué)生在識別B時存在一定的不確定性，對此有必要進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)。此外，根據(jù)板書，可認(rèn)為獲得該結(jié)論的信息呈現(xiàn)方式符合求同法的要求。

4.4? ? 結(jié)論4和結(jié)論5建立的邏輯機制及評析

基于實驗五的現(xiàn)象，通過演繹推理排除“S⊥變化”“B變化”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”之間的因果聯(lián)系：

（大前提）如果S⊥變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流有必然聯(lián)系，則當(dāng)S⊥變化時，閉合回路會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（小前提）實驗五：線圈緊貼磁感線模型上下移動時，S⊥變化，但線圈回路無感應(yīng)電流。

（結(jié)論）S⊥變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流無必然聯(lián)系。

（大前提）如果B變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流有必然聯(lián)系，則當(dāng)B變化時，閉合回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（小前提）實驗五：線圈緊貼磁感線模型上下移動時，B變化，但線圈回路無感應(yīng)電流。

（結(jié)論）B變化與產(chǎn)生感應(yīng)電流無必然聯(lián)系。

評析 教師利用自制的磁感線模型進(jìn)行實驗，引導(dǎo)學(xué)生識別實驗現(xiàn)象中蘊含的“S⊥變化”“B變化”“無感應(yīng)電流”的必要信息，進(jìn)而與原有推理（結(jié)論2和結(jié)論3）產(chǎn)生矛盾，從而分別排除“S⊥變化”“B變化”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”的因果聯(lián)系。該部分教學(xué)基本遵循演繹推理的邏輯過程，獨特的實驗巧妙呈現(xiàn)“S⊥變B變Φ不變”的場景，為后續(xù)猜測Φ變化作鋪墊。

4.5? ? 結(jié)論6建立的邏輯機制及評析

基于實驗一至實驗五的現(xiàn)象，通過求同求異法獲得結(jié)論6，具體過程如表10所示。

評析 根據(jù)“S⊥變化”“B變化”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”之間的聯(lián)系，教師引導(dǎo)學(xué)生猜測產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件可能是Φ發(fā)生變化。之后要求學(xué)生重新回顧實驗一至實驗五的現(xiàn)象，識別每次實驗Φ是否變化，并引導(dǎo)學(xué)生將感應(yīng)電流情況、Φ情況列在同一表格中。該部分教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生識別的必要信息明確且準(zhǔn)確，而且必要信息的呈現(xiàn)方式符合求同求異法的結(jié)構(gòu)，能夠有效促使學(xué)生進(jìn)行信息加工、獲得結(jié)論。

5? ? 改進(jìn)建議

5.1? ? 增加排除因果聯(lián)系的結(jié)論

案例中教師引導(dǎo)學(xué)生分析紛繁的實驗現(xiàn)象，由淺及深，由表及里，逐步得到產(chǎn)生感應(yīng)電流的充要條件。其中，從“切割磁感線”到“S⊥”的過渡、從“S⊥”和“B”到“Φ”的深入，別出心裁、行之有效，但從“相對運動”到“B”的過渡卻略顯生硬，沒有指明“相對運動”不能作為感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件及其原因。因此，筆者認(rèn)為可以增加“排除相對運動與產(chǎn)生感應(yīng)電流的因果聯(lián)系”的環(huán)節(jié)，使學(xué)生認(rèn)識到用“相對運動”描述感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的局限性，進(jìn)而思考產(chǎn)生感應(yīng)電流的本質(zhì)條件。例如，可以利用實驗四的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生按照演繹推理的邏輯機制排除二者的因果聯(lián)系，具體如下：

（大前提）如果“相對運動”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”有因果聯(lián)系，則導(dǎo)體與磁場無相對運動時，閉合回路不產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（小前提）實驗四：左右兩側(cè)的線圈保持相對靜止，但左側(cè)線圈回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（結(jié)論）“相對運動”與“產(chǎn)生感應(yīng)電流”無必然聯(lián)系。

5.2? ? 精細(xì)必要信息的呈現(xiàn)

識別獲得結(jié)論所需的必要信息是學(xué)生進(jìn)行信息加工的前提，精細(xì)化必要信息的呈現(xiàn)將大大提高教學(xué)有效性。首先，筆者認(rèn)為可以考慮在圖3標(biāo)出切割磁感線的兩條邊，在圖2標(biāo)出“S⊥”（圖8），突出必要信息以提高識別效率。其次，對于實驗三，建議在圖5圈出條形磁鐵插拔時線圈中的磁感線（圖9），引導(dǎo)學(xué)生獲得必要信息：線圈中的磁感線疏密程度變化—磁場強弱變化—B變化。對于實驗四，建議教師結(jié)合圖6，通過問題鏈輔助學(xué)生獲得一系列有效信息：移動滑片或閉合、斷開開關(guān)—右側(cè)線圈電流變化—電流產(chǎn)生的磁場的強弱變化—此磁場穿過右側(cè)線圈、也穿過左側(cè)線圈—左側(cè)線圈的B發(fā)生變化，使學(xué)生知其然更知其所以然。此外，對于實驗五，或可增加線圈移動過程的示意圖（圖10），標(biāo)出線圈的不同位置，對比突出“S⊥，B變化”與“Φ不變”的信息。

6? ? 結(jié)? 語

基于學(xué)習(xí)心理學(xué)理論，本文對案例中學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行微觀剖析，詳細(xì)闡述學(xué)生需要獲得的各個結(jié)論及其邏輯加工機制，以此為依據(jù)對教師的教學(xué)過程進(jìn)行評析并提出建議。由以上討論可見，若教師清楚學(xué)生獲得每個結(jié)論的信息加工過程，那么就可能選擇出更合理的信息和更高效的呈現(xiàn)方式，提高教學(xué)的有效性，促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知、推理等思維能力。

參考文獻(xiàn)：

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［3］陳剛.物理學(xué)習(xí)與教學(xué)論［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2019：86-87.（欄目編輯? ? 李富強）