“眼見不為實”的物理實驗教學(xué)設(shè)計
——以“互感與自感”為例

黃秋玲，劉小兵，徐燕妮

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著核心素養(yǎng)下新課程改革的不斷優(yōu)化，教育從知識本位轉(zhuǎn)為以人為本，物理學(xué)科如何適應(yīng)這一浪潮？教師該如何調(diào)整教學(xué)讓學(xué)生能夠更好地內(nèi)化物理學(xué)科知識，最終達到學(xué)科立德樹人的教育價值？本文以“互感和自感”的教學(xué)設(shè)計例談幾點思考。

1 主要教學(xué)思路

本節(jié)內(nèi)容可采用“環(huán)環(huán)相扣”式教學(xué)邏輯，將知識邏輯融于一環(huán)套一環(huán)的問題鏈，結(jié)合學(xué)生無法直接感知的“電磁現(xiàn)象”創(chuàng)造出一個“眼見不為實”的認(rèn)知沖突式實驗教學(xué)。課堂伊始，由前面所學(xué)的法拉第“磁生電”實驗裝置引出“互感”的概念，產(chǎn)生第一次“眼見不為實”的磁生電現(xiàn)象。在互感現(xiàn)象產(chǎn)生的同時，提供了自感現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性，講解完互感之后，由同一裝置引導(dǎo)學(xué)生觀察自感現(xiàn)象，再過渡到自感概念的講解。

再利用Dislab 電流傳感器檢測出自感電流的過程性，感受自感的多次激發(fā)此為第二次“眼見不為實”。改進這個裝置的電路，自制“千人震”體驗項目，讓學(xué)生多感官感受自感“眼見不為實”，最后由“千人震”項目的電路，分析自感如何對電路產(chǎn)生影響及自感電動勢方向；根據(jù)電流分析過程中發(fā)現(xiàn)的自感電動勢大小與正常電路的差別，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗探究自感系數(shù)的影響因素。最終完成由環(huán)環(huán)相扣的實驗教學(xué)過程，進一步提升學(xué)生的認(rèn)識，加深學(xué)生的知識內(nèi)化（如圖1，2 所示）。

圖1 “互感與自感”教學(xué)框架1

圖2 “互感與自感”教學(xué)框架2

2 環(huán)環(huán)相扣的過程設(shè)計

2.1 舊實驗引入，引發(fā)新知

任務(wù)設(shè)置：將課堂引入變?yōu)樘魬?zhàn)任務(wù)，即如何用法拉第電磁感應(yīng)裝置點亮皇冠燈？（如圖3，圖4 所示）

圖3 皇冠燈裝置

圖4 皇冠燈電路

現(xiàn)象：通電副線圈的皇冠燈被點亮兩次。

分析：（1）給主線圈通電時，副線圈上的皇冠燈被點亮一次是源于主線圈在副線圈中產(chǎn)生的磁場變化引發(fā)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象即互感的作用；（2）副線圈上的皇冠燈被點亮兩次，第二次是由于副線圈自身的磁場發(fā)生變化后產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象即自感的作用。

設(shè)計思路：（1）通過學(xué)生已經(jīng)建立認(rèn)知的法拉第電磁感應(yīng)裝置，引出互感現(xiàn)象，此為環(huán)環(huán)相扣“第一扣”，情景化下的教學(xué)激發(fā)學(xué)生興趣的同時，更符合物理學(xué)科邏輯[1]。其中，通過不通電的皇冠燈也能發(fā)光這一“眼見不為實”認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動學(xué)生的參與性，獲得互感的本質(zhì)概念：互感是電磁感應(yīng)的一個特例；（2）在實驗挑戰(zhàn)中，不僅有互感現(xiàn)象的產(chǎn)生還產(chǎn)生了自感現(xiàn)象，但學(xué)生無法認(rèn)識到，需要教師建立起互感與自感的聯(lián)系，此為環(huán)環(huán)相扣的“第二扣”；（3）同時，皇冠燈中使用發(fā)光二極管作為光源，可以確保在感應(yīng)電流微小的情況下，挑戰(zhàn)任務(wù)仍然能夠成功[2]。

2.2 二次“眼見不為實”，探尋本質(zhì)

實驗任務(wù)引發(fā)的現(xiàn)象：皇冠燈由亮→滅→亮→滅；即皇冠燈在實驗的時候發(fā)生了兩次燈亮的現(xiàn)象。

在此，由教師回顧實驗現(xiàn)象，提出問題：皇冠燈為什么會產(chǎn)生二次點亮的情況？引導(dǎo)學(xué)生再次將關(guān)注點轉(zhuǎn)移到電磁感應(yīng)的發(fā)生，學(xué)生將做出自己的猜想，這是對自感現(xiàn)象直觀感知。此時，用Dislab 電流傳感器實際檢測副線圈的電流激發(fā)情況，給予學(xué)生定性的認(rèn)知。

分析：（1）副線圈上的皇冠燈發(fā)生第二次燈亮是源于主線圈通電后，副線圈產(chǎn)生了互感現(xiàn)象產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，當(dāng)這個感應(yīng)電動勢消失時，在自身線圈產(chǎn)生的自感現(xiàn)象，再一次產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢使得皇冠燈被點亮；（2）由Dislab 電流傳感器實際檢測出的副線圈I-t 圖像可以看出，實際上，在無論是通電還是斷電時候，自感的激發(fā)都是不止一次的，自感的激發(fā)應(yīng)該是一個不斷激發(fā)但逐漸減小的過程。（如圖5 所示）

圖5 副線圈I-t 圖像

設(shè)計思路：（1）自感現(xiàn)象的引出與互感現(xiàn)象源于同一實驗裝置，實驗過渡自然，環(huán)環(huán)相扣；（2）由于自感現(xiàn)象只讓皇冠燈亮了一次，會讓學(xué)生潛意識里將自感現(xiàn)象歸結(jié)為與互感現(xiàn)象一樣，只發(fā)生一次，但事實并非如此。由于往后的自感激發(fā)電流過小，無法使皇冠燈被點亮，學(xué)生看不見燈亮就會認(rèn)為沒有激發(fā)，這為第二次“眼見不為實”的沖突；（3）利用Dislab 電流傳感器實際檢測，可以檢測出微電流的變化情況，發(fā)現(xiàn)副線圈上的自感有明顯的二次激發(fā)甚至是多次激發(fā)，與學(xué)生之前的類比互感產(chǎn)生認(rèn)知沖突，有效地增強了學(xué)生進行深入探究的自主性。

2.3 游戲環(huán)節(jié)，固化新知

模擬前面裝置，設(shè)計千人震游戲體驗項目，讓學(xué)生多感官體驗“自感”，同時，根據(jù)“千人震”電路（開關(guān)斷開）分析自感電動勢方向。進一步改造電路，師生互動，分析開關(guān)閉合時，自感電動勢方向如圖6 所示。

圖6 自制“千人震”

分析：（1）由于自感線圈的存在，當(dāng)電路中的開關(guān)閉合時，從正極流出的電流不會流經(jīng)電阻過大的人體，而是經(jīng)過自感線圈回到負(fù)極，所以通電時，人體沒有“觸電”的感覺（如圖7 所示）；（2）當(dāng)電路中的開關(guān)斷開時，自感線圈與人體之間導(dǎo)線相連，形成一個閉合回路，由于自感現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得自感線圈此時充當(dāng)了一個“電源”的作用，人體會有“觸電”的感覺[3]。

圖7 “千人震”電路

設(shè)計思路：（1）利用參與度高的游戲環(huán)節(jié)，提升學(xué)生對自感的直觀感受，寓教于樂的同時，考察了學(xué)生對于科學(xué)本質(zhì)的理解；（2）游戲環(huán)節(jié)伊始，不直接展示電路，在學(xué)生“觸電”之后，由斷開開關(guān)反而“通電”的現(xiàn)象啟發(fā)思考，聯(lián)系剛學(xué)習(xí)完的自感，讓學(xué)生進行電路猜想，更符合學(xué)生思維進階的過程。

3 結(jié)語

物理學(xué)科是一門邏輯性很強的學(xué)科，倘若在教學(xué)中，教師能夠更加注重環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間的邏輯性，這對于提升學(xué)生的思辨能力和創(chuàng)造性是大有裨益的。除此之外，隨著新課改的推進，倡導(dǎo)教師應(yīng)該把課堂更多地交給學(xué)生，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性將是教學(xué)最終價值所在。而互感與自感由于其本質(zhì)均為電磁感應(yīng)，更利于教師在此開展“環(huán)環(huán)相扣”的教學(xué)設(shè)計，于是筆者將本節(jié)課的內(nèi)容用同一個法拉第電磁感應(yīng)線圈串聯(lián)起來，整個過程更符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律也更有效地增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。