顯化控制變量法的探究教學(xué)設(shè)計

摘 要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和人教版高中物理教材都明確指出了科學(xué)方法的重要性。本文以“感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”為例，在教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，調(diào)整教學(xué)思路，顯化控制變量法在探究實驗中的運用和作用，讓學(xué)生明確產(chǎn)生感應(yīng)電流的根本條件，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)方法意識，提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法教育；控制變量法；探究教學(xué)設(shè)計；感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確表示高中物理課程應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實踐能力。^［1］2019年人教版高中物理教材，首次在教材欄目中設(shè)置了“科學(xué)方法”欄目，在必修第一冊的“致同學(xué)們”部分指出：科學(xué)方法是物理學(xué)中常用和重要的科學(xué)思想、方法，并提醒師生更多的科學(xué)思想及方法在相應(yīng)的正文和旁批中體現(xiàn)。^［2］科學(xué)方法教育日益受到重視，研究者早期提出的“顯化教材中的科學(xué)方法”的建議在新版人教版教材中已初步體現(xiàn)。

由于科學(xué)方法往往與學(xué)習(xí)內(nèi)容緊密聯(lián)系在一起，很多物理科學(xué)方法還是以內(nèi)隱的方式存在于教材中。為了進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)方法教育，教師需要仔細(xì)研讀教材，從中挖掘出相應(yīng)的科學(xué)方法，并在教學(xué)設(shè)計中顯化出來，以便清晰地將其引入學(xué)生的意識中。基于以上思考，本文以“感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”為例，嘗試在教學(xué)設(shè)計中明確展示高中階段非常重要的一種物理科學(xué)方法——控制變量法，旨在幫助學(xué)生牢固掌握并熟練運用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究。

2 教材與學(xué)情分析

“感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”是2019年人教版物理必修第三冊第十三章第3節(jié)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用”的內(nèi)容，是電磁學(xué)的核心內(nèi)容之一，在整個高中物理中占有相當(dāng)重要的地位。在內(nèi)容的編排上，本節(jié)首先回顧學(xué)生初中所學(xué)內(nèi)容“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線的運動時，導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流”，并提出問題“切割磁感線是產(chǎn)生感應(yīng)電流的唯一方法嗎？”引導(dǎo)學(xué)生深入觀察和思考實驗現(xiàn)象，從而發(fā)現(xiàn)磁通量的變化可能也是感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件。^［3］

緊接著，教材引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實驗，在不切割磁感線的同時改變線圈的磁通量，發(fā)現(xiàn)也可以產(chǎn)生感應(yīng)電流，故根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)出結(jié)論：當(dāng)穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時，閉合導(dǎo)體回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流。^［4］

通過以上分析，我們可看出教材的編排邏輯是：首先引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能影響實驗現(xiàn)象的變量，然后通過實驗探究進(jìn)行驗證，最后分析歸納、得到結(jié)論。學(xué)生在初中已經(jīng)知道閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運動會產(chǎn)生感應(yīng)電流，且對“切割”印象深刻。按照教材思路，經(jīng)過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生最終會明確磁通量變化是感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件。但學(xué)生還有疑惑沒有解決，例如，若切割磁感線時，磁通量不變，那么可以產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎？對此，教材并沒有進(jìn)行詳細(xì)探討。

3 顯化控制變量法的教學(xué)設(shè)計思路

在物理學(xué)中，我們處理多變量問題時，常常采用控制變量法，把多變量問題分解成多個單變量的問題。每一次只改變其中的一個變量，控制其余幾個變量不變，從而研究被改變的變量對事物的影響，最后綜合解決問題。教材的編排明顯體現(xiàn)了“實驗歸納法”這一物理科學(xué)方法，但控制變量法還隱含在探究實驗之中，并沒有顯化出來?；趯W(xué)生的疑惑和顯化出控制變量法的目標(biāo)，教師可在教學(xué)設(shè)計中補(bǔ)充一個實驗：讓線圈切割磁感線，保持線圈磁通量不變，觀察實驗現(xiàn)象。通過該實驗，學(xué)生明確磁通量變化才是產(chǎn)生感應(yīng)電流的充要條件，而切割磁感線僅是某些磁通量變化過程中附帶的現(xiàn)象。在教材實驗基礎(chǔ)上補(bǔ)充相關(guān)實驗，不僅可以解開學(xué)生的疑惑，還可以通過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄繉嶒炘O(shè)計將控制變量法顯化出來，一舉兩得。

基于控制變量法的教學(xué)設(shè)計思路如圖1所示。首先，教師引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角發(fā)現(xiàn)可能存在的兩個變量——“切割”和“磁通量變化”；然后，教師利用控制變量法設(shè)計探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象；最后，學(xué)生通過歸納推理得出結(jié)論。

4 教學(xué)過程

4.1 實驗導(dǎo)入，引發(fā)認(rèn)知沖突

演示：通過控制變量法，設(shè)計3組切割磁感線的實驗，具體如下：切割一個U形磁體的磁感線時，磁體的S極在上，N極在下；切割兩個磁體的磁感線時，增加的U形磁體S極在下，N極在上；切割三個磁體的磁感線時，增加的U形磁體S極在下，N極在上（見圖2）。若三個磁體規(guī)格完全相同，則實驗時會分別出現(xiàn)有感應(yīng)電流、無感應(yīng)電流、有感應(yīng)電流三種情況。

提問：同樣是導(dǎo)體棒切割磁感線，為何會出現(xiàn)不同的實驗現(xiàn)象？三個實驗的條件有何不同？切割磁感線是否為產(chǎn)生感應(yīng)電流的充分條件？

設(shè)計意圖：在導(dǎo)體棒切割兩個規(guī)格相同的磁體的磁感線時，盡管這兩個磁體產(chǎn)生的磁通量大小相等，但它們的磁場方向相反，因此回路中的總磁通量相互抵消、始終為零，不發(fā)生變化?；谶@一原因，回路中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，而切割第一種或者第三種磁體的磁感線時，回路中磁通量會發(fā)生變化，故會產(chǎn)生感應(yīng)電流。但學(xué)生還不知道其中的原因。

通過進(jìn)行這個演示實驗，可以激起學(xué)生關(guān)于切割磁感線是否為產(chǎn)生感應(yīng)電流的充要條件的認(rèn)知沖突。

4.2 觀念引領(lǐng)，激發(fā)新的猜想

重新表征：將磁場、回路及導(dǎo)體棒平面化模型化，導(dǎo)體棒切割磁感線裝置示意圖如圖3所示。

重新描述問題情境，有助于提升學(xué)生的理解和觀察。

提示：從物理學(xué)的視角觀察現(xiàn)象（物質(zhì)、運動、能量、相互作用）。

提問1：有關(guān)磁場的物理量是否發(fā)生了變化？導(dǎo)體棒切割磁感線時，回路磁通量是否發(fā)生變化？

提問2：回路磁通量變化有沒有可能是感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件？如何驗證？

提問3：如果發(fā)現(xiàn)多個變量都可能是影響實驗現(xiàn)象的因素，如何單獨研究其中一個因素的影響？（啟發(fā)學(xué)生思考如何運用控制變量法設(shè)計探究實驗方案）

4.3 變量控制，自主探究

4.3.1 不切割磁感線，磁通量發(fā)生變化

教師引導(dǎo)學(xué)生選用如圖4或圖5所示的裝置進(jìn)行實驗，并將實驗結(jié)果記錄在表1中。

提示：通過控制回路不切割磁感線的同時改變線圈的磁通量，就可以驗證磁通量變化是否可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。引導(dǎo)學(xué)生運用控制變量法是設(shè)計實驗的基本思路。

提問1：根據(jù)公式Ф＝BS，我們可以通過改變B或者S來改變磁通量，應(yīng)選擇改變哪個？（引導(dǎo)學(xué)生從磁通量計算公式出發(fā)思考如何控制磁通量變化）

提示：如果改變S，那么回路將切割磁感線，這達(dá)不到控制變量的目的。（引導(dǎo)學(xué)生選擇改變B來使磁通量變化）

提問2：要改變B，我們需要一個變化的磁場，如何創(chuàng)造一個變化的磁場？（激發(fā)學(xué)生思考如何創(chuàng)造可以控制磁場強(qiáng)弱的條件）

提示：通電的螺線管有磁場，并且可以通過改變電流強(qiáng)弱來改變磁場強(qiáng)弱。

總結(jié)并提問：通過剛才的實驗我們發(fā)現(xiàn)“不切割磁感線，磁通量發(fā)生變化”可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。那“切割磁感線，磁通量不發(fā)生變化”是否可以？（總結(jié)本次實驗結(jié)論，提醒學(xué)生不要忘記繼續(xù)實驗，繼續(xù)弄清“感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”）

4.3.2 磁通量不發(fā)生變化，線圈切割磁感線

提問：如何控制磁通量不變的同時，讓回路切割磁感線？

提示：如圖6所示，將兩個同等規(guī)格的U形磁體固定在同一木棒上，控制兩個磁體的間距，確保左邊磁體的N極和右邊磁體的S極可以同時對稱插入線圈中，將實驗結(jié)果記錄在表2中。

提示：在磁體插入線圈的過程中，雖然線圈切割了磁感線，但是左邊磁體與右邊磁體在線圈中所產(chǎn)生的磁通量大小相等、方向相反，所以線圈的實際磁通量一直保持為0，不發(fā)生變化。

4.4 結(jié)果歸納，得到結(jié)論

學(xué)生通過分析歸納，將實驗的結(jié)果記錄在表3中，并分析表3中的實驗結(jié)果，從而得到實驗結(jié)論。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生通過表格匯總實驗結(jié)果，從而歸納出實驗結(jié)論。這既是應(yīng)用控制變量法進(jìn)行探究實驗的最后一步，又體現(xiàn)了另外一個物理科學(xué)方法——實驗歸納法。

5 教學(xué)反思

在本文的教學(xué)設(shè)計中，控制變量法貫穿整個探究過程。教師先引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)切割磁感線和磁通量變化都有可能是產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件。為驗證哪一個是根本條件，教師再引導(dǎo)學(xué)生分別控制“回路是否切割磁感線”和“回路的磁通量是否變化”兩個條件，進(jìn)行了兩次探究實驗，使學(xué)生明確回路磁通量變化才是產(chǎn)生感應(yīng)電流的充分必要條件。

值得注意的是，在確定了多個可能存在的變量后，基于控制變量法的實驗設(shè)計思路已經(jīng)基本明確，然而，實驗真正的難點在于采取什么方法來達(dá)到控制變量的目的。因此，在中學(xué)物理教學(xué)中，教師除了引導(dǎo)學(xué)生運用控制變量法設(shè)計實驗外，還要引導(dǎo)學(xué)生在控制變量的過程中鍛煉發(fā)散思維和集中思維，從而提出創(chuàng)造性的實驗方案。

通過滲透科學(xué)方法教育的物理教學(xué)，不斷提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，應(yīng)當(dāng)是今后中學(xué)物理教育的一個重要發(fā)展方向。在新版教材已經(jīng)逐步凸顯科學(xué)方法的基礎(chǔ)上，中學(xué)物理教師可以在教學(xué)設(shè)計的過程中進(jìn)一步展示重要且常用的科學(xué)方法，讓學(xué)生清晰地意識到科學(xué)方法的作用，并讓他們熟練掌握一些常用的科學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社， 2020：1-2．

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［3］［4］［5］［6］［7］［8］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 物理 必修 第三冊［M］. 北京：人民教育出版社， 2019：114，115-116，115，116，115，115.