巧設實驗主線 凸顯學科教學的“物理味”——“探究感應電流產生的條件”展示課回眸

曹 會 張 飛

（江蘇省外國語學校，江蘇 蘇州 215104）

1 問題提出

“物理學本質”應是“物理味”的核心元素.物理學本質的教學是一個國際前沿性教育課題.在物理課堂教學中，應樹立以物理學本質為靈魂的物理教育新理念，切實加強物理學本質在物理教學中的滲透，避免僅以追逐成績為唯一目的的應試教育模式，以提高物理真正的教育質量.美國麻省理工學院弗里奇教授提出：“科學的本質就是觀察和探究我們周圍的世界，試圖從已知事物中確定某些潛在的秩序和模式.物理學是科學的一部分，主要研究無生命的世界，而且力圖確認最基本的原理和統一的規律.［1］”“物理學的另一個本質特征——依靠直接的觀察和實驗.［1］”由此可見，觀察和實驗是以“物”明“理”的重要途徑，也是物理學本質教學的重要方式.“物理學本質的另一個重要方面：在這一學科發展的某一特定階段接受了某個經過檢驗的假設，但隨后這些假設總是有待修正.［1］”所以，不斷的觀察和實驗并認真探索才能以“物”揭示“理”的真諦.換言之，求真是物理學本質，也應是物理教育的一種行為.

本文是筆者以實驗為主線進行物理學本質的教學的一次嘗試，在“蘇州市名師共同體”活動中進行展示，獲得聽課專家的較高評價，一致認為這堂課具有十足的“物理味”.

2 案例呈現及評估

2.1 “制造沖突”——引發懸疑

師：同學們，要把播放器中播放的音樂傳送到音箱中播放出來，可采取怎樣的辦法？

生：用音頻線直接連接起來.師：如果不直接相連行不行呢？（學生懷疑搖頭否定）師：我們來玩一個魔術（如圖1所示），我用一只小螺線管與播放器相連，再用一只大螺線管直接和音箱相連.

圖1

師：看好了，見證奇跡的時刻就要到了，（把小螺線管插入大螺線管中，音樂響起，學生很驚訝）這對大小螺線管之間究竟發生了怎樣的物理現象？

生：電磁感應.

師：也就是出現了“磁生電”的現象，大螺線管中產生了感應電流？（學生肯定）

師：初中我們已經學過感應電流產生的條件是？

生：切割磁感線，產生感應電流（如圖2所示）.

師：完整的說應該是閉合電路的部分導體切割磁感線產生感應電流.

板書：實驗1（閉合電路部分導體）切割則有，不切割則無

師：用這一切割理論能否解釋大螺線管中產生的感應電流呢？沒切割怎么會產生感應電流呢？為了弄清楚這個問題，咱們今天有必要再通過其它的實驗裝置來進一步探究感應電流產生的條件.

板書：探究感應電流產生的條件.

環節評估：我國學者鐘啟泉教授指出：“實驗是在學習者的面前引起日常生活中不可能經歷到的現象.違背學習者常識的實驗結果，將造成學習者意識中的認知失衡狀態，擺脫這種認知矛盾狀態求得解放的需求，就成了學習的動機.”課堂教學中有意設計沖突，就會引起認知心理上的不平衡，引起學生的有意注意，調動學生的認知內驅力，以促進學生積極、高效的認知建構.［2］

此環節用動聽的音樂生成自制實驗裝置，實驗器材取材方便、形式活潑，其現象與初中原有認知形成強烈沖突，打破原有對“感應電流產生條件”認知心理平衡.從情感角度產生了“一石激起千層浪”的效果，喚起學生的探究欲望，開啟了學生探究意愿的“閘門”；從認知的角度為本堂課的思維活動提供了一個“支點”，運用學生原有的認知及科學探究的方法和能力“撬動”感應電流產生條件的未知領域.

圖2

2.2 “對比實驗”——初見端倪

圖3

師：我們來看這個實驗裝置（如圖3所示），請把你將要觀察到的現象記錄在表格中，并討論能得到怎樣的結論？

演示：磁鐵插入、拔出、不動.

生：（討論一段時間后匯報）只要磁鐵和螺線管之間發生相對運動就會產生感應電流.

板書：實驗2（相對）運動則有不運動則無.

師：除了插入和拔出，其他形式的運動能否也產生感應電流呢？比如在螺線管外面運動，在里面晃動等，你也可以利用實驗桌上的現有儀器來做一做，（學生發現沒有條形磁鐵）可不可以做一個電磁鐵來代替條形磁鐵.（此環節起到承上啟下的作用，為下一個實驗做準備）

生：（教師適時指導接入開關和滑動變阻器，學生完成這個實驗后匯報）只要相對運動就會有感應電流產生.

圖4

師：研究兩個結論發現，無論切割還是相對運動，都需要運動，難道只有運動才會產生感應電流嗎？你可以利用剛才的電路試一試，并把你的重大發現完整記錄在表格中.

生：我們發現開關斷開和閉合瞬間有感應電流產生，移動滑動變阻器過程中也有，穩定狀態時沒有.

師：（及時鼓勵表揚）你們的這個發現就是當年法拉第花了十年的功夫才發現的.你能否進一步思考，這里沒有發生相對運動，是什么原因使大螺線管中產生了感應電流呢？

生：只要小螺線管中電流發生變化就會在大螺線管中產生感應電流.

板書：實驗3（原電流）變化則有不變化則無.

師：我們還可以把小螺線管中鐵芯拿出來觀察發生什么現象，（學生嘗試，有）這又是什么原因造成的呢？

師：（學生若不能得到正確解釋，投影模擬動畫啟發，如圖5所示）相對運動、改變電流、電流不改變（拔出鐵芯）均會有感應電流產生，我們有必要思考以上實驗和結論在本質上有無相似之處？

圖5

生：（觀察、思考、討論）我們認為這兩個實驗都揭示引起感應電流的本質：磁場發生了變化.

板書：實驗2、3（磁場）變化則有不變化則無.

環節評估：對比研究是科學研究的一般方法，是把客觀事物加以比較，尋求其同中之異或異中之同的研究方法，以達到認識事物的本質和規律并做出正確的評價.歸納則是運用個別走向一般的思維方式，把具體個別的事物分別加以綜合，從而獲得一般結論的方法.對比歸納法綜合運用，可以找出事物的相同點和不同點，把零散的、不成系統的知識系統化、理論化.

本環節對兩個實驗現象進行對比，發現一“動”一“靜”的表面現象不同，運用“模擬磁感線”進行進一步對比歸納研究，使磁場變化的本質“自然浮出水面”.

2.3 “乘勝追擊”——全線突破

師：螺線管中有感應電流產生，磁場變化應是個外部因素，我們可不可以改變線圈自身因素來實現呢？

生：面積.

圖6

師：我手拿的這個軟質線圈就很容易改變面積（如圖6中的軟質線圈），但要保證改變線圈面積時磁場不變，那就需要勻強磁場，如何才能獲得勻強磁場呢？

生：兩個靠的很近磁極間的區域，馬蹄形磁鐵中間區域，螺線管中間區域，兩個靠的較近的線圈中間區域.

師：（展示說明自制勻強磁場裝置，筆者在參考文獻［3］中已作詳細介紹）兩個線圈中間產生的磁場可視為勻強磁場，請你們過來改變線圈面積試試看.

生：（演示）的確有.

師：再轉動一下看看.

生：（演示）的確有，應該是改變了線圈平面與磁場之間的夾角造成的.

板書：實驗4（面積）變化則有，不變化則無；（角度）變化則有，不變化則無.

師：（利用黑板板書）我們可不可以用一個物理量來表示這三個因素（磁場、面積、角度）.

生：磁通量.

師：切割實驗（如圖2）是改變閉合回路的哪個因素？

生：面積.

師：能否用我們總結的結論來解釋魔術（如圖1）中的現象呢？

生：播放器輸出變化的電流，從而使大螺線管中磁場不斷變化產生感應電流.

環節評估：由“磁場變化”過渡到“磁通量變化”是本節課教學難點.

筆者嘗試利用實驗2、實驗3探究活動中“得到甜頭”的積極心態“乘勝追擊”，利用內外因歸因法繼續拋出一個問題：“我們可不可以改變線圈自身因素來實現呢？”學生較易猜測出面積的因素.自制的兩只通電大螺線管間提供了一個較大的勻強磁場區域，從而給操作者搭建了一個靈活探究的“舞臺”，使感應電流產生條件的相關因素能夠通過此磁場區域得到全面探究，彌補原有實驗的不足.［3］當學生發現與面積有關后，再鼓勵“轉動一下試試看”，又發現與角度有關，最終“磁通量變化”的結論就“順理成章”得出了.

利用積極的心理狀態進行難點突破是此環節課堂教學的情感策略；運用自制實驗優化教學結構是此環節物理課堂教學的技術策略.這個環節的設計不僅克服了本節課的思維難點，還較好培養了學生的創新意識.

2.4 “回顧歷程”——提煉升華

回顧1：本堂課探究歷程（見圖7）.

圖7

師：我們今天經歷有趣的探究，不僅得到了感應電流產生的條件，其實我們還獲得一些分析問題解決問題的方法：切割、運動和電流變化只是表面現象，磁通量變化才是感應電流產生的本質條件——透過現象看本質的方法；內因和外因論.

回顧2：回顧奧斯特發現電生磁到法拉第發現磁生電十年探究中的典型故事（略）.

環節評估：思維導圖作為一種思維的方法與工具，有利于促進知識建構，讓思維可視化.它能以直觀形象的方式表達知識結構，有效地呈現思考的過程及知識的關聯，是一種把思維路徑顯性化的教學策略.

利用簡明的思維導圖再體會探究歷程，充分體現“物理學本質”中問題修正的特點.縱向比較分析實驗主線、思維結論主線、物理學史典故，不僅能夠加深學生對知識規律的理解，領悟“內外因”分析問題的方法策略，同時又能夠端正學生“透過現象看本質”的研究態度，從而促進學生“求真”科學價值取向的形成，落實三維教學目標的實現.

3 教學反思

本節課認知結構的起點源于初中“切割理論”，認知高度終止于“磁通量變化”，思維跨度較大，歸納難度較高，探究過程不僅需要邏輯性較強的主線引領，還需要飽滿探究精神的支撐.這種飽滿的精神源于“思維沖突”的懸疑、“移步換景”的精神享受、“柳暗花明”的精神刺激.本節課是物理學本質教學較好的素材，通過實驗主線的設計，讓三維目標巧妙達成.探究的歷程不僅充分體現物理學本質的特點，也充分挖掘出本真物理課堂的“物理味”.

1 A.P.French.物理學的本質.http：／／wenku.baidu.com／view／57b0fe1dc281e53a5802ffe7.html

3 徐立海，黃君明.物理教學中“引發認知沖突”策略.物理教師，2011（3）.

2 曹會.電磁感應中三個自制實驗的妙用.物理教師，2012（6）.