教學(xué)探求本質(zhì) 命題回歸科學(xué)
——以電磁感應(yīng)章節(jié)為例

胡志偉

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

在高中物理中，電磁感應(yīng)內(nèi)容往往是教學(xué)的難點(diǎn)也是重點(diǎn)，學(xué)生對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)理解不清，造成解題上的困難.而當(dāng)我們?nèi)徱暯虒W(xué)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)教學(xué)的不恰當(dāng)處理以及命題的不科學(xué)性難辭其咎.

1 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)教學(xué)存在的問題

當(dāng)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，為電磁感應(yīng)現(xiàn)象.而引起閉合回路磁通量變化的原因不止一種，導(dǎo)體保持不動(dòng)，而磁場(chǎng)變化引起磁通量變化，產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)；磁場(chǎng)保持不變，而閉合回路的面積變化引起磁通量的變化，產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì).兩種形式的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都是因?yàn)榇磐康淖兓a(chǎn)生，因此，可以借助法拉第電磁感應(yīng)定律求解電動(dòng)勢(shì).然而學(xué)生對(duì)電動(dòng)勢(shì)的理解程度如何呢？事實(shí)表明大部分學(xué)生在沒有深入理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理的情況下，套用法拉第電磁感應(yīng)定律，而不明確電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體中的分布，以一道經(jīng)典的電磁感應(yīng)題為例.

【題1】如圖1所示，用均勻?qū)Ь€做成的矩形線框abcd，且bc=2ab，ab=0.2 m，線框的左半部分放在垂直紙面向里的正方形區(qū)域勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．當(dāng)該磁場(chǎng)以10 T/s的變化率均勻增加時(shí)，求線框中e、f兩點(diǎn)電勢(shì)差的大小.

圖1 題1題圖

該問題受到物理教師們的廣泛討論，在各大雜志上發(fā)表的文章眾說紛紜，以在《物理教師》雜志發(fā)表的《一例有關(guān)感生電動(dòng)勢(shì)計(jì)算的討論》[1]和《感生電動(dòng)勢(shì)的理解與應(yīng)用 ——對(duì)<物理教師>一篇論文的質(zhì)疑 》[2]為例，文章內(nèi)容均聚焦于感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原理進(jìn)行討論，然而仍然未觸及感生電場(chǎng)產(chǎn)生的根本原因，未明確感生電場(chǎng)在空間的具體分布.已有討論主要存在以下幾點(diǎn)誤區(qū)：

(1)認(rèn)為磁場(chǎng)在左側(cè)區(qū)域，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只存在左側(cè)區(qū)域.

(2)認(rèn)為感生電動(dòng)勢(shì)均勻分布在整個(gè)導(dǎo)體框.

(3)認(rèn)為正方形磁場(chǎng)區(qū)域中的磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的是嚴(yán)格的同心圓感生電場(chǎng).

2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的本質(zhì)

依據(jù)麥克斯韋電磁理論，感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生本質(zhì)上是由于變化的磁場(chǎng)能激發(fā)出感生電場(chǎng)，導(dǎo)線中的自由電荷受到電場(chǎng)力作用做定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生了感應(yīng)電流及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).從大學(xué)電磁學(xué)的角度出發(fā)，感生電場(chǎng)與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算可以依據(jù)公式

在感生電動(dòng)勢(shì)中，感生電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng)，充當(dāng)非靜電力的作用.感生電場(chǎng)的分布并不是嚴(yán)格的圓形，其分布受磁場(chǎng)邊界條件的影響.感生電場(chǎng)線是同心圓的情況是在很苛刻的對(duì)稱性條件得到滿足后才能得到的特例[4]，而且正方形磁場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生的感生電場(chǎng)也并不是同心圓，而是復(fù)雜的形狀分布[5].

在穩(wěn)定的磁場(chǎng)中，由于導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，引起磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫做動(dòng)生電動(dòng)勢(shì).動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)與感生電動(dòng)勢(shì)則不同，其是由于導(dǎo)體中的自由電子隨著導(dǎo)體棒一起運(yùn)動(dòng)，從而受到磁場(chǎng)給帶電粒子的洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，自由電子在導(dǎo)體棒中定向移動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此充當(dāng)非靜電力作用的是洛倫茲力.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算可以依據(jù)公式

ε=∮(v×B)dl

3 關(guān)于教學(xué)與命題的一些思考

學(xué)生對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)理解不清，認(rèn)為“只有處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線才有感生電動(dòng)勢(shì)”，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因僅僅歸結(jié)為磁通量的變化只是表層上的認(rèn)識(shí).物理的教學(xué)應(yīng)注重落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面著手，而注重和掌握物理規(guī)律的本質(zhì)是物理學(xué)習(xí)中的重要任務(wù)，能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，深刻理解物理規(guī)律的內(nèi)涵.

3.1 源于教材 高于教材

教材為教學(xué)提供了一定的參考，在電磁感應(yīng)章節(jié)，人教版的總體編排思路是“楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)、互感和自感”，在“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”板塊中呈現(xiàn)了感生電場(chǎng)的內(nèi)容；粵教版的編排思路為“感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用、互感和自感、渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用”；魯科版編排思路為“科學(xué)探究：感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、自感現(xiàn)象和渦流”.

對(duì)比不同版本的教材，除了人教版在講解電磁感應(yīng)定律時(shí)會(huì)提及感生電場(chǎng)之外，其他版本并未呈現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，人教版在本章的內(nèi)容注重循序漸進(jìn)，由易到難，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.雖然這部分內(nèi)容與法拉第電磁感應(yīng)定律屬于不同小節(jié)，然而二者確是因與果、本質(zhì)與表象的聯(lián)系，感生電場(chǎng)是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的根本原因.課標(biāo)對(duì)于感生電場(chǎng)的學(xué)習(xí)要求并不高，然而脫離該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生易出現(xiàn)上文提到的對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體中的分布認(rèn)識(shí)不清的問題.

教師在運(yùn)用教材素材的過程中，要準(zhǔn)確分析利用教材插圖，如圖2和圖3所示，人教版和粵教版關(guān)于渦流現(xiàn)象的分析插圖中，渦旋電流的方向?yàn)閳A形和正方形，若教師引導(dǎo)不恰當(dāng)，學(xué)生容易形成“渦旋電場(chǎng)都是圓形或者是長方形”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).同時(shí)，教學(xué)過程中應(yīng)該明確感生電場(chǎng)的分布并非一定是同心圓，同心圓的情況是只有在很苛刻的對(duì)稱性條件得到滿足后才能得到的特例.雖然感生電場(chǎng)的定量分析超出高中生的接受范圍，但是從定性的角度分析，依然可以幫助學(xué)生較好地理解感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因，避免套用法拉第電磁感應(yīng)定律而忽視電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的根本原因，用法拉第電磁感應(yīng)定律得到的電動(dòng)勢(shì)是閉合回路產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì).

圖2 新人教版教材渦流現(xiàn)象分析

圖3 新粵教版教材渦流現(xiàn)象分析

3.2 探求本質(zhì) 優(yōu)化教法

如果教學(xué)能從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，而不是淺嘗輒止，學(xué)生對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的分布認(rèn)識(shí)也會(huì)更加準(zhǔn)確深入.在學(xué)習(xí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，以感生電場(chǎng)作為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到自由電子受到感生電場(chǎng)中的非靜電力而做定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).在學(xué)習(xí)“導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”時(shí)，通過分析導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，明確自由電荷受到洛倫茲力的作用而運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)體棒一端的電勢(shì)高于另一端，從而產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì).

在學(xué)生理解兩種不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理之后，進(jìn)行一定的歸納與對(duì)比，不管是感生電動(dòng)勢(shì)還是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，都可以通過法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行求解.即使兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理并不相同，但是兩種電動(dòng)勢(shì)相互聯(lián)系，選擇不同的參考系，感生電動(dòng)勢(shì)可以認(rèn)為是動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)也可以認(rèn)為是感生電動(dòng)勢(shì).這樣的教學(xué)既讓學(xué)生理解了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)，也讓學(xué)生領(lǐng)悟了二者的聯(lián)系，教學(xué)并不僅僅要教授知識(shí)，更要促進(jìn)學(xué)生思維的成長，教學(xué)中滲透統(tǒng)一性的觀念，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)理念下的“知識(shí)教學(xué)”向“觀念教學(xué)”的轉(zhuǎn)變.

近年來，物理單元教學(xué)被視為是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要舉措，電磁感應(yīng)教學(xué)不僅注重感生電場(chǎng)本質(zhì)的探討，更需注重整體思維，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)之間的聯(lián)系.

3.3 科學(xué)命題 創(chuàng)新有據(jù)

教學(xué)上做出一定突破的同時(shí)，命題上也需要做出一定的改進(jìn).試題的命制要符合科學(xué)性、綜合性、創(chuàng)新性、人文性原則，要促進(jìn)學(xué)生發(fā)展、聯(lián)系實(shí)際導(dǎo)向性[6].一道好的試題能為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供有效的診斷，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，而不是一味地強(qiáng)調(diào)拔高，試題的命制提倡創(chuàng)新性，提倡能激發(fā)學(xué)生的思考，而不是一味地偏愛偏題、怪題，或者出現(xiàn)讓學(xué)生和教師都無所適從的題目，例如上文呈現(xiàn)的出現(xiàn)在高三復(fù)習(xí)資料中的試題，竟然讓眾多一線教師們束手無策或者進(jìn)行錯(cuò)誤解答.

在素質(zhì)教育導(dǎo)向的今天，教學(xué)應(yīng)該促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，注重試題的規(guī)范性，在最近發(fā)展區(qū)理念下命制試題，才是激發(fā)學(xué)生思維的最好方法.而上文呈現(xiàn)的經(jīng)典例題中，讓學(xué)生求解兩端的電勢(shì)差大小，便不適宜呈現(xiàn)在高中習(xí)題中.要計(jì)算fe兩端的電勢(shì)差值，便會(huì)涉及感生電場(chǎng)的計(jì)算，以及感生電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體中的分布問題，學(xué)生利用已有的知識(shí)難以解決，而只能依靠法拉第電磁感應(yīng)電流計(jì)算整個(gè)回路產(chǎn)生的總的電動(dòng)勢(shì).

除此之外，在電磁感應(yīng)相關(guān)知識(shí)的命題中，也容易出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，在高三復(fù)習(xí)資料中出現(xiàn)的一道題如下.

【題2】在如圖4(a)所示的虛線框內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng),設(shè)圖4(a)所示磁場(chǎng)方向?yàn)檎鸥袘?yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4(b)所示.邊長為l電阻為R的正方形均勻線框abcd有一半處在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于線框平面，此時(shí)線框ab邊的發(fā)熱功率為P，則( )

(a)

試題解析提供的參考答案為選項(xiàng)D，不同形狀的磁場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生的感生電場(chǎng)的分布各異，然而試題中并未明確虛線方框的邊長面積，無法確定感生電場(chǎng)的具體分布，也未明確導(dǎo)線框的具體位置，故無法計(jì)算線框的具體某一邊的電勢(shì)差的大小，而只能根據(jù)磁場(chǎng)的變化率計(jì)算出線框的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).這道試題的選項(xiàng)命制不僅超出了高中學(xué)生的知識(shí)體系，也出現(xiàn)了科學(xué)性錯(cuò)誤，這間接反映出命題者對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理的錯(cuò)誤認(rèn)知.試題的呈現(xiàn)在一定程度上，反而誤導(dǎo)了學(xué)生.因此,提高命題的科學(xué)性，需要命題教師們仔細(xì)斟酌，避免出現(xiàn)試題命制容易出現(xiàn)的五大問題，即以偏概全、先入為主、百密一疏、無中生有、顧此失彼[7]，也需要授課教師們正確利用試題，引導(dǎo)學(xué)生的正確認(rèn)知.

4 總結(jié)

電磁感應(yīng)內(nèi)容的教學(xué)對(duì)教師本身專業(yè)素質(zhì)提出較高要求，教師要從大學(xué)物理的高度審視高中物理教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)悟電磁感應(yīng)的核心，教學(xué)過程注重本質(zhì)的探求.在單元教學(xué)設(shè)計(jì)的大背景下，電磁感應(yīng)教學(xué)值得進(jìn)一步研究分析，教師要靈活運(yùn)用教材素材，在大概念統(tǒng)攝下進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐.要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，教學(xué)上要注重教法的靈活運(yùn)用，命題上也要注重質(zhì)量，避免命題的科學(xué)性錯(cuò)誤，不盲目追求難題、怪題，才能使試題功能最大化.