“探究感應電流的產生條件”案例教學有效性探討

呂婧 陳剛

摘? ?要：學習者習得物理概念和規律的信息加工機制，可為有效教學提供穩定一致的評價標準。以“探究感應電流的產生條件”教學為例，分析教學中需要獲得的各個結論及每個結論獲得的學習機制、必要信息的呈現方式，以此為依據評析案例教學的有效性，并進一步提供合理的建議。

關鍵詞：感應電流；產生條件；學習心理學；加工機制

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

1? ? 問題的提出

感應電流的產生條件是高中物理電磁感應教學的重難點之一。鑒于學生在初中對于電磁感應的學習并不深入，可能存在錯誤認知：只有切割磁感線才能產生感應電流；切割磁感線一定能產生感應電流［1］，不同版本的《物理》教材嘗試通過多個實驗引導學生修正錯誤認知、發現本質原因。以2019年版人教版教材為例，它根據導體棒和通電螺線管兩個實驗的現象（圖1），直接概括出產生感應電流的條件是磁通量發生變化。倘若教師理所當然地“教教材”，那么由表面現象直接躍遷到磁通量的要求可能超出學生的認知能力，并且按照兩個實驗的邏輯難以嚴謹地說明感應電流的產生必須是與磁通量變化有關，而與閉合導體回路面積變化或磁感應強度變化等沒有必然聯系。一些教師意識到問題，創造性地改進實驗，期望通過實驗探究展開教學，促進學生深度學習。那么，究竟這些教學改進是否有效呢？有效性的依據是什么呢？其次，這些教學方案是否還有改進的空間呢？若有，該如何改進呢？基于以上問題，筆者認真觀看了一些全國中學物理青年教師教學大賽的錄像，選取其中一個教學錄像，從學習心理學視角分析其在獲得感應電流產生條件過程中的教學有效性，并提出改進建議。

2? ? 基于學習心理學的習得機制與教學要求

2.1? ? 物理概念和規律建立與排除因果聯系的邏輯機制

學習心理學揭示學習的內部機制，證明學生的學習過程是信息加工的過程，符合學習機制的教學才是有效的教學［2］。物理概念和規律都是通過與其他物理概念間的定性、定量關系來界定的，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和不出現的若干場合（即正事例與負事例），若正事例組的各場合只有一個共同情況，并且它在負事例組的各場合都不存在，那么這個情況就是被研究現象的原因。其結構如表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象的因果聯系，差異法則通過一組正負事例確定唯一不同情況與被研究現象的因果聯系。

穩定的因果關系存在可重復性和可預見性，可歸結為：等價的原因—等價的結果。如果本質原因存在，則結果也應存在；如果本質原因改變，則結果也應變化。由此，可得到兩種排除物理量間因果聯系的演繹推理方式，如表2、表3所示。

2.2? ? 有效教學的基本要求

基于物理概念和規律的習得機制，獲得結論環節的有效教學應符合三個要求：（1）提供給學生獲得結論所需的信息應保持在適度范圍，減少干擾信息；（2）提供信息的方式應滿足呈現一次加工所需的信息，獲得一個新結論；（3）信息呈現應符合特定結論獲得的加工方式［3］。因此，筆者認為只有厘清教學中所需要建立的各個結論、每個結論獲得的邏輯加工機制以及獲得結論應該呈現的必要信息，才能有據可依地評價教學的有效性，并進一步給出教學建議。

3? ? “探究感應電流的產生條件”教學案例

課堂上四組學生分別進行不同的實驗，實驗現象如表4所示。

師：實驗一說明導體切割磁感線產生感應電流。實驗二中線圈繞平行磁場的轉軸轉動時，是否切割磁感線？

生：否。

師：（呈現圖2）線圈豎直方向的兩條邊在轉動過程中切割磁感線，但回路不產生感應電流。實驗四，線圈沒有切割磁感線，但回路中產生感應電流。說明切割磁感線可能不產生感應電流，而不切割磁感線可能產生感應電流。因此，初中學習的“切割磁感線產生感應電流”并不完全準確。

師：實驗一中究竟哪個物理量發生變化而產生感應電流呢？（呈現圖3）

生：閉合導體回路的面積。

教師繼續提問實驗二中變化的物理量，呈現圖4所示的實驗裝置：手電筒光線模擬磁感線，可轉動的矩形金屬片模擬線圈，白屏顯示金屬片的影子，進行實驗：當手電筒光線與線圈軸垂直時，隨著線圈繞軸轉動，線圈影子面積變化；當手電筒光線與線圈軸平行時，隨著線圈繞軸轉動，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”，在數學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體回路在垂直磁場方向的投影面積（S⊥）。

師：（呈現圖5所示的條形磁鐵插拔動態圖）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）磁感應強度B？

師：很好！實驗四中感應線圈內部哪個物理量發生了變化呢？（呈現圖6所示的感應線圈內部磁感線變化的動態圖）

生：B。

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

教師呈現圖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。

實驗現象：電流傳感器的示數始終保持在0附近。

師：線圈移動過程中，B變化，S⊥變化，卻不產生感應電流。這說明B和S⊥都不能作為產生感應電流的條件。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：實驗五中當線圈順著銅絲移動時，線圈內部的銅絲條數不變，其實是什么不變呢？這個實驗說明了什么呢？

生：Φ。說明當Φ不變，不產生感應電流。

師：如果Φ變化，能否產生感應電流呢？

板書（表5）。

師：Φ變化就會產生感應電流。

4? ? 案例教學有效性分析

案例教學中，學生通過實驗一至實驗五的現象探究產生感應電流的條件，由“切割磁感線”“相對運動”的淺層認識深入到“S⊥”“B”兩個中介變量，進而理解變化的本質物理量為“Φ”。在此過程中，學生主要獲得六個結論：

結論1：閉合回路部分導體切割磁感線與產生感應電流沒有必然聯系；

結論2：感應電流的產生與S⊥變化有關；

結論3：感應電流的產生與B變化有關；

結論4：S⊥變化與產生感應電流沒有必然聯系；

結論5：B變化與產生感應電流沒有必然聯系；

結論6：感應電流的產生條件是閉合導體回路的Φ變化。

4.1? ? 結論1建立的邏輯機制及評析

基于實驗二、實驗四的現象，通過演繹推理排除“切割磁感線”與“產生感應電流”之間的因果聯系，具體過程如表6、表7所示。

評析 教師通過實驗二裝置的側視圖（圖2），直觀展示線圈各邊與磁感線的位置關系，引導學生識別“線圈繞平行于磁場方向的軸旋轉”“豎直方向的兩條邊切割磁感線”以及“無感應電流”的必要信息，與原有認知“切割磁感線一定能產生感應電流”產生沖突。其后，教師指出實驗四“線圈不切割磁感線卻產生感應電流”的信息，根據兩種認知沖突引導學生排除切割磁感線與產生感應電流的因果聯系。該結論的教學中教師的引導合理有效，學生識別的必要信息充分，獲得結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合增強了獲得結論的嚴密性與說服力。

4.2? ? 結論2建立的邏輯機制及評析

基于實驗一、實驗二的現象，通過求同求異法獲得結論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），幫助學生快速識別導體切割磁感線時實質變化的是閉合導體回路面積，教學效果良好。而后，教師選用源于生活的實驗器材，設計了手電筒實驗，直觀地顯示出線圈影子面積的變化，引導學生識別出線圈旋轉時變化的物理量是S⊥。手電筒實驗使實驗二中難以發現的變量形象可見，大大降低了學生獲得必要信息的困難程度。同時，教師還將必要信息“發生變化的物理量”“是否產生感應電流”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方式。

4.3? ? 結論3建立的邏輯機制及評析

基于實驗三、實驗四的現象，通過求同法獲得結論3，具體過程如表9所示。

評析 結合形象的動態圖，教師試圖通過提問的方式讓學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，學生回答時顯得有些遲疑困惑。其后，學生順利回答出實驗四的變量，但教師并沒有進一步追問原因，便難保他們沒有受到之前問題答案的強烈暗示。細究以上教學行為，可見學生在識別B時存在一定的不確定性，對此有必要進行教學改進。此外，根據板書，可認為獲得該結論的信息呈現方式符合求同法的要求。

4.4? ? 結論4和結論5建立的邏輯機制及評析

基于實驗五的現象，通過演繹推理排除“S⊥變化”“B變化”與“產生感應電流”之間的因果聯系：

（大前提）如果S⊥變化與產生感應電流有必然聯系，則當S⊥變化時，閉合回路會產生感應電流。

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

（結論）S⊥變化與產生感應電流無必然聯系。

（大前提）如果B變化與產生感應電流有必然聯系，則當B變化時，閉合回路中會產生感應電流。

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

（結論）B變化與產生感應電流無必然聯系。

評析 教師利用自制的磁感線模型進行實驗，引導學生識別實驗現象中蘊含的“S⊥變化”“B變化”“無感應電流”的必要信息，進而與原有推理（結論2和結論3）產生矛盾，從而分別排除“S⊥變化”“B變化”與“產生感應電流”的因果聯系。該部分教學基本遵循演繹推理的邏輯過程，獨特的實驗巧妙呈現“S⊥變B變Φ不變”的場景，為后續猜測Φ變化作鋪墊。

4.5? ? 結論6建立的邏輯機制及評析

基于實驗一至實驗五的現象，通過求同求異法獲得結論6，具體過程如表10所示。

評析 根據“S⊥變化”“B變化”與“產生感應電流”之間的聯系，教師引導學生猜測產生感應電流的條件可能是Φ發生變化。之后要求學生重新回顧實驗一至實驗五的現象，識別每次實驗Φ是否變化，并引導學生將感應電流情況、Φ情況列在同一表格中。該部分教學中教師引導學生識別的必要信息明確且準確，而且必要信息的呈現方式符合求同求異法的結構，能夠有效促使學生進行信息加工、獲得結論。

5? ? 改進建議

5.1? ? 增加排除因果聯系的結論

案例中教師引導學生分析紛繁的實驗現象，由淺及深，由表及里，逐步得到產生感應電流的充要條件。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”不能作為感應電流的產生條件及其原因。因此，筆者認為可以增加“排除相對運動與產生感應電流的因果聯系”的環節，使學生認識到用“相對運動”描述感應電流產生條件的局限性，進而思考產生感應電流的本質條件。例如，可以利用實驗四的現象，引導學生按照演繹推理的邏輯機制排除二者的因果聯系，具體如下：

（大前提）如果“相對運動”與“產生感應電流”有因果聯系，則導體與磁場無相對運動時，閉合回路不產生感應電流。

（小前提）實驗四：左右兩側的線圈保持相對靜止，但左側線圈回路產生感應電流。

（結論）“相對運動”與“產生感應電流”無必然聯系。

5.2? ? 精細必要信息的呈現

識別獲得結論所需的必要信息是學生進行信息加工的前提，精細化必要信息的呈現將大大提高教學有效性。首先，筆者認為可以考慮在圖3標出切割磁感線的兩條邊，在圖2標出“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），引導學生獲得必要信息：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，建議教師結合圖6，通過問題鏈輔助學生獲得一系列有效信息：移動滑片或閉合、斷開開關—右側線圈電流變化—電流產生的磁場的強弱變化—此磁場穿過右側線圈、也穿過左側線圈—左側線圈的B發生變化，使學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? 語

基于學習心理學理論，本文對案例中學生的學習過程進行微觀剖析，詳細闡述學生需要獲得的各個結論及其邏輯加工機制，以此為依據對教師的教學過程進行評析并提出建議。由以上討論可見，若教師清楚學生獲得每個結論的信息加工過程，那么就可能選擇出更合理的信息和更高效的呈現方式，提高教學的有效性，促進培養學生認知、推理等思維能力。

參考文獻：

［1］謝建偉.基于實驗創新培養學生的思維品質——以優化設計“探究感應電流的產生條件”為例［J］.物理教師，2020，41（12）：55-57，59.

［2］陳剛.論物理概念和規律意義學習的教學設計——學習心理學的視角［J］.全球教育展望，2014，43（12）：58-71.

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