創(chuàng)設(shè)序列微情境 促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)化
——以“電磁感應(yīng) 發(fā)電機(jī)”的教學(xué)為例

何季軍，曹建軍

1.南通市教育科學(xué)研究院，江蘇 南通 226001

2.南通市虹橋二中，江蘇 南通 226001

《義務(wù)教育課程方案（2022 年版）》明確指出，要培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中綜合運(yùn)用知識解決問題的能力，必須注重真實情境的創(chuàng)設(shè)，加強(qiáng)知識間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)化［1］。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》在教學(xué)建議中倡導(dǎo)情境化教學(xué)、突出問題教學(xué)［2］。物理課程標(biāo)準(zhǔn)中“情境”至少出現(xiàn)53 次，這表明情境在物理教學(xué)中的重要性。情境如何促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化，是一線教育工作者當(dāng)前迫切需要解決的問題。本文嘗試構(gòu)建促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化的核心情境和微情境序列的教學(xué)設(shè)計，并以初中物理“電磁感應(yīng) 發(fā)電機(jī)”為例說明其教學(xué)設(shè)計和實施過程。

1 構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，挖掘核心知識

知識結(jié)構(gòu)源于布魯納的“學(xué)科結(jié)構(gòu)”，他指出學(xué)科教學(xué)務(wù)必使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展，從而開啟了結(jié)構(gòu)主義課程改革，編制結(jié)構(gòu)化的學(xué)科課程并實施。現(xiàn)行的初中物理教材注重學(xué)科、學(xué)生認(rèn)知建構(gòu)與心理發(fā)展的統(tǒng)一，知識產(chǎn)生于所設(shè)計的一系列學(xué)習(xí)活動之中，知識結(jié)構(gòu)被遮蔽。知識結(jié)構(gòu)內(nèi)隱于教師的腦海與教學(xué)行動之中，要使其顯性化，這就需要教師發(fā)揮主觀能動性，從學(xué)科結(jié)構(gòu)的視角挖掘教材的知識并構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，在知識結(jié)構(gòu)體系中挖掘核心知識，從而抓住知識結(jié)構(gòu)的核心，使散亂、無序的知識在核心知識的統(tǒng)攝下形成連貫、有序的知識結(jié)構(gòu)。

蘇科版教材在“電磁感應(yīng) 發(fā)電機(jī)”中設(shè)置了三個活動：“觀察磁生電現(xiàn)象”活動旨在建立電磁感應(yīng)現(xiàn)象、感應(yīng)電流的概念；“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”活動旨在利用實驗室器材探究怎樣才能產(chǎn)生感應(yīng)電流以及感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān)；“觀察手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電”活動旨在從科學(xué)與工程實踐的視角探究感應(yīng)電流的周期性變化及其能量轉(zhuǎn)化［3］。從教材的序列看，“電磁感應(yīng)”所涉及的知識主要有：電磁感應(yīng)現(xiàn)象、感應(yīng)電流、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件、感應(yīng)電流的方向、交變電流等，圖1 是這一節(jié)的知識結(jié)構(gòu)，涵蓋了本節(jié)的主要內(nèi)容。

圖1 “感應(yīng)電流 發(fā)電機(jī)”的知識結(jié)構(gòu)

從知識結(jié)構(gòu)圖中可以看出，本節(jié)知識是在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上生長而來。如何產(chǎn)生感應(yīng)電流涉及到其產(chǎn)生條件（“看得見”的條件），深研感應(yīng)電流就必然涉及其方向和大?。ㄎㄏ螅袘?yīng)電流的方向和大小又與產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件中物理量的方向和大小密切相關(guān)（溯因）。電磁感應(yīng)在技術(shù)上的應(yīng)用是利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流具有大小和方向隨時間呈周期性變化的特點，所以命名為交變電流。因此，電磁感應(yīng)的概念是本節(jié)知識的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，所以將電磁感應(yīng)的概念確定為本節(jié)內(nèi)容的核心知識，其他知識確定為微知識。

2 創(chuàng)設(shè)微問題串，開發(fā)微情境序

吳加澍老師曾經(jīng)指出，物理教學(xué)設(shè)計的過程是“知識問題化”和“問題情境化”的過程，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程是“在情境中發(fā)現(xiàn)問題”并“在問題解決中建構(gòu)知識”的過程。因此，教師在知識結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)上需要對微知識進(jìn)行問題化處理，微問題串由結(jié)構(gòu)化的微知識所產(chǎn)生，微問題串具有內(nèi)在聯(lián)系；微問題與所開發(fā)的微情境相對應(yīng)，微問題的有序促使多個微情境之間能夠形成微情境序；對微情境序有機(jī)整合，創(chuàng)建核心情境，系列微情境派生于核心情境之中，核心情境又為多個微情境形成序列提供保障（圖2）。這一情境創(chuàng)設(shè)的方式避免了情境之間的孤立化和碎片化，情境與情境之間形成核心情境下的微情境序，有利于深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

圖2 基于知識結(jié)構(gòu)化的情境創(chuàng)設(shè)

教材在“電磁感應(yīng) 發(fā)電機(jī)”中設(shè)置了三個課內(nèi)情境，分別是體驗微型電扇發(fā)電、實驗探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件和觀察手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電，這些情境之間看似相互獨(dú)立，本質(zhì)上它們之間密切關(guān)聯(lián)。體驗微型電扇發(fā)電是得到核心知識（電磁感應(yīng)現(xiàn)象）的情境，學(xué)生在此情境中學(xué)習(xí)不僅能感受“磁生電”，還能提出“怎樣才會產(chǎn)生感應(yīng)電流”（微問題1）、“感應(yīng)電流的方向和大小與哪些因素有關(guān)”（微問題2）、“這種感應(yīng)電流與日常生活中使用的電流本質(zhì)上是否相同，發(fā)電廠是如何產(chǎn)生這一電流”（微問題3）等問題。

針對微問題1，讓學(xué)生進(jìn)一步觀察拆解后的微型電扇（核心情境），發(fā)現(xiàn)有磁體和線圈。由于葉片的旋轉(zhuǎn)才產(chǎn)生感應(yīng)電流，學(xué)生聯(lián)想，感應(yīng)電流是線圈在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生的，根據(jù)“電路通路才有電流”的認(rèn)識，要產(chǎn)生感應(yīng)電流，線圈必須是閉合的。由于核心情境中的部分電路既不在磁場中，也不運(yùn)動，學(xué)生容易形成“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動會產(chǎn)生感應(yīng)電流”的猜想，從而利用實驗器材搭建實驗裝置進(jìn)行實驗探究。

針對微問題2，在核心情境中葉片旋轉(zhuǎn)的快慢會導(dǎo)致發(fā)光二極管亮度的變化，學(xué)生能夠猜想到“感應(yīng)電流的大小與運(yùn)動的快慢有關(guān)”，在解決微問題1 的情境中學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)“運(yùn)動方向的不同，會導(dǎo)致感應(yīng)電流方向不同”。

針對微問題3，在核心情境中的葉片轉(zhuǎn)動就相當(dāng)于搖動手柄，微型電扇的磁體就相當(dāng)于蹄形磁體，二極管相當(dāng)于小燈泡，用電流表替換小燈泡，可觀察到電流的大小和方向周期性變化。

上述研究表明，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)和核心知識是基礎(chǔ)，微情境和核心情境是關(guān)鍵，微問題串是情境與知識的橋梁。學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)由情境作出猜想，在情境中操作以獲取證據(jù)，對情境中證據(jù)和事實的分析、推理，完成對猜想的科學(xué)論證，形成知識及知識結(jié)構(gòu)。這樣的知識及其結(jié)構(gòu)就不再是孤立的，而是與情境密切關(guān)聯(lián)、富有生命力的知識結(jié)構(gòu)。

3 統(tǒng)整核心情境，促發(fā)深度學(xué)習(xí)

從知識結(jié)構(gòu)化的視角設(shè)計物理課堂教學(xué)的結(jié)構(gòu)，首先要創(chuàng)設(shè)核心情境讓學(xué)生感知體驗，在認(rèn)知沖突中形成問題，在問題解決中構(gòu)建核心知識。通過對核心知識的反思形成微問題串，在微問題解決過程中反思核心情境，對核心情境進(jìn)行建構(gòu)或物理建模形成微情境，從而促進(jìn)微問題與微情境的有效耦合，在問題解決中所形成的微知識與核心知識實現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)化（圖3）。

圖3 課堂教學(xué)的結(jié)構(gòu)

3.1 體驗微型電扇發(fā)電

教師展示微型電扇并使用，提出問題：猜想電扇里面有什么？ 學(xué)生根據(jù)之前所學(xué)，很容易判斷出里面有電動機(jī)。教師再拔下插頭，請一個學(xué)生用手指捏插頭的兩個插腳，另一個學(xué)生從慢到快地旋轉(zhuǎn)葉片，讓學(xué)生體驗輕微觸電“麻”的感覺。教師再將發(fā)光二極管連接到插頭兩個插腳上，請學(xué)生從慢到快地轉(zhuǎn)動風(fēng)扇葉片，觀察到二極管發(fā)光，且轉(zhuǎn)動越快燈越亮；斷開開關(guān)，二極管不發(fā)光。

這樣的設(shè)計不僅揭秘了“麻”的原因，還讓學(xué)生初步體驗運(yùn)動速度影響電流的大小，以及通路才可能有電，為后續(xù)探究作鋪墊。

電動機(jī)是用電器怎么會產(chǎn)生電？ 面對學(xué)生的疑惑，教師拆開微型電扇讓學(xué)生觀察其結(jié)構(gòu)，并引導(dǎo)學(xué)生分析得出引起二極管發(fā)光的電流是由線圈在磁場中轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生，教師順勢給出這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫作電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及感應(yīng)電流的概念，再從科學(xué)發(fā)展史的角度介紹法拉第持之以恒進(jìn)行“電磁感應(yīng)”的探索，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。接著追問：對于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感應(yīng)電流，還想知道哪些？ 自然引出“感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”“感應(yīng)電流的方向和大小與哪些因素有關(guān)”“感應(yīng)電流有怎樣的應(yīng)用價值”等問題。

利用微型電扇讓學(xué)生“體驗觸電”和讓“二極管發(fā)光”的核心情境，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，驅(qū)動需要揭秘的問題一個接一個的出現(xiàn)，學(xué)生在注意集中的境地中，釋解一個接一個的疑惑，形成核心知識。對核心知識的追問，又產(chǎn)生了一系列微問題需要解決。

3.2 探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

對于“導(dǎo)體在磁場中如何運(yùn)動，才會產(chǎn)生感應(yīng)電流”的問題，教師不急于提供器材讓學(xué)生按照教材的裝置進(jìn)行探究，而是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察微型風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu)和建模，在小組活動和全班交流的基礎(chǔ)上形成用線圈、導(dǎo)線、磁鐵、開關(guān)和檢流計搭建的實驗探究裝置（圖4）。接著探究導(dǎo)體如何運(yùn)動才會產(chǎn)生電流，學(xué)生經(jīng)歷各種嘗試后雖有所發(fā)現(xiàn)，但還不能將產(chǎn)生感應(yīng)電流的運(yùn)動歸結(jié)為切割磁感線運(yùn)動。教師適時展示蹄形磁體的磁感線分布圖，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流的運(yùn)動都在切割磁感線，不切割磁感線的運(yùn)動沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，所以切割磁感線是產(chǎn)生感應(yīng)電流的關(guān)鍵。最后斷開電鍵，發(fā)現(xiàn)即使切割磁感線，也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流。學(xué)生基于對實驗事實的分析，歸納、總結(jié)出感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件。

圖4 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

進(jìn)一步追問：在探究過程中還有哪些發(fā)現(xiàn)？部分同學(xué)會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體切割磁感線時電流方向有時不同，那么感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān)呢？ 學(xué)生再次實驗，確認(rèn)改變導(dǎo)體切割磁感線時的運(yùn)動方向，感應(yīng)電流的方向會改變。請學(xué)生在兩套裝置上演示，發(fā)現(xiàn)即使導(dǎo)體切割磁感線時的運(yùn)動方向相同，感應(yīng)電流的方向也不同，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)可能是磁場方向的不同造成的。通過這樣引發(fā)沖突的活動，學(xué)生能夠猜想出“感應(yīng)電流的方向與磁場方向和導(dǎo)體運(yùn)動的方向有關(guān)”，學(xué)生再次運(yùn)用控制變量的思想，進(jìn)行實驗論證。上述環(huán)節(jié)也有學(xué)生發(fā)現(xiàn)電流大小不同，從而引出探究問題：感應(yīng)電流的大小與什么因素有關(guān)呢？ 學(xué)生類比推理，猜想除了和導(dǎo)體運(yùn)動的速度大小有關(guān)，還會與磁場的強(qiáng)弱有關(guān)，并進(jìn)行實驗驗證得到結(jié)論。

在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件教學(xué)環(huán)節(jié)，主要讓學(xué)生“在不同中找相同”，不同的運(yùn)動方向，找到產(chǎn)生感應(yīng)電流的相同的運(yùn)動方式——切割磁感線；探究感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān)時，讓學(xué)生“在相同中找不同”，同樣產(chǎn)生感應(yīng)電流，但是感應(yīng)電流的方向卻不同，從而發(fā)現(xiàn)影響感應(yīng)電流方向的因素。

3.3 觀察手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電

教師介紹電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對人類文明的影響，人類社會從蒸汽時代邁向電氣時代，推動了第二次工業(yè)革命，極大地提高了生產(chǎn)力。展示當(dāng)代社會最重要的電源——發(fā)電機(jī)，介紹其基本結(jié)構(gòu)，再展示手搖發(fā)電機(jī)（圖5），讓學(xué)生觀察其構(gòu)造，并與微型電扇的結(jié)構(gòu)對比，發(fā)現(xiàn)其基本結(jié)構(gòu)相同。那么，手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電所產(chǎn)生的感應(yīng)電流有怎樣的特點呢？

圖5 手搖發(fā)電機(jī)模型

學(xué)生搖動手柄觀察發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對小燈泡亮度的影響，達(dá)成共識——燈泡隨轉(zhuǎn)速增大而變亮，進(jìn)一步增強(qiáng)對“導(dǎo)體在磁場中切割磁感線速度大，感應(yīng)電流大”的認(rèn)識。發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向變化嗎？ 將圖中的小燈泡換成電流表，緩慢地?fù)u動手柄，觀察電流表指針的變化情況，學(xué)生發(fā)現(xiàn)指針一直在“0”刻度線左右晃動，搖動越快，晃動越快，幅度也越大，表明其感應(yīng)電流的大小和方向均在周期性變化，從而介紹交變電流的概念和日常生活中的交變電流的周期。結(jié)合發(fā)電機(jī)的工作原理圖，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋為什么發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電流是交變電流。最后，介紹“電從發(fā)電廠到千家萬戶”，并從能量及其轉(zhuǎn)化的視角進(jìn)一步認(rèn)識發(fā)電機(jī)。

在觀察手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電教學(xué)環(huán)節(jié)，將發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與核心情境相匹配，學(xué)生發(fā)現(xiàn)其基本結(jié)構(gòu)相同；對交變電流的解釋中，學(xué)生綜合運(yùn)用本節(jié)所學(xué)知識內(nèi)容，有利于實現(xiàn)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)化；聯(lián)系日常生活和人類文明，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探究興趣和學(xué)習(xí)渴望。

深度學(xué)習(xí)是圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，在教師的引領(lǐng)和幫助下，對物理知識的內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層深化的學(xué)習(xí)，對具體知識知其然，并知其所以然［4］。上述的教學(xué)過程符合深度學(xué)習(xí)的要求，用核心情境和微情境推動課堂教學(xué)，學(xué)生置身于連貫、有序的物理情境中，圍繞情境提出問題、探究學(xué)習(xí)、解決問題，建立知識結(jié)構(gòu)、把握實驗探究方法、發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力，讓深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生。