顯化控制變量法的探究教學設計

摘 要：《普通高中物理課程標準（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方法的重要性。本文以“感應電流的產生條件”為例，在教材內容的基礎上，調整教學思路，顯化控制變量法在探究實驗中的運用和作用，讓學生明確產生感應電流的根本條件，強化學生的科學方法意識，提高學生的科學探究素養。

關鍵詞：科學方法教育；控制變量法；探究教學設計；感應電流的產生條件

1 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確表示高中物理課程應當引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養成科學思維習慣，增強創新意識和實踐能力。^［1］2019年人教版高中物理教材，首次在教材欄目中設置了“科學方法”欄目，在必修第一冊的“致同學們”部分指出：科學方法是物理學中常用和重要的科學思想、方法，并提醒師生更多的科學思想及方法在相應的正文和旁批中體現。^［2］科學方法教育日益受到重視，研究者早期提出的“顯化教材中的科學方法”的建議在新版人教版教材中已初步體現。

由于科學方法往往與學習內容緊密聯系在一起，很多物理科學方法還是以內隱的方式存在于教材中。為了進一步推進科學方法教育，教師需要仔細研讀教材，從中挖掘出相應的科學方法，并在教學設計中顯化出來，以便清晰地將其引入學生的意識中。基于以上思考，本文以“感應電流的產生條件”為例，嘗試在教學設計中明確展示高中階段非常重要的一種物理科學方法——控制變量法，旨在幫助學生牢固掌握并熟練運用控制變量法進行科學探究。

2 教材與學情分析

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

緊接著，教材引導學生進行探究實驗，在不切割磁感線的同時改變線圈的磁通量，發現也可以產生感應電流，故根據實驗現象總結出結論：當穿過閉合導體回路的磁通量發生變化時，閉合導體回路中就產生感應電流。^［4］

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

3 顯化控制變量法的教學設計思路

在物理學中，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了“實驗歸納法”這一物理科學方法，但控制變量法還隱含在探究實驗之中，并沒有顯化出來。基于學生的疑惑和顯化出控制變量法的目標，教師可在教學設計中補充一個實驗：讓線圈切割磁感線，保持線圈磁通量不變，觀察實驗現象。通過該實驗，學生明確磁通量變化才是產生感應電流的充要條件，而切割磁感線僅是某些磁通量變化過程中附帶的現象。在教材實驗基礎上補充相關實驗，不僅可以解開學生的疑惑，還可以通過一系列嚴謹的探究實驗設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設計思路如圖1所示。首先，教師引導學生從物理學的視角發現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計探究實驗，引導學生觀察實驗現象；最后，學生通過歸納推理得出結論。

4 教學過程

4.1 實驗導入，引發認知沖突

演示：通過控制變量法，設計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）。若三個磁體規格完全相同，則實驗時會分別出現有感應電流、無感應電流、有感應電流三種情況。

提問：同樣是導體棒切割磁感線，為何會出現不同的實驗現象？三個實驗的條件有何不同？切割磁感線是否為產生感應電流的充分條件？

設計意圖：在導體棒切割兩個規格相同的磁體的磁感線時，盡管這兩個磁體產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，不發生變化。基于這一原因，回路中不產生感應電流，而切割第一種或者第三種磁體的磁感線時，回路中磁通量會發生變化，故會產生感應電流。但學生還不知道其中的原因。

通過進行這個演示實驗，可以激起學生關于切割磁感線是否為產生感應電流的充要條件的認知沖突。

4.2 觀念引領，激發新的猜想

重新表征：將磁場、回路及導體棒平面化模型化，導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，有助于提升學生的理解和觀察。

提示：從物理學的視角觀察現象（物質、運動、能量、相互作用）。

提問1：有關磁場的物理量是否發生了變化？導體棒切割磁感線時，回路磁通量是否發生變化？

提問2：回路磁通量變化有沒有可能是感應電流的產生條件？如何驗證？

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

4.3 變量控制，自主探究

4.3.1 不切割磁感線，磁通量發生變化

教師引導學生選用如圖4或圖5所示的裝置進行實驗，并將實驗結果記錄在表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生感應電流。引導學生運用控制變量法是設計實驗的基本思路。

提問1：根據公式Ф＝BS，我們可以通過改變B或者S來改變磁通量，應選擇改變哪個？（引導學生從磁通量計算公式出發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，這達不到控制變量的目的。（引導學生選擇改變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，如何創造一個變化的磁場？（激發學生思考如何創造可以控制磁場強弱的條件）

提示：通電的螺線管有磁場，并且可以通過改變電流強弱來改變磁場強弱。

總結并提問：通過剛才的實驗我們發現“不切割磁感線，磁通量發生變化”可以產生感應電流。那“切割磁感線，磁通量不發生變化”是否可以？（總結本次實驗結論，提醒學生不要忘記繼續實驗，繼續弄清“感應電流的產生條件”）

4.3.2 磁通量不發生變化，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，不發生變化。

4.4 結果歸納，得到結論

學生通過分析歸納，將實驗的結果記錄在表3中，并分析表3中的實驗結果，從而得到實驗結論。

設計意圖：教師引導學生通過表格匯總實驗結果，從而歸納出實驗結論。這既是應用控制變量法進行探究實驗的最后一步，又體現了另外一個物理科學方法——實驗歸納法。

5 教學反思

在本文的教學設計中，控制變量法貫穿整個探究過程。教師先引導學生發現切割磁感線和磁通量變化都有可能是產生感應電流的條件。為驗證哪一個是根本條件，教師再引導學生分別控制“回路是否切割磁感線”和“回路的磁通量是否變化”兩個條件，進行了兩次探究實驗，使學生明確回路磁通量變化才是產生感應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計思路已經基本明確，然而，實驗真正的難點在于采取什么方法來達到控制變量的目的。因此，在中學物理教學中，教師除了引導學生運用控制變量法設計實驗外，還要引導學生在控制變量的過程中鍛煉發散思維和集中思維，從而提出創造性的實驗方案。

通過滲透科學方法教育的物理教學，不斷提高學生的科學探究能力，應當是今后中學物理教育的一個重要發展方向。在新版教材已經逐步凸顯科學方法的基礎上，中學物理教師可以在教學設計的過程中進一步展示重要且常用的科學方法，讓學生清晰地意識到科學方法的作用，并讓他們熟練掌握一些常用的科學方法。

參考文獻

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

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］. 北京：人民教育出版社， 2019：1.

［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.