施堅

摘要：基于學習進階的物理實驗教學，通常需要通過創(chuàng)設(shè)一系列合理的問題情境，以實驗探究活動為核心，讓師生成為“探究的共同體”，以進階的方式促進學生突破學習重難點，建構(gòu)相關(guān)概念和規(guī)律，同時培養(yǎng)學生分析、論證和科學探究的能力?！短骄扛袘娏鞯漠a(chǎn)生條件》一課教學，通過優(yōu)化實驗探究過程，引導學生推理、論證實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精練的結(jié)構(gòu)→實踐的檢驗”的學習進階。

關(guān)鍵詞：實驗探究學習進階《探究感應電流的產(chǎn)生條件》

“學習進階”，即從認識簡單、具體的現(xiàn)象逐漸演變?yōu)槔斫鈴碗s、抽象的概念或規(guī)律，呈現(xiàn)出一段時間內(nèi)學習者的思維和認知發(fā)展進程?；趯W習進階的物理實驗教學，通常需要通過創(chuàng)設(shè)一系列合理的問題情境，以實驗探究活動為核心，讓師生成為“探究的共同體”，以進階的方式促進學生突破學習重難點，建構(gòu)相關(guān)概念和規(guī)律，同時培養(yǎng)學生分析、論證和科學探究的能力。

初中階段，學生已有對感應電流的產(chǎn)生需要“閉合電路的部分導體做切割磁感線運動”的操作層面的認識。如何順利過渡、提升到高中階段“閉合回路的磁通量發(fā)生變化”這一本質(zhì)的抽象層面的歸因？教學人教版高中物理選修32《探究感應電流的產(chǎn)生條件》一課，筆者通過優(yōu)化實驗探究過程，引導學生推理、論證實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精練的結(jié)構(gòu)→實踐的檢驗”的學習進階。

一、激發(fā)認知沖突，獲得感性的表象

實驗是物理學的基礎(chǔ)，現(xiàn)象是物理規(guī)律的外在表現(xiàn)。教學中，教師可讓學生參與實驗、觀察現(xiàn)象，從基本的感官感受出發(fā)，激發(fā)認知沖突，獲得感性的表象。

（教師出示一捆數(shù)十匝的線圈，并與一個電流表連接形成閉合回路。指名一位學生上臺，請該生握拳將手穿過線圈中心，這時指針沒有偏轉(zhuǎn)，即沒有產(chǎn)生電流;教師也握拳將手穿過線圈中心，這時指針偏轉(zhuǎn)，即有電流產(chǎn)生。）

師為什么這位同學不能使線圈產(chǎn)生電流，而老師可以呢？老師有什么特別之處呢？

（學生議論紛紛，展開思考。）

師（舒展拳頭，呈現(xiàn)掌心的一塊磁鐵）看來，線圈中產(chǎn)生的電流與磁鐵有關(guān)。那么，磁在什么條件下能夠產(chǎn)生電呢？

[教師引導學生回憶初中學過的知識——簡要演示初中的切割磁感線實驗（下稱“演示實驗”，如圖1），并明確部分導體切割磁感線可以在閉合回路中產(chǎn)生感應電流。]

師不切割磁感線，能否產(chǎn)生感應電流呢？或者說感應電流產(chǎn)生的條件是什么呢？

二、引導小組合作，凝聚抽象的模型

小組合作學習是學生在實際探索中的合作學習，往往有不拘泥于教材的方法和思想火花。教師需要積極引導學生圍繞共同的問題或?qū)嵺`項目合理分工，釋放主動性，提高參與度，同心同力，凝聚抽象的模型。

師本節(jié)課，我們繼續(xù)沿著科學家的足跡，通過實驗來探究感應電流產(chǎn)生的條件。你覺得這個探究實驗需要哪些器材？

生磁鐵、線圈、靈敏電流計、導線若干。

師磁鐵的主要作用是提供磁場，可以是條形磁鐵或馬蹄形磁鐵。那么，一定需要磁鐵才能產(chǎn)生磁場嗎？

生還可以是通電導線或者螺線管。

師通電螺線管周圍會產(chǎn)生磁場。為了增強磁性，實驗中可以在螺線管中插入一根鐵芯。改變通電電流的大小可以改變其產(chǎn)生的磁場的強弱。請各小組根據(jù)提供的實驗器材，自主設(shè)計實驗方案，合作探究。

（課前把全班分成3個大組，每個大組內(nèi)再3人組成1個小組，其中，2人配合完成實驗操作，1人負責觀察和記錄。第1大組的實驗器材如圖2所示，有大螺線管、條形磁鐵、電流計、導線若干;第2大組的實驗器材如圖3所示，有電源、開關(guān)、滑動變阻器、大螺線管、含有一根鐵芯的小螺線管、電流計、導線若干;第3大組的實驗器材如下頁圖4所示，有小線圈、兩塊平行的薄磁體、電流計、導線若干。實驗探究后每個大組內(nèi)集體討論總結(jié)出產(chǎn)生感應電流的條件。教師行間指導。3個大組分別派代表講述觀察到的實驗現(xiàn)象和討論出的實驗結(jié)論。）

生（第1大組）將大螺線管和電流表相連，組成閉合回路，示意圖如圖5。（小組另一個學生同步操作）（1）插入磁鐵，有感應電流產(chǎn)生;（2）磁鐵在大螺線管中保持不動，沒有感應電流;（3）拔出磁鐵，有感應電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：當磁鐵插入或抽出螺線管時，即磁鐵和螺線管之間發(fā)生相對運動時，螺線管所在的閉合電路中有感應電流產(chǎn)生。

生（第2大組）將小螺線管、滑動變阻器和開關(guān)連接到電源上構(gòu)成一個閉合回路，大螺線管連接到電流表上也構(gòu)成一個回路，示意圖如圖6。（小組另一個學生同步操作）（1）閉合和斷開開關(guān)，有感應電流產(chǎn)生;（2）快速移動滑動變阻器，有感應電流產(chǎn)生;（3）插拔鐵芯，有感應電流產(chǎn)生;（4）插拔小螺線管，有感應電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：當開關(guān)閉合、開關(guān)斷開或滑動變阻器的滑片移動時，即小螺線管中的電流發(fā)生變化時，大螺線管所在的閉合電路中有感應電流產(chǎn)生;而當插拔鐵芯或小螺線管時，仍是和大螺線管形成相對運動，同樣大螺線管所在的閉合電路中有感應電流產(chǎn)生。

生（第3大組）將小線圈與電流計連接構(gòu)成一個閉合回路，放入兩塊薄磁鐵之間，示意圖如圖7。（小組另一個學生同步操作）（1）線圈在磁場中上下運動，無感應電流產(chǎn)生;（2）線圈在磁場中左右運動，無感應電流產(chǎn)生;（3）線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，有感應電流產(chǎn)生;（4）線圈進出磁場，有感應電流產(chǎn)生。我們討論出的結(jié)論是：進出磁場改變了線圈在磁場中的面積，而在磁場中轉(zhuǎn)動改變了線圈與磁場的角度，均可以產(chǎn)生感應電流。

3類小組合作探究實驗可以讓學生充分經(jīng)歷方案設(shè)計、實驗操作、現(xiàn)象記錄、結(jié)論總結(jié)、分享交流等過程，學生在這樣相對簡單的電路設(shè)計和操作中更能訓練自己的動手能力和故障排除能力。比如，電路連接時某個接頭松動了，學生不能就此停止研究，而要積極尋求故障的原因;而且尋找的過程中，要有明確的分工，一個人連接電路，另外一個人負責檢查。這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)故障，提高實驗探究的效率。

三、鋪設(shè)“求簡”路徑，達成精練的結(jié)構(gòu)

物理學與其他許多自然科學相比最顯著的不同就是，追求的不是“多”而是“少”，即不是從不同的現(xiàn)象中收集一大堆“原理”和“知識點”（雖然這件事本身也很有價值，也是物理學追求真正目標的前提），而是探尋它們背后隱藏的相同且最簡單的規(guī)律。

師上述4個實驗都能使閉合回路中產(chǎn)生感應電流，（出示表1）但是對應方式概括起來有4種，僅比法拉第總結(jié)的5種“變化和運動”少了一種。我們能否概括出現(xiàn)象背后的本質(zhì)規(guī)律，尋找“產(chǎn)生感應電流的條件”的一種簡單而統(tǒng)一的描述呢？

法拉第總結(jié)的5種“變化和運動”變化的電流變化的磁場運動的電流運動的磁鐵運動的導體由課堂實驗總結(jié)出的4種方式演示實驗導體切割第1大組磁鐵和線圈（螺線管）磁感線相對運動第2大組小線圈（螺線管）內(nèi)電流變化第3大組小線圈垂直磁場的面積變化師這一章學習的核心內(nèi)容是“磁生電”，我們不妨先嘗試把尋找簡單而統(tǒng)一的描述聚焦在“磁”上。首先，在第1大組的實驗中，條形磁鐵與線圈相對運動的過程中，線圈有時離磁極比較近，有時比較遠，從磁的角度來看，哪個物理量發(fā)生了變化？

生線圈內(nèi)磁感應強度B發(fā)生了變化。

（教師課件展示條形磁鐵插拔時穿過線圈的磁感線模型，如圖8。）

師在第2大組的實驗中，當開關(guān)閉合、開關(guān)斷開或滑動變阻器的滑片移動時，小線圈中的電流發(fā)生變化，又是哪個物理量發(fā)生了變化？

生也是磁感應強度B發(fā)生了變化。

（教師課件展示小線圈中的電流發(fā)生變化時穿過大線圈的磁感線模型，如圖9。）

師在第3大組的實驗中，小線圈在進出磁場（垂直或斜著）或在磁場中轉(zhuǎn)動的過程中，均可以產(chǎn)生感應電流，是哪個物理量發(fā)生了變化？

生線圈的面積其實并沒有變化，但是線圈垂直磁場的面積在變化，即有效面積在變化。

（教師同步Flash動畫演示。）

師（出示圖10）為了研究方便，演示實驗可以畫成如圖所示的示意圖，導體棒在勻強磁場中切割磁感線時，哪個物理量發(fā)生了變化？

生當導體棒切割磁感線時，閉合回路在磁場中的有效面積發(fā)生了變化;而導體棒平行磁感線方向移動時，有效面積變化量始終為零。

師通過上述4個實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)，磁感應強度B和有效面積S只要有一個變化，閉合回路中就會產(chǎn)生感應電流。那么，如果B變化，S也變化，會不會產(chǎn)生感應電流呢？

生會。

生不會。

師究竟會不會產(chǎn)生感應電流，我們還是通過實驗來探究。我們可以在平板電腦上模擬出一個圓柱形磁鐵磁感線的分布情況（出示圖11），然后根據(jù)磁感線的分布利用車床車出一個喇叭口木模型，并在其上放置一個圓柱形磁鐵，接著將靈敏電流計和兩根長導線組成一個閉合回路（出示實物并完成操作，如圖12所示）。若一個線圈從圖中的位置1平移到位置2，我們可以看到：距離磁鐵越遠，磁場越弱，而面積越大;距離磁鐵越近，磁場越強，而面積越小。那么，線圈中會不會產(chǎn)生電流呢？（演示實驗）線圈套入的過程中，電流計指針偏轉(zhuǎn)了，說明電路是通的，這一過程類似于線圈和磁鐵的相對運動。

（教師繼續(xù)演示實驗：把套在喇叭口木模型上的線圈用手扣緊盡量成閉合圓形，并逐漸從位置1開始平移至位置2，讓學生觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況。）

生電流計指針沒有偏轉(zhuǎn)！

師這一現(xiàn)象說明——

生這個過程中，并沒有感應電流產(chǎn)生。

師上述過程中，B變化了，S也變化了，并沒有產(chǎn)生感應電流。這說明感應電流的產(chǎn)生條件不應該把B與S割裂開來，而必須將B與S看成一個整體。那么，我們曾經(jīng)學過的哪個物理量既與B有關(guān)又與S有關(guān)呢？

生磁通量Φ。

（教師PPT展示引導學生回憶：磁通量Φ=BS，成立條件B⊥S，而且磁通量可通過穿過線圈的磁感線條數(shù)來理解。）

師剛才的實驗，將線圈從位置1平移到位置2的過程中，穿過線圈的磁感線條數(shù)有沒有變化？磁通量有沒有變化？能得出什么結(jié)論？

生沒有變化。

生當磁通量不變的時候，不會產(chǎn)生感應電流。

師所以，我們得到了“產(chǎn)生感應電流的條件”的第5種表述方式——穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化。

（教師引導學生運用第5種表述解釋前4個實驗，即第1、2大組均是S不變、B變化，導致磁通量變化;第3大組和演示實驗均是B不變、S變化，導致磁通量變化。）

師至此，我們得到了“感應電流產(chǎn)生的條件”的簡單而統(tǒng)一的表述：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，就會產(chǎn)生感應電流。

從法拉第的5種“變化和運動”的表述，到由4個實驗得到的4種 “類變化和運動”的表述，學生已目睹和概括了10余種簡單而具體的實驗現(xiàn)象，所以發(fā)現(xiàn)和歸納探究過程背后更為本質(zhì)的規(guī)律成為思維和認知進階的關(guān)鍵。而后續(xù)的實驗和教學引導都在鋪設(shè)“求簡”路徑，顯化本質(zhì)的規(guī)律，助力學生搭建精練的知識結(jié)構(gòu)。

四、解決實際問題，接受實踐的檢驗

教師在教學中應注重引導學生認識到：生產(chǎn)生活中的高新技術(shù)、高科技產(chǎn)品都源自基本自然科學原理的發(fā)展，是在“傳承”基礎(chǔ)上的“發(fā)展”。因此，教師應引導學生應用學過的物理知識和規(guī)律去解決生活中的實際問題，接受實踐的檢驗。這也是一種對“物理源于生活，服務于生活”課程理念的滲透。

（一）“手插發(fā)電”實驗原理解釋

師運用剛才總結(jié)的條件，請同學們來解釋一下：本課一開始的實驗中，為什么老師可以產(chǎn)生感應電流，而那位同學不可以？

生老師手里的磁鐵通過線圈的時候，線圈里面的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應電流。

（二）“搖繩發(fā)電”實驗檢測地磁場的存在

師利用本節(jié)課所學的知識能否設(shè)計一個簡單的實驗方案，來檢測一下地磁場的存在？

生用長導線和電流表連成閉合回路，然后想辦法讓閉合回路中的地磁場磁通量發(fā)生變化。

生可將導線綁在一根長繩上，然后搖動長繩。

師（出示圖13）這個場景能否在本節(jié)課中找到模型？

生和閉合電路中的部分導體在磁場中切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流相類似。

師搖繩時，東西方向站立和南北方向站立哪個發(fā)電效果更好些？

生地磁場是南北方向的，應該東西方向站立。

（教師提供長導線，綁在長繩上，與電流傳感器組成閉合回路，請兩名學生東西向站立在教室外走廊里搖繩，得到如圖14所示的It圖像。）

學生通過對這兩個生活問題的解決，不但能夠鞏固本節(jié)課所學的內(nèi)容，還對物理模型的類比有了更為清晰的認識。依托解決實際問題的教學實踐更能讓學生主動思考，提升他們的學習能力。

基于學習進階的物理教學，要培養(yǎng)學生成為擁有“主體性覺悟”的“探究者”，即通過探究活動的實施，讓師生成為“探究的共同體”，依托小組合作，提高學習參與度和學習效率，進而完成思維和認知的進階。本節(jié)課通過演示實驗和探究實驗來引發(fā)學生的認知沖突，引導學生分析背后的原因，從具體到抽象，實現(xiàn)物理邏輯思維的連貫性和進階性。在學習活動中，不斷重復“描述實驗現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—解釋原因”的科學研究三環(huán)節(jié)，幫助學生認知從現(xiàn)象走向本質(zhì)。

*本文系江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃立項課題“全面落實立德樹人的普通高中高質(zhì)量發(fā)展研究”（編號：D/2020/02/164）和中國教育科學研究院STEM教育研究中心課題“STEM實驗教學情境校本開發(fā)與課堂實施策略研究”（編號：2019STEM022）的階段性研究成果。

參考文獻：

[1] 孫春成，徐凌峰.“感應電流產(chǎn)生條件演示儀”的制作與運用[J].物理通報，2018（2）.

[2] 周革潤.基于物理核心素養(yǎng)下的學習進階的教學設(shè)計——以“探究感應電流的產(chǎn)生條件”為例[J].物理教師，2019（5）.