【摘 要】具身認知理論強調(diào)身體不僅僅是接收器和響應(yīng)器，同時也是認知的一部分，認知是大腦、身體與環(huán)境相互作用的結(jié)果。如何使高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)落地轉(zhuǎn)化，具身理論為我們提供了新的視角。以高中物理“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)為例，探討在具身認知理論框架下如何創(chuàng)設(shè)情境，貼近學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，增強情緒感受，構(gòu)成一個由“大腦—身體—環(huán)境”組成的耦合系統(tǒng)，讓學(xué)生體驗身心一體的科學(xué)探究過程。

【關(guān)鍵詞】具身認知理論；核心素養(yǎng)；科學(xué)探究

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標(biāo)志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2022）83-0075-06

【作者簡介】戴加成，江蘇省南菁高級中學(xué)（江蘇江陰，214400）副校長，正高級教師，江蘇省物理特級教師，無錫市學(xué)科帶頭人。

認知源于“身體”，個體的認知發(fā)展離不開“身體”的參與。學(xué)習(xí)過程不是一種可以“離身”的精神訓(xùn)練，而是需要“身體”積極參與的，是“具身”的?！吧眢w”是知覺的中心，在“身體”的幫助下學(xué)生能夠感知課堂上各種各樣的事物和變化，認知是大腦、身體與環(huán)境相互作用的結(jié)果。

物理學(xué)科四大核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，學(xué)生可以通過科學(xué)探究形成物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、提升科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。由此可見，科學(xué)探究是培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的抓手。教學(xué)中教師如何創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)和支持學(xué)生進行科學(xué)探究，是課堂教學(xué)中需要關(guān)注的重點，具身理論為我們提供了新的視角。

下面，筆者以高中物理“法拉第電磁感應(yīng)定律”一課為例，分別從背景分析、設(shè)計思路、實施過程、評價反思等方面來探討教學(xué)過程中如何創(chuàng)設(shè)具身性的情境，進行具身認知視域下的科學(xué)探究，讓學(xué)生體驗身心一體的科學(xué)探究過程。

一、背景分析及教學(xué)設(shè)計思路

1.教學(xué)內(nèi)容分析

“法拉第電磁感應(yīng)定律”是高中物理人教版選擇性必修第二冊第二章第二節(jié)的內(nèi)容，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的核心內(nèi)容。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以加深對磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率等知識點的理解，為后續(xù)學(xué)習(xí)渦流、交流電等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

2.學(xué)情分析

根據(jù)教材內(nèi)容，在學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律之前，學(xué)生剛通過實驗探究了感應(yīng)電流的方向和磁通量的變化之間的關(guān)系，得出了楞次定律。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)課再研究感應(yīng)電動勢和磁通量變化率之間的關(guān)系，從感應(yīng)電流深入到感應(yīng)電動勢，從磁通量的變化深入到磁通量變化率，從定性探究深入到定量探究，對學(xué)生提出了更高的要求。這也是教學(xué)的難點，需要合理設(shè)計教學(xué)、搭建支架、分解難點，幫助學(xué)生理解并掌握法拉第電磁感應(yīng)定律。

3.設(shè)計思路

直接用實驗來探究法拉第電磁感應(yīng)定律對中學(xué)生而言有一定的難度，為增強學(xué)生的切身體驗和實踐感受，可以用實驗來驗證法拉第電磁感應(yīng)定律，這樣更符合學(xué)生認知水平，貼近學(xué)生最近發(fā)展區(qū)。同時，實驗驗證的過程包括“問題、證據(jù)、解釋和交流”等科學(xué)探究的元素，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。然而，在中學(xué)階段直接通過實驗來確定感應(yīng)電動勢和磁通量的變化率之間的定量關(guān)系很困難，所以在教學(xué)時可以通過變換法拉第電磁感應(yīng)定律的表達式來間接驗證，這符合具身性原則。

二、教學(xué)實施過程

1.提出問題

師：同學(xué)們，上一節(jié)課我們已經(jīng)通過實驗探究學(xué)習(xí)了楞次定律。實驗時我們發(fā)現(xiàn)，電表的指針除了偏轉(zhuǎn)方向不同以外，偏轉(zhuǎn)角度也不一樣，這說明產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小也不一樣。那么感應(yīng)電流的大小和哪些因素有關(guān)呢？請大家通過實驗來定性分析并大膽猜想它們之間可能是什么關(guān)系。

生：向線圈中插入或拔出條形磁鐵，發(fā)現(xiàn)插拔速度越快，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。插拔速度越快，磁通量變化越快，即磁通量的變化率越大，說明感應(yīng)電流大小和磁通量的變化率有關(guān)，很可能成正比。

【具身分析】本環(huán)節(jié)的教學(xué)從上一節(jié)課實驗探究感應(yīng)電流方向和磁通量變化之間的關(guān)系，自然過渡到研究感應(yīng)電流的大小和哪些因素有關(guān)，學(xué)生能夠自然地調(diào)動已有的知識來探索新的問題。依據(jù)實驗現(xiàn)象，學(xué)生憑直覺很容易說出感應(yīng)電流大小和磁通量的變化率成正比。此時，教師可以鼓勵學(xué)生勇于突破、大膽猜想，再引導(dǎo)學(xué)生小心求證。

2.講述結(jié)論

師：這個猜想很大膽，也很吸引人。我們進一步分析這個電路，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，說明電路中有電源，哪部分相當(dāng)于電源呢？

生：線圈就是這個電源。

師：對！它的電動勢是由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的，叫作感應(yīng)電動勢。德國物理學(xué)家紐曼、韋伯在對理論和實驗資料進行嚴格分析后，提出“閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小和穿過這一電路的磁通量變化率成正比”這一結(jié)論。因英國科學(xué)家法拉第對電磁感應(yīng)現(xiàn)象貢獻巨大，后人稱之為法拉第電磁感應(yīng)定律，表達式是Ｅ＝ΔΦ/Δt。

【具身分析】本環(huán)節(jié)教學(xué)中對于感應(yīng)電動勢只是稍做說明，沒有深入介紹，這部分內(nèi)容可以在下一節(jié)課“動生電動勢”中詳細解釋，這樣的教學(xué)設(shè)計可以讓學(xué)生的精力集中在探究感應(yīng)電動勢和磁通量的變化率的關(guān)系上，更利于探究活動的開展。在中學(xué)階段，通過實驗得出法拉第電磁感應(yīng)定律很難實現(xiàn)，所以筆者沒有按照科學(xué)探究的一般流程來組織教學(xué)，而是采用教師講述的方式，結(jié)合物理學(xué)史講解法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容，然后再通過實驗來驗證法拉第電磁感應(yīng)定律，這樣的設(shè)計更貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

3.實驗驗證

（1）方案設(shè)計

師：這個結(jié)論的得出基于當(dāng)時的理論和實驗資料，這種從有限的事實推導(dǎo)得出一般性結(jié)論的方法叫歸納推理。得出結(jié)論后，科學(xué)家們還會通過實驗來證明或證偽，物理學(xué)就是在這個過程中不斷向前發(fā)展的。下面請大家嘗試著設(shè)計一個實驗來驗證法拉第電磁感應(yīng)定律，并交流、評估你們的方案。（實驗設(shè)備見圖1）

學(xué)生方案1：每次把磁鐵從線圈中同一位置拔到同一高度，這樣每次穿過線圈的磁通量的變化量相同，拔出的速度越快，所用時間越短，磁通量的變化率越大，感應(yīng)電動勢越大。

學(xué)生方案2：把磁鐵從不同高度靜止釋放穿過線圈，確保穿過線圈的過程中磁通量的變化量相同。忽略空氣和電磁阻力，磁鐵近似自由落體，可以計算出磁鐵經(jīng)過線圈時的速度，把這個速度看作磁鐵穿過線圈的速度，線圈寬度恒定，則穿過線圈所用時間和速度成反比。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以得出感應(yīng)電動勢和速度成正比，這樣就不需要直接測量時間了。

生：方案1實際操作時，拔到同一位置不好控制，時間也無法測量，所以我們建議采用方案2。

師：請大家看課本上《做一做》欄目提供的方案，正是大家設(shè)計的方案2。

【具身分析】課前筆者為學(xué)生準備了線圈、電流表、電壓表、強磁鐵和米尺，提出問題后學(xué)生分組討論設(shè)計方案，學(xué)生在電學(xué)實驗氛圍濃郁的情境中時而獨立思考，時而互動交流，有時一籌莫展，有時欣喜若狂，沉浸在身心一體的探究世界里。在米尺的幫助下學(xué)生聯(lián)想到自由落體運動，設(shè)計出方案2。米尺的出現(xiàn)有利于激活學(xué)生思維，使學(xué)生調(diào)動已有的知識經(jīng)驗解決問題，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）進行實驗

師：請大家按照設(shè)計的方案進行實驗并交流體會。

生：用電壓表讀不出磁鐵穿過線圈時產(chǎn)生的電動勢。

師：磁鐵穿過線圈時產(chǎn)生的電動勢用電壓表確實不易讀出，我們可以用DIS電壓傳感器來測量電壓，以時間為橫坐標(biāo)、電壓值為縱坐標(biāo)，可以描繪出感應(yīng)電動勢隨時間變化的曲線。請大家再次實驗。

【具身分析】使用DIS電壓傳感器解決問題的新方法拓寬了學(xué)生視野，拓展了學(xué)生認知的客觀情境。

生：為方便計算，不妨將線圈分別套在距離管口10厘米、40厘米和90厘米的地方，讓磁體從管口自由釋放，利用電壓傳感器和計算機描繪出感應(yīng)電動勢隨時間變化的曲線。（見圖2）

師：如何根據(jù)感應(yīng)電動勢隨時間變化的曲線，確定磁鐵分別下落10厘米、40厘米和90厘米時對應(yīng)的電壓值呢？

生：將圖線的峰值即感應(yīng)電動勢的最大值作為磁體穿過線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，記錄數(shù)據(jù)。

師：請大家分析表1中的數(shù)據(jù)，并進行交流。

生：由自由落體運動規(guī)律易得磁體分別下落10厘米、40厘米和90厘米時，對應(yīng)的速度比為1∶2∶3，測出的感應(yīng)電動勢之比也應(yīng)該為1∶2∶3，但根據(jù)表中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)磁體穿過線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不滿足1∶2∶3的關(guān)系。

師：我們發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果和預(yù)設(shè)不符，這是為什么呢？請大家對照電動勢隨時間變化的曲線，結(jié)合磁體運動的過程，分析原因。

生：磁體從開始下落到穿越線圈的過程中磁通量的變化和感應(yīng)電動勢的變化情況如下。如圖3，從A點開始，線圈中開始有感應(yīng)電動勢，穿過線圈的磁通量從0開始增加，磁通量的變化率越大，對應(yīng)的感應(yīng)電動勢也越大，在C點電動勢達到峰值。接著磁通量的變化率開始減小，對應(yīng)的感應(yīng)電動勢也變小，但磁通量還在不斷增加。在電動勢為0的瞬間，磁通量最大，此時磁體恰好經(jīng)過線圈中心，對應(yīng)圖3中的B點，接下來磁通量開始減小，線圈中產(chǎn)生和剛才相反的電動勢。圖3中的A、B、C位置對應(yīng)圖4中的A'、B'、C'的位置，電動勢最大的位置是圖4中C'點，這個位置在線圈上方某處，所以在不同次數(shù)的實驗中，它們離開管口的距離分別小于10厘米、40厘米和90厘米。

師：對，磁體在穿過線圈時，感應(yīng)電動勢不是最大值，而是0。感應(yīng)電動勢最大的位置應(yīng)該在線圈上方某個位置，但這個位置并不容易確定?？磥韺嶒灧桨高€需改進，或許還需要重新制定實驗方案。

【具身分析】學(xué)生一開始認為磁體穿過線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大，這是有問題的。但教師不必馬上糾正，等到收集完實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)不符合預(yù)期，產(chǎn)生認知沖突，從而積極主動地思考，大腦、身體和環(huán)境相互作用，深化學(xué)生對磁通量、磁通量的變化、磁通量的變化率和感應(yīng)電動勢的認識，促進物理觀念的形成。

（3）方案優(yōu)化

師：我們在研究勻變速直線運動的位移和速度關(guān)系時，用圖5所示的方法來求運動過程中的位移，能用類似的方法來驗證法拉第電磁感應(yīng)定律嗎？剛才我們描繪的感應(yīng)電動勢隨時間變化的曲線（見圖3）所包圍的面積表示什么呢？請大家分組討論并分享你的觀點。

生：如下頁圖6，假設(shè)從線圈中開始有感應(yīng)電動勢到感應(yīng)電動勢再次為0這一過程所用時間為t，我們可以把時間t分成若干份，每份為Δt_i，這段極短時間對應(yīng)的電動勢為E_i，磁通量的變化量為ΔΦ_i，若法拉第電磁感應(yīng)定律即Ｅ＝ΔΦ/Δt成立，則可以得到Ei·Δ t_i＝ΔΦ_i。此表達式說明圖6中曲線和兩條細線與時間軸所包圍的面積表示Δt_i這一極短時間內(nèi)磁通量的變化量。把0到t這段時間內(nèi)的所有這些面積累加起來，可得圖中曲線所包圍的面積等于0到t這段時間內(nèi)的磁通量的變化量。

【具身分析】利用圖片喚起舊知——計算勻變速直線運動的位移。在此情境下，學(xué)生可以積極調(diào)動已有知識，深入思考“感應(yīng)電動勢-時間”曲線所包圍的面積表示什么物理量。學(xué)生經(jīng)過互動討論、相互啟發(fā)、不斷嘗試，切身體驗探索過程的艱辛和取得突破的喜悅，這樣的情緒體驗讓學(xué)生獲得豐富的感性認識，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，完成知識的建構(gòu)。

（4）再次實驗

師：從線圈上方不同高度釋放磁體，每次磁體穿過線圈的速度不同，產(chǎn)生的電動勢不同，借助傳感器描繪出的曲線也不相同，但如果法拉第電磁感應(yīng)定律成立，則不同曲線包圍的面積應(yīng)該相同，若能通過實驗證明不同曲線包圍的面積相同，則可間接證明感應(yīng)電動勢大小和磁通量的變化率成正比，法拉第電磁感應(yīng)定律成立。請大家通過實驗來驗證。

生：從線圈上方不同高度釋放磁體，借助傳感器和計算機描繪出瞬時電動勢隨時間變化的圖像。

師：實驗軟件能直接計算出曲線所包圍的面積，以“積分值”呈現(xiàn)，如圖7。請大家多次實驗并將數(shù)據(jù)記錄在下表中。

【具身分析】使用積分的方法拓寬了學(xué)生視野，拓展了學(xué)生認知的客觀情境。實驗過程中，每次積分值出來前，學(xué)生都全神貫注、充滿期待。這個過程中學(xué)生的大腦、身體與情境之間緊密互動，有利于對知識的內(nèi)化和認知的建構(gòu)。

（5）得出結(jié)論

生：由表2中的數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，積分值相同，不同的曲線包圍的面積相同，即磁通量的變化量相同，法拉第電磁感應(yīng)定律成立。

師：我們還忽略了一個問題，實驗中使用的線圈不止一匝，穿過每一匝線圈的磁通量相同，磁通量的變化率也相同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，這一個個線圈相當(dāng)于一個個小電源，它們之間處于什么關(guān)系？

生：串聯(lián)。

師：對，所以法拉第電磁感應(yīng)定律可以表示為Ｅ＝nΔΦ/Δt。

三、評價反思

1.發(fā)揮教師主導(dǎo)作用

本次教學(xué)過程以具身認知理論為指引，將科學(xué)探究貫穿整個課堂。筆者在課前充分了解學(xué)生學(xué)情，在具身認知視域下精心設(shè)計教學(xué)過程，為學(xué)生鋪設(shè)符合其認知規(guī)律的探究路徑。當(dāng)下，由于特別強調(diào)學(xué)生的主體性，注重對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，往往又會忽視教師的主導(dǎo)作用。其實，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)也好、自主探究也罷，并不意味著教師可以不聞不問。相反，在關(guān)鍵時刻教師要充分發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，在教學(xué)關(guān)鍵之處給學(xué)生以引導(dǎo)和幫助。如本節(jié)課提供的米尺、DIS實驗器材等都是教師在關(guān)鍵時刻給予學(xué)生學(xué)習(xí)的必要支架。

2.凸顯學(xué)生主體地位

學(xué)生是進行科學(xué)探究活動的主體，本節(jié)課充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性、積極性，學(xué)生在探究過程中擁有良好的心靈感受和具身體驗。本節(jié)課一開始就從學(xué)生已有的知識引入，這樣學(xué)生可以迅速進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，在設(shè)計方案時小組內(nèi)積極互動，充分表達各自的觀點；學(xué)生利用教師提供的儀器，調(diào)動已有知識，積極主動地嘗試各種實驗操作，構(gòu)成了一個由“大腦—身體—環(huán)境”組成的耦合系統(tǒng)；在探究過程中不斷優(yōu)化實驗方案，學(xué)生經(jīng)歷了第一次實驗數(shù)據(jù)和預(yù)期不一致的失望，也經(jīng)歷了最后三次積分值和預(yù)期完美吻合的喜悅。整個過程中學(xué)生擁有積極的情緒感受，沉浸式地體驗了身心一體的科學(xué)探究。

3.創(chuàng)設(shè)具身性的教學(xué)情境

新的高考評價體系明確指出高考命題要以情境為載體來考查學(xué)生的核心素養(yǎng)，這為高中教學(xué)指明了方向——課堂教學(xué)要注重情境的創(chuàng)設(shè)。本節(jié)課依據(jù)具身認知理論，對教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計，通過提供實驗器材、展示圖片、講述物理學(xué)史等方式創(chuàng)設(shè)情境，在教學(xué)活動中發(fā)揮身體在認知過程中的作用，有利于學(xué)生在原有認知經(jīng)驗的基礎(chǔ)上通過身體和環(huán)境之間的交互產(chǎn)生感知與經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生主動獲得、理解、掌握并應(yīng)用知識。在具身性的情境下進行科學(xué)探究能夠“點燃”學(xué)生對科學(xué)的好奇之心，對于學(xué)生形成物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、提升科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有著積極的影響，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)落地轉(zhuǎn)化的有效途徑。但在具體實踐中并非所有教學(xué)內(nèi)容都符合具身性設(shè)計的要求，教師在具體實施的過程中要加以篩選和甄別。

【參考文獻】

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