巧设实验主线 凸显学科教学的“物理味”——“探究感应电流产生的条件”展示课回眸

曹 会 张 飞

（江苏省外国语学校，江苏 苏州 215104）

1 问题提出

“物理学本质”应是“物理味”的核心元素.物理学本质的教学是一个国际前沿性教育课题.在物理课堂教学中，应树立以物理学本质为灵魂的物理教育新理念，切实加强物理学本质在物理教学中的渗透，避免仅以追逐成绩为唯一目的的应试教育模式，以提高物理真正的教育质量.美国麻省理工学院弗里奇教授提出：“科学的本质就是观察和探究我们周围的世界，试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式.物理学是科学的一部分，主要研究无生命的世界，而且力图确认最基本的原理和统一的规律.［1］”“物理学的另一个本质特征——依靠直接的观察和实验.［1］”由此可见，观察和实验是以“物”明“理”的重要途径，也是物理学本质教学的重要方式.“物理学本质的另一个重要方面：在这一学科发展的某一特定阶段接受了某个经过检验的假设，但随后这些假设总是有待修正.［1］”所以，不断的观察和实验并认真探索才能以“物”揭示“理”的真谛.换言之，求真是物理学本质，也应是物理教育的一种行为.

本文是笔者以实验为主线进行物理学本质的教学的一次尝试，在“苏州市名师共同体”活动中进行展示，获得听课专家的较高评价，一致认为这堂课具有十足的“物理味”.

2 案例呈现及评估

2.1 “制造冲突”——引发悬疑

师：同学们，要把播放器中播放的音乐传送到音箱中播放出来，可采取怎样的办法？

生：用音频线直接连接起来.师：如果不直接相连行不行呢？（学生怀疑摇头否定）师：我们来玩一个魔术（如图1所示），我用一只小螺线管与播放器相连，再用一只大螺线管直接和音箱相连.

图1

师：看好了，见证奇迹的时刻就要到了，（把小螺线管插入大螺线管中，音乐响起，学生很惊讶）这对大小螺线管之间究竟发生了怎样的物理现象？

生：电磁感应.

师：也就是出现了“磁生电”的现象，大螺线管中产生了感应电流？（学生肯定）

师：初中我们已经学过感应电流产生的条件是？

生：切割磁感线，产生感应电流（如图2所示）.

师：完整的说应该是闭合电路的部分导体切割磁感线产生感应电流.

板书：实验1（闭合电路部分导体）切割则有，不切割则无

师：用这一切割理论能否解释大螺线管中产生的感应电流呢？没切割怎么会产生感应电流呢？为了弄清楚这个问题，咱们今天有必要再通过其它的实验装置来进一步探究感应电流产生的条件.

板书：探究感应电流产生的条件.

环节评估：我国学者钟启泉教授指出：“实验是在学习者的面前引起日常生活中不可能经历到的现象.违背学习者常识的实验结果，将造成学习者意识中的认知失衡状态，摆脱这种认知矛盾状态求得解放的需求，就成了学习的动机.”课堂教学中有意设计冲突，就会引起认知心理上的不平衡，引起学生的有意注意，调动学生的认知内驱力，以促进学生积极、高效的认知建构.［2］

此环节用动听的音乐生成自制实验装置，实验器材取材方便、形式活泼，其现象与初中原有认知形成强烈冲突，打破原有对“感应电流产生条件”认知心理平衡.从情感角度产生了“一石激起千层浪”的效果，唤起学生的探究欲望，开启了学生探究意愿的“闸门”；从认知的角度为本堂课的思维活动提供了一个“支点”，运用学生原有的认知及科学探究的方法和能力“撬动”感应电流产生条件的未知领域.

图2

2.2 “对比实验”——初见端倪

图3

师：我们来看这个实验装置（如图3所示），请把你将要观察到的现象记录在表格中，并讨论能得到怎样的结论？

演示：磁铁插入、拔出、不动.

生：（讨论一段时间后汇报）只要磁铁和螺线管之间发生相对运动就会产生感应电流.

板书：实验2（相对）运动则有不运动则无.

师：除了插入和拔出，其他形式的运动能否也产生感应电流呢？比如在螺线管外面运动，在里面晃动等，你也可以利用实验桌上的现有仪器来做一做，（学生发现没有条形磁铁）可不可以做一个电磁铁来代替条形磁铁.（此环节起到承上启下的作用，为下一个实验做准备）

生：（教师适时指导接入开关和滑动变阻器，学生完成这个实验后汇报）只要相对运动就会有感应电流产生.

图4

师：研究两个结论发现，无论切割还是相对运动，都需要运动，难道只有运动才会产生感应电流吗？你可以利用刚才的电路试一试，并把你的重大发现完整记录在表格中.

生：我们发现开关断开和闭合瞬间有感应电流产生，移动滑动变阻器过程中也有，稳定状态时没有.

师：（及时鼓励表扬）你们的这个发现就是当年法拉第花了十年的功夫才发现的.你能否进一步思考，这里没有发生相对运动，是什么原因使大螺线管中产生了感应电流呢？

生：只要小螺线管中电流发生变化就会在大螺线管中产生感应电流.

板书：实验3（原电流）变化则有不变化则无.

师：我们还可以把小螺线管中铁芯拿出来观察发生什么现象，（学生尝试，有）这又是什么原因造成的呢？

师：（学生若不能得到正确解释，投影模拟动画启发，如图5所示）相对运动、改变电流、电流不改变（拔出铁芯）均会有感应电流产生，我们有必要思考以上实验和结论在本质上有无相似之处？

图5

生：（观察、思考、讨论）我们认为这两个实验都揭示引起感应电流的本质：磁场发生了变化.

板书：实验2、3（磁场）变化则有不变化则无.

环节评估：对比研究是科学研究的一般方法，是把客观事物加以比较，寻求其同中之异或异中之同的研究方法，以达到认识事物的本质和规律并做出正确的评价.归纳则是运用个别走向一般的思维方式，把具体个别的事物分别加以综合，从而获得一般结论的方法.对比归纳法综合运用，可以找出事物的相同点和不同点，把零散的、不成系统的知识系统化、理论化.

本环节对两个实验现象进行对比，发现一“动”一“静”的表面现象不同，运用“模拟磁感线”进行进一步对比归纳研究，使磁场变化的本质“自然浮出水面”.

2.3 “乘胜追击”——全线突破

师：螺线管中有感应电流产生，磁场变化应是个外部因素，我们可不可以改变线圈自身因素来实现呢？

生：面积.

图6

师：我手拿的这个软质线圈就很容易改变面积（如图6中的软质线圈），但要保证改变线圈面积时磁场不变，那就需要匀强磁场，如何才能获得匀强磁场呢？

生：两个靠的很近磁极间的区域，马蹄形磁铁中间区域，螺线管中间区域，两个靠的较近的线圈中间区域.

师：（展示说明自制匀强磁场装置，笔者在参考文献［3］中已作详细介绍）两个线圈中间产生的磁场可视为匀强磁场，请你们过来改变线圈面积试试看.

生：（演示）的确有.

师：再转动一下看看.

生：（演示）的确有，应该是改变了线圈平面与磁场之间的夹角造成的.

板书：实验4（面积）变化则有，不变化则无；（角度）变化则有，不变化则无.

师：（利用黑板板书）我们可不可以用一个物理量来表示这三个因素（磁场、面积、角度）.

生：磁通量.

师：切割实验（如图2）是改变闭合回路的哪个因素？

生：面积.

师：能否用我们总结的结论来解释魔术（如图1）中的现象呢？

生：播放器输出变化的电流，从而使大螺线管中磁场不断变化产生感应电流.

环节评估：由“磁场变化”过渡到“磁通量变化”是本节课教学难点.

笔者尝试利用实验2、实验3探究活动中“得到甜头”的积极心态“乘胜追击”，利用内外因归因法继续抛出一个问题：“我们可不可以改变线圈自身因素来实现呢？”学生较易猜测出面积的因素.自制的两只通电大螺线管间提供了一个较大的匀强磁场区域，从而给操作者搭建了一个灵活探究的“舞台”，使感应电流产生条件的相关因素能够通过此磁场区域得到全面探究，弥补原有实验的不足.［3］当学生发现与面积有关后，再鼓励“转动一下试试看”，又发现与角度有关，最终“磁通量变化”的结论就“顺理成章”得出了.

利用积极的心理状态进行难点突破是此环节课堂教学的情感策略；运用自制实验优化教学结构是此环节物理课堂教学的技术策略.这个环节的设计不仅克服了本节课的思维难点，还较好培养了学生的创新意识.

2.4 “回顾历程”——提炼升华

回顾1：本堂课探究历程（见图7）.

图7

师：我们今天经历有趣的探究，不仅得到了感应电流产生的条件，其实我们还获得一些分析问题解决问题的方法：切割、运动和电流变化只是表面现象，磁通量变化才是感应电流产生的本质条件——透过现象看本质的方法；内因和外因论.

回顾2：回顾奥斯特发现电生磁到法拉第发现磁生电十年探究中的典型故事（略）.

环节评估：思维导图作为一种思维的方法与工具，有利于促进知识建构，让思维可视化.它能以直观形象的方式表达知识结构，有效地呈现思考的过程及知识的关联，是一种把思维路径显性化的教学策略.

利用简明的思维导图再体会探究历程，充分体现“物理学本质”中问题修正的特点.纵向比较分析实验主线、思维结论主线、物理学史典故，不仅能够加深学生对知识规律的理解，领悟“内外因”分析问题的方法策略，同时又能够端正学生“透过现象看本质”的研究态度，从而促进学生“求真”科学价值取向的形成，落实三维教学目标的实现.

3 教学反思

本节课认知结构的起点源于初中“切割理论”，认知高度终止于“磁通量变化”，思维跨度较大，归纳难度较高，探究过程不仅需要逻辑性较强的主线引领，还需要饱满探究精神的支撑.这种饱满的精神源于“思维冲突”的悬疑、“移步换景”的精神享受、“柳暗花明”的精神刺激.本节课是物理学本质教学较好的素材，通过实验主线的设计，让三维目标巧妙达成.探究的历程不仅充分体现物理学本质的特点，也充分挖掘出本真物理课堂的“物理味”.

1 A.P.French.物理学的本质.http：／／wenku.baidu.com／view／57b0fe1dc281e53a5802ffe7.html

3 徐立海，黄君明.物理教学中“引发认知冲突”策略.物理教师，2011（3）.

2 曹会.电磁感应中三个自制实验的妙用.物理教师，2012（6）.