回归身心一体：具身认知视域下的科学探究
2022-05-30戴加成
【摘 要】具身认知理论强调身体不仅仅是接收器和响应器，同时也是认知的一部分，认知是大脑、身体与环境相互作用的结果。如何使高中物理学科核心素养落地转化，具身理论为我们提供了新的视角。以高中物理“法拉第电磁感应定律”的教学为例，探讨在具身认知理论框架下如何创设情境，贴近学生最近发展区，激发学习热情，增强情绪感受，构成一个由“大脑—身体—环境”组成的耦合系统，让学生体验身心一体的科学探究过程。
【关键词】具身认知理论；核心素养；科学探究
【中图分类号】G633.7 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2022）83-0075-06
【作者简介】戴加成，江苏省南菁高级中学（江苏江阴，214400）副校长，正高级教师，江苏省物理特级教师，无锡市学科带头人。
认知源于“身体”，个体的认知发展离不开“身体”的参与。学习过程不是一种可以“离身”的精神训练，而是需要“身体”积极参与的，是“具身”的。“身体”是知觉的中心，在“身体”的帮助下学生能够感知课堂上各种各样的事物和变化，认知是大脑、身体与环境相互作用的结果。
物理学科四大核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任，学生可以通过科学探究形成物理观念、發展科学思维、提升科学态度与责任。由此可见，科学探究是培育学生学科核心素养的抓手。教学中教师如何创设情境，引导和支持学生进行科学探究，是课堂教学中需要关注的重点，具身理论为我们提供了新的视角。
下面，笔者以高中物理“法拉第电磁感应定律”一课为例，分别从背景分析、设计思路、实施过程、评价反思等方面来探讨教学过程中如何创设具身性的情境，进行具身认知视域下的科学探究，让学生体验身心一体的科学探究过程。
一、背景分析及教学设计思路
1.教学内容分析
“法拉第电磁感应定律”是高中物理人教版选择性必修第二册第二章第二节的内容，是电磁感应现象的核心内容。通过本节课的学习，学生可以加深对磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率等知识点的理解，为后续学习涡流、交流电等内容打下基础。
2.学情分析
根据教材内容，在学习法拉第电磁感应定律之前，学生刚通过实验探究了感应电流的方向和磁通量的变化之间的关系，得出了楞次定律。在此基础上，本节课再研究感应电动势和磁通量变化率之间的关系，从感应电流深入到感应电动势，从磁通量的变化深入到磁通量变化率，从定性探究深入到定量探究，对学生提出了更高的要求。这也是教学的难点，需要合理设计教学、搭建支架、分解难点，帮助学生理解并掌握法拉第电磁感应定律。
3.设计思路
直接用实验来探究法拉第电磁感应定律对中学生而言有一定的难度，为增强学生的切身体验和实践感受，可以用实验来验证法拉第电磁感应定律，这样更符合学生认知水平，贴近学生最近发展区。同时，实验验证的过程包括“问题、证据、解释和交流”等科学探究的元素，有助于培养学生的科学探究能力。然而，在中学阶段直接通过实验来确定感应电动势和磁通量的变化率之间的定量关系很困难，所以在教学时可以通过变换法拉第电磁感应定律的表达式来间接验证，这符合具身性原则。
二、教学实施过程
1.提出问题
师：同学们，上一节课我们已经通过实验探究学习了楞次定律。实验时我们发现，电表的指针除了偏转方向不同以外，偏转角度也不一样，这说明产生的感应电流大小也不一样。那么感应电流的大小和哪些因素有关呢？请大家通过实验来定性分析并大胆猜想它们之间可能是什么关系。
生：向线圈中插入或拔出条形磁铁，发现插拔速度越快，电流表指针偏转角度越大，产生的感应电流越大。插拔速度越快，磁通量变化越快，即磁通量的变化率越大，说明感应电流大小和磁通量的变化率有关，很可能成正比。
【具身分析】本环节的教学从上一节课实验探究感应电流方向和磁通量变化之间的关系，自然过渡到研究感应电流的大小和哪些因素有关，学生能够自然地调动已有的知识来探索新的问题。依据实验现象，学生凭直觉很容易说出感应电流大小和磁通量的变化率成正比。此时，教师可以鼓励学生勇于突破、大胆猜想，再引导学生小心求证。
2.讲述结论
师：这个猜想很大胆，也很吸引人。我们进一步分析这个电路，有感应电流产生，说明电路中有电源，哪部分相当于电源呢？
生：线圈就是这个电源。
师：对！它的电动势是由于电磁感应现象产生的，叫作感应电动势。德国物理学家纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，提出“闭合电路中感应电动势的大小和穿过这一电路的磁通量变化率成正比”这一结论。因英国科学家法拉第对电磁感应现象贡献巨大，后人称之为法拉第电磁感应定律，表达式是Ｅ＝ΔΦ/Δt。
【具身分析】本环节教学中对于感应电动势只是稍做说明，没有深入介绍，这部分内容可以在下一节课“动生电动势”中详细解释，这样的教学设计可以让学生的精力集中在探究感应电动势和磁通量的变化率的关系上，更利于探究活动的开展。在中学阶段，通过实验得出法拉第电磁感应定律很难实现，所以笔者没有按照科学探究的一般流程来组织教学，而是采用教师讲述的方式，结合物理学史讲解法拉第电磁感应定律的内容，然后再通过实验来验证法拉第电磁感应定律，这样的设计更贴近学生的最近发展区。
3.实验验证
（1）方案设计
师：这个结论的得出基于当时的理论和实验资料，这种从有限的事实推导得出一般性结论的方法叫归纳推理。得出结论后，科学家们还会通过实验来证明或证伪，物理学就是在这个过程中不断向前发展的。下面请大家尝试着设计一个实验来验证法拉第电磁感应定律，并交流、评估你们的方案。（实验设备见图1）
学生方案1：每次把磁铁从线圈中同一位置拔到同一高度，这样每次穿过线圈的磁通量的变化量相同，拔出的速度越快，所用时间越短，磁通量的变化率越大，感应电动势越大。
学生方案2：把磁铁从不同高度静止释放穿过线圈，确保穿过线圈的过程中磁通量的变化量相同。忽略空气和电磁阻力，磁铁近似自由落体，可以计算出磁铁经过线圈时的速度，把这个速度看作磁铁穿过线圈的速度，线圈宽度恒定，则穿过线圈所用时间和速度成反比。根据法拉第电磁感应定律，可以得出感应电动势和速度成正比，這样就不需要直接测量时间了。
生：方案1实际操作时，拔到同一位置不好控制，时间也无法测量，所以我们建议采用方案2。
师：请大家看课本上《做一做》栏目提供的方案，正是大家设计的方案2。
【具身分析】课前笔者为学生准备了线圈、电流表、电压表、强磁铁和米尺，提出问题后学生分组讨论设计方案，学生在电学实验氛围浓郁的情境中时而独立思考，时而互动交流，有时一筹莫展，有时欣喜若狂，沉浸在身心一体的探究世界里。在米尺的帮助下学生联想到自由落体运动，设计出方案2。米尺的出现有利于激活学生思维，使学生调动已有的知识经验解决问题，完成相应的学习任务。
（2）进行实验
师：请大家按照设计的方案进行实验并交流体会。
生：用电压表读不出磁铁穿过线圈时产生的电动势。
师：磁铁穿过线圈时产生的电动势用电压表确实不易读出，我们可以用DIS电压传感器来测量电压，以时间为横坐标、电压值为纵坐标，可以描绘出感应电动势随时间变化的曲线。请大家再次实验。
【具身分析】使用DIS电压传感器解决问题的新方法拓宽了学生视野，拓展了学生认知的客观情境。
生：为方便计算，不妨将线圈分别套在距离管口10厘米、40厘米和90厘米的地方，让磁体从管口自由释放，利用电压传感器和计算机描绘出感应电动势随时间变化的曲线。（见图2）
师：如何根据感应电动势随时间变化的曲线，确定磁铁分别下落10厘米、40厘米和90厘米时对应的电压值呢？
生：将图线的峰值即感应电动势的最大值作为磁体穿过线圈时产生的感应电动势，记录数据。
师：请大家分析表1中的数据，并进行交流。
生：由自由落体运动规律易得磁体分别下落10厘米、40厘米和90厘米时，对应的速度比为1∶2∶3，测出的感应电动势之比也应该为1∶2∶3，但根据表中的数据发现磁体穿过线圈时产生的感应电动势不满足1∶2∶3的关系。
师：我们发现实验结果和预设不符，这是为什么呢？请大家对照电动势随时间变化的曲线，结合磁体运动的过程，分析原因。
生：磁体从开始下落到穿越线圈的过程中磁通量的变化和感应电动势的变化情况如下。如图3，从A点开始，线圈中开始有感应电动势，穿过线圈的磁通量从0开始增加，磁通量的变化率越大，对应的感应电动势也越大，在C点电动势达到峰值。接着磁通量的变化率开始减小，对应的感应电动势也变小，但磁通量还在不断增加。在电动势为0的瞬间，磁通量最大，此时磁体恰好经过线圈中心，对应图3中的B点，接下来磁通量开始减小，线圈中产生和刚才相反的电动势。图3中的A、B、C位置对应图4中的A'、B'、C'的位置，电动势最大的位置是图4中C'点，这个位置在线圈上方某处，所以在不同次数的实验中，它们离开管口的距离分别小于10厘米、40厘米和90厘米。
师：对，磁体在穿过线圈时，感应电动势不是最大值，而是0。感应电动势最大的位置应该在线圈上方某个位置，但这个位置并不容易确定。看来实验方案还需改进，或许还需要重新制定实验方案。
【具身分析】学生一开始认为磁体穿过线圈时产生的感应电动势最大，这是有问题的。但教师不必马上纠正，等到收集完实验数据，学生分析数据时发现不符合预期，产生认知冲突，从而积极主动地思考，大脑、身体和环境相互作用，深化学生对磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率和感应电动势的认识，促进物理观念的形成。
（3）方案优化
师：我们在研究匀变速直线运动的位移和速度关系时，用图5所示的方法来求运动过程中的位移，能用类似的方法来验证法拉第电磁感应定律吗？刚才我们描绘的感应电动势随时间变化的曲线（见图3）所包围的面积表示什么呢？请大家分组讨论并分享你的观点。
生：如下页图6，假设从线圈中开始有感应电动势到感应电动势再次为0这一过程所用时间为t，我们可以把时间t分成若干份，每份为Δti，这段极短时间对应的电动势为Ei，磁通量的变化量为ΔΦi，若法拉第电磁感应定律即Ｅ＝ΔΦ/Δt成立，则可以得到Ei·Δ ti＝ΔΦi。此表达式说明图6中曲线和两条细线与时间轴所包围的面积表示Δti这一极短时间内磁通量的变化量。把0到t这段时间内的所有这些面积累加起来，可得图中曲线所包围的面积等于0到t这段时间内的磁通量的变化量。
【具身分析】利用图片唤起旧知——计算匀变速直线运动的位移。在此情境下，学生可以积极调动已有知识，深入思考“感应电动势-时间”曲线所包围的面积表示什么物理量。学生经过互动讨论、相互启发、不断尝试，切身体验探索过程的艰辛和取得突破的喜悦，这样的情绪体验让学生获得丰富的感性认识，充分调动学生的主观能动性，完成知识的建构。
（4）再次实验
师：从线圈上方不同高度释放磁体，每次磁体穿过线圈的速度不同，产生的电动势不同，借助传感器描绘出的曲线也不相同，但如果法拉第电磁感应定律成立，则不同曲线包围的面积应该相同，若能通过实验证明不同曲线包围的面积相同，则可间接证明感应电动势大小和磁通量的变化率成正比，法拉第电磁感应定律成立。请大家通过实验来验证。
生：从线圈上方不同高度释放磁体，借助传感器和计算机描绘出瞬时电动势随时间变化的图像。
师：实验软件能直接计算出曲线所包围的面积，以“积分值”呈现，如图7。请大家多次实验并将数据记录在下表中。
【具身分析】使用积分的方法拓宽了学生视野，拓展了学生认知的客观情境。实验过程中，每次积分值出来前，学生都全神贯注、充满期待。这个过程中学生的大脑、身体与情境之间紧密互动，有利于对知识的内化和认知的建构。
（5）得出结论
生：由表2中的数据可知，在误差允许的范围内，积分值相同，不同的曲线包围的面积相同，即磁通量的变化量相同，法拉第电磁感应定律成立。
师：我们还忽略了一个问题，实验中使用的线圈不止一匝，穿过每一匝线圈的磁通量相同，磁通量的变化率也相同，产生的感应电动势相等，这一个个线圈相当于一个个小电源，它们之间处于什么关系？
生：串联。
师：对，所以法拉第电磁感应定律可以表示为Ｅ＝nΔΦ/Δt。
三、评价反思
1.发挥教师主导作用
本次教学过程以具身认知理论为指引，将科学探究贯穿整个课堂。笔者在课前充分了解学生学情，在具身认知视域下精心设计教学过程，为学生铺设符合其认知规律的探究路径。当下，由于特别强调学生的主体性，注重对学生自主学习能力的培养，往往又会忽视教师的主导作用。其实，学生的自主学习也好、自主探究也罢，并不意味着教师可以不闻不问。相反，在关键时刻教师要充分发挥自身的主导作用，在教学关键之处给学生以引导和帮助。如本节课提供的米尺、DIS实验器材等都是教师在关键时刻給予学生学习的必要支架。
2.凸显学生主体地位
学生是进行科学探究活动的主体，本节课充分发挥了学生的主体性、积极性，学生在探究过程中拥有良好的心灵感受和具身体验。本节课一开始就从学生已有的知识引入，这样学生可以迅速进入学习状态，在设计方案时小组内积极互动，充分表达各自的观点；学生利用教师提供的仪器，调动已有知识，积极主动地尝试各种实验操作，构成了一个由“大脑—身体—环境”组成的耦合系统；在探究过程中不断优化实验方案，学生经历了第一次实验数据和预期不一致的失望，也经历了最后三次积分值和预期完美吻合的喜悦。整个过程中学生拥有积极的情绪感受，沉浸式地体验了身心一体的科学探究。
3.创设具身性的教学情境
新的高考评价体系明确指出高考命题要以情境为载体来考查学生的核心素养，这为高中教学指明了方向——课堂教学要注重情境的创设。本节课依据具身认知理论，对教学内容进行设计，通过提供实验器材、展示图片、讲述物理学史等方式创设情境，在教学活动中发挥身体在认知过程中的作用，有利于学生在原有认知经验的基础上通过身体和环境之间的交互产生感知与经验，激发学习的兴趣，学生主动获得、理解、掌握并应用知识。在具身性的情境下进行科学探究能够“点燃”学生对科学的好奇之心，对于学生形成物理观念、发展科学思维、提升科学态度与责任有着积极的影响，是物理学科核心素养落地转化的有效途径。但在具体实践中并非所有教学内容都符合具身性设计的要求，教师在具体实施的过程中要加以筛选和甄别。
【参考文献】
［1］叶浩生.具身认知：认知心理学的新取向［J］.心理科学进展，2010（5）：705-710.
［2］廖冬发.具身认知理论视域下高中物理教学设计研究［D］.赣州：赣南师范大学，2021.
［3］李恒威.生成认知：基本观念和主题［J］.自然辩证法通讯，2009（2）：27-31，110.
