图景呈现，让物理学习过程变得可见——以人教版必修3“电磁感应现象及其应用”为例

●施坚

高中物理概念和规律的符号表征往往是抽象、难懂、严谨、枯燥的，而它们的图像表征和动作表征却总是与具体、生动的物理实验、现象联系在一起的。因此，学生的学习应该通过创设合理而有层次的问题情境和丰富而直观的图景呈现，促进学生对概念和规律的主动建构、智慧建构，让物理学习过程变得可见，笔者在人教版《物理》必修3“电磁感应现象及其应用”新授课中开展了相关尝试。

一、物理图景，兼具发展形象思维与抽象思维

物理源于生活，始于实验。让物理和感受、体验关联在一起，物理教学理应在重视逻辑思维的同时注重形象思维，而这个教学载体便是“物理图景”，即教师需要通过物理图景教学，使学生学会观察和分析物理现象、物理过程，引导学生应用图景和建构图景来认知物理规律和解决物理问题，将形象思维、抽象思维相结合，实现思维可视化下的物理教学。

物理图景，是指教学中各类便于说明物理现象和规律的图片、图表、示意图、图像、视频、实验等，以及在此基础上形成或生成的更高一级的意象，具有情境性、体验性、发展性、生成性等特点。

由生命科学的研究可知，不同的信息对大脑中不同的部位产生刺激作用。首先由视觉器官接受周围各种各样的文字和图形信息，其后文字信息传向左半脑，引起抽象思维，形成概念，完成数字计算和演绎；而具体的形象信息将传向右半脑，引起形象思维，形成对客观世界直接、形象的反映，即图景。事实上，教学活动过程中若能做到将文字信息和图形信息交替传递到大脑的左半部和右半部，使大脑皮层的兴奋中心和抑制部分在左、右半脑交替出现并互相补充，思维品质能极大地提高，学习效率也相应提高。因此，在学习物理过程中，若将抽象的文字、数字信息转化，建立与之对应的图景，那么学生思维活动将更为活跃和丰富，物理的学习难度也会随之下降。

一图胜千言，图景呈现包括物理现象（实验）的可视化、物理过程的可视化、师生物理思维的可视化，物理教学应该发挥物理图景的视觉思维功能，促进学生多感官通道的学习，使得物理学习和解决问题的整个过程成为一个穿越“现实场景”“物理场景”和“数理场景”三个不同的“场景”的过程。

二、图景呈现，助推可见的物理学习过程

通过创设问题情境，激发学生的兴趣，强化物理知识和情境的关联，让学生在情境中进行体验、感悟材料的积累，优化实验探究过程，提升学生的体验和思维深度、广度，变被动接受和记忆为主动探究和发现，促进思维活动的发生和可视化。

（一）创设趣味对比，情境悬念激发认知冲突

将物理知识与生活现象融通，可以有效地激发学生的学习动机。教师可以利用身边资源，创设简单有趣、与学生已有知识和经验矛盾的实验情境，引发学生的认知冲突，从而激发学生的学习兴趣和探究欲望。

新课伊始，教师和学生反复演示“手插发电”实验。

教师演示实验1：如图1所示，教师演示先用长导线将开有圆孔的文件夹（两个角上有伸出的导线）与灵敏电流计相连，然后教师用手插入中间开有圆孔的文件夹时，讲台上灵敏电流计发生偏转，而学生同样用手插入时，灵敏电流计不发生偏转（启发学生思考）。

图1

教师展示和说明：袖口有一块圆柱形强磁铁，并打开文件夹，展示里面围绕着中间圆孔有一个方形线圈，显然线圈中产生的电流与磁铁有关，引出课题：磁产生电的条件是什么?

教师引导学生回忆初中学过的知识，并简要演示初中切割磁感线实验（下称“演示实验1”），明确在闭合回路中，部分导体切割磁感线产生感应电流。

教师追问：不切割磁感线，能否产生感应电流呢?能否尝试设计相关探究实验的方案？

设计意图：电磁感应现象是一种较为普遍的物理现象，“手插发电”对比过程的悬念情境，取材于生活，可以缩短学生与知识之间的距离，消除学生对知识的陌生感，让学生能够以更加主动的姿态来参与学习，利于将一些生活经验转化为物理认知，在此基础上教师开始引导学生思考这一现象是否似曾相识，并为后续探索感应电流产生条件做好铺垫。

（二）品味“磁生电”史，回顾划时代发现的历程

物理学史，集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程，在高中物理学中加强物理学史教育，展现历史上物理学家探索物理世界奥秘的艰辛历程，让学生品味其中的思维方法和科学精神是一笔必要而丰盈的财富。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应，并断言：电与磁是有联系的！

1822年，法拉第在日记中写下了“由磁产生电”的设想，并为此进行了长达10年的探索，然而无数次在稳恒的强磁体或强电流可能会在邻近的闭合导线中感应出电流的期待都没有成功，失败的原因究竟在哪里？

1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上，一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”（如图2a所示），当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。

1831年9月24日，法拉第把两根条形磁铁摆成V 形，软铁棒上绕着一组线圈,并架在两根条形磁铁之上，并串联了一只灵敏电流计（如图2b 所示），当其中一根磁铁上端与软铁棒接触或断开瞬间，他看到了灵敏电流计的指针发生了偏转。

图2

法拉第一朝顿悟，“磁生电”现象的本质特征是：变化、运动。

法拉第将其发现的全部“磁生电”现象分成五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体，法拉第历经10年艰辛领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应，是一个非恒定的暂态效应过程。

设计意图：要发挥物理学史的教育教学功效，就需要把物理知识的逻辑展开与物理学认识的历史发展有机结合起来，把物理教学过程设计成是把“凝固的文化激活”的过程，把文化传播和学习转化成为历史上的创造者与今天的文化学习者之间的对话，让学生以物理学家认识世界本来面目的态度去认识世界，确立物理学的历史意识。

（三）开展实验探究，小组合作得到初显规律

小组合作学习是当下课堂上最常见的互动，学生在教师引导下围绕共同的问题或实践项目合理分工，积极思考，或实验操作后发表自己的观点，进行评价和补充，让每一个学生的主动性都得到尊重和体现。

学生判断所需实验器材：磁铁、线圈、灵敏电流计、若干导线。

教师引导并说明：磁铁主要目的是提供磁场，可以是条形磁铁、马蹄形磁铁等，还可以是通电导线或螺线管，而且在螺线管中插入一根铁芯或者改变通电电流的大小，均可以改变其产生的磁场的强弱。

教师把学生分成12 个小组，提供3 个类别并提供3 种不同的实验器材，由各小组自主设计实验方案，充分尝试，开展合作探究（其中2 人配合完成实验操作，1 人负责观察和记录），得出感应电流产生的条件（共计约10 分钟），后按类别某组分电路组成、实验现象、总结条件三个层面上台交流。

组别1 实验器材：条形磁铁，螺线管，电流计，导线若干；

组别2 实验器材：大螺线管，小螺线管(含有一根铁芯)，滑动变阻器，电源，开关，电流计，导线若干；

组别3 实验器材：两块平行的薄磁体（中间的磁场可以近似认为是匀强磁场），电流计，小线圈，导线若干。

组别1 某小组分享交流，1 名同学操作，1 名同学讲述，另1 名同学补充

电路：将线圈和电流表相连组成闭合回路，如图3所示。

图3

现象：见表1。

表1

结论：当磁铁和线圈之间发生相对运动时，线圈所在回路中产生感应电流。

组别2 分享交流

电路：将小线圈、变阻器、开关、电源组成闭合回路，大线圈、电流表组成另一个回路，如图4所示。

图4

现象：见表2。

表2

结论：当开关闭合、断开、移动滑动变阻器的滑片时，即当小线圈中的电流发生变化时，大线圈所在回路中产生感应电流。

组别3 分享交流

电路：小线圈与电流计连接组成闭合回路，如图5所示。

图5

现象：见表3。

表3

结论：线圈进出磁场或在磁场中转动线圈，线圈所在回路中产生感应电流。

设计意图：虽是相对简单的电路连接、移动条形磁体、现象记录等操作，3 个小组合作的探究实验可以让学生充分经历方案设计、实验操作、现象记录、结论总结、分享交流等过程，是对实验现象实事求是的一次彰显，也是浓缩版的探究过程，训练学生的动手能力和故障排除能力也是必然，比如电路中出现故障，如何寻找，以及寻找过程的明确分工；一个学生连接电路，另外一个学生负责检查，合作成为自然。而且，学生在实际探索的合作学习中往往有不拘泥于教材的方法和思想火花，比如组别3 的实验是用闭合回路的部分导体来切割磁感线，学生在实际探究的合作学习中不拘泥于垂直切割，还探索出斜着切割方式。

（四）显示磁通量变化的本质，循迹“求简”思维

“寻求简单”是科学家研究物质世界的逻辑和手段。教师在课堂教学中也应该经常引导学生循着这种“求简”思维去思考物理学问题，发现物理学“大道至简”之美。

教师：上述四个实验概括起来有“导体切割、磁体和线圈存在相对运动、小线圈内电流变化、线圈的垂直磁场的面积变化”4 种形式，都能使闭合回路中产生感应电流，仅比法拉第总结的5 种“变化和运动”少了一种，而且更是多达10 余种纷繁的实验现象，能否寻找到一种产生感应电流的条件简单而统一的描述呢[1]？

教师启发学生：电磁感应，即“磁生电”，不妨把寻找简单而统一的过程聚焦在磁上。在组别1 实验中，条形磁铁与线圈相对运动过程中，从磁的物理量角度来看，显然是磁感应强度B 发生了变化，而在在组别2 实验中，开关闭合、断开、移动变阻器滑片可以改变小线圈中的电流，也是让磁感应强度B 发生了变化（PPT 投影条形磁铁周围磁感线的模型，如图6a、b 所示）。

图6

教师继续启发：在组别3 实验中，圆形小线圈在进出磁场（垂直或斜着）或在磁场中转动的过程中，线圈的面积其实并没有变化，但是线圈在磁场中的面积或者与磁场的角度θ（如图6c 所示）发生了变化，共同的特点是垂直磁场的面积在变化，简称为有效面积S 在变化。而演示实验1 若画成如图所示的示意图，也可以理解为回路在磁场中的有效面积S发生了变化。

教师引导学生总结：组别1、2 实验，均是S 不变，B 变化；组别3 和演示实验1 均是B 不变，S 变化。那么，暂时的结论是B 和S 中只要有一个变化，闭合回路中就会产生感应电流。那么，如果B 变化，S 也变化，是不是一定产生感应电流呢？ （学生回答不一定）

教师演示实验2：一个圆柱形磁铁，在平板上用铁粉模拟出它的磁感线分布情况，然后根据磁感线的分布利用车床车出一个喇叭口模型[2]（如图7所示），准备一个演示灵敏电流计和两根长导线组成一个闭合回路。当线圈套入的过程中，电流计偏转了，这一过程类似于线圈和磁铁的相对运动。接下来用手扣紧套在圆柱形磁铁上的线圈成圆形，并逐渐从位置1 开始平移下推至位置2，即距离磁铁越远，磁感应强度B 越来越弱，而有效面积S 就越来越大，发现却没有感应电流产生。

图7

学生在教师启发下得出：B 和S 都变化，却没有感应电流，说明不应该割裂地看B 与S，而应把B 与S 看成是一个整体来思考，即磁通量Φ。

教师继续启发：磁通量Φ=BS，对应大小可以从穿过线圈的磁感线的条数体现，成立条件B⊥S，那么演示实验2 中线圈从位置1 平移到位置2 过程中虽然B 和S 都变化，但穿过线圈的磁感线的条数，即磁通量并没有变化。

师生统一认识：产生感应电流的条件的第5 种表述方式，即穿过闭合回路的磁通量发生变化。而且可以解释前4 个实验，组别1、2 实验，均是S 不变，B 变化，磁通量Φ 变化；组别3 和演示实验1 均是B不变，S 变化，磁通量Φ 变化。

师生生成至简表述：穿过闭合回路的磁通量发生变化，就会产生感应电流。

设计意图：“大道至简”，物理学追求的不是“多”而是“少”，希望从不同的现象中收集一大堆“原理”和“知识点”，从中探寻它们背后隐藏的“相同的”而且是“最简单”的规律。从法拉第的5 种“变化和运动”的总结到“磁通量的变化”看似简单，却是思维和观念上巨大的突破。因此，这一设计不是为了寻找到磁通量变化，而是让学生有着强烈的“求简”思维意识，演示实验2 可谓前面4 个实验基础上的点睛之笔，实现了从“变化和运动”表述到“磁通量的变化”表述的跃升，显示了磁通量变化的本质性至简表述，也助推了可视化的物理学习。通过这样的“求简”的教学过程，物理学的“大道至简”比再多的说教都有用，而且会对学生以后的生活和工作可能带来长期而深远的影响。

（五）学以致用，在问题解决中提升核心素养

物理，源于生活，用于生活，却高于生活。第九次新课改新增了相关教学和考核要求：具有把物理知识应用于生活和生产实际的意识，勇于探究、解决与日常有关的物理学问题。只有让学生在实际问题的解决中应用学过的物理知识和规律，亲身体验，才能切实提升物理学科核心素养。

问题解决1：解释“手插发电”实验

学生：老师袖口的磁铁通过线圈的时候，线圈所在闭合回路的磁通量发生变化，产生感应电流。

问题解决2：摇绳发电

问题：地球表面存在着地磁场，但看不见摸不着，若提供几十米长的长导线（绑在一根长绳上，下称摇绳）和一个电流表，设计一个实验方案来检测一下地磁场的存在。

教师启发学生：让摇绳与电流表连成闭合回路，为使闭合回路中地磁场的磁通量发生变化，两名学生站立摇绳，形成切割磁感线效应。

教师再次启发学生：地磁场比较微弱，可以利用放大的思想来获得更大的感应电流，以便观察，策略有：（1）站位尽量从东西方向来摇绳，因为地磁场为南北向；（2）摇绳要比较长；（3）多匝线圈（通电螺线管的启示）；（4）灵敏电流计或电流传感器。

学生实验：教师预先连接好长导线与电流传感器的闭合回路，两名学生东西向站立在教室外走廊里摇绳，传感器显示电流-时间（I-t）图像，如图8所示。

图8

问题解决3：无线输电

教师：PPT 展示华为Mate20pro 手机的宣传图，如图9所示，引入无线输电话题（学生感觉很神秘）。继而，教师展示已经拆开的手机充电器，现场把一个事先绕好的30 匝线圈的两端，焊接在手机充电器内高频变压器的副线圈上。再拿出一个事先绕好的30匝线圈，其两端已经焊接了一个发光二极管LED，如图10所示。教师把充电器重新装上外壳，并把充电器插在220V 电源插座上，慢慢把两个线圈靠近，LED 逐渐亮起来了！能否用本节课知识解释无线输电技术的原理？

图9

教师引导学生理解：和高频变压器连接的线圈（即发射线圈）中通过高频交流电，从而激发出高频交变磁场，而连接LED 的线圈（即受电线圈）靠近时，就进入了交变磁场所在区域，磁通量变化，LED线圈中产生感应电流，LED 被点亮，这就是无线输电的基本原理，如图10所示。

图10

教师投影介绍：法拉第的圆盘发电机——人类第一台发电机，三峡电站，生活中的变压器、电磁炉，等等。

设计意图：3 个问题均有比较强的实践性，感应电流放大的策略一问不但能够引领学生对已学内容进行复习，还将把视野扩展到后续的学习内容：感应电动势的大小与哪些因素有关，而且会让学生对“磁生电”的能量观、物质观与运动观等物理观念有更为深入的认识，相关科学思维也进一步在实际领域得到应用。另外，教师注重引导学生认识到新技术、新产品的产生和发展其实都源自法拉第等科学巨人们曾经的贡献，是在传承的基础上有了发展。

（六）课堂总结，畅谈学习感应电流有感

在物理学史上，法拉第历经10 多年坚持不懈的努力，才于1831年发现电磁感应现象，他的坚持与他坚信关于各种自然力的统一和转化的思想分不开。教师有必要向学生阐述这一段物理学史，并介绍科学家科拉顿没有从“稳态”的猜想转变到“暂态”的考虑而错失良机。可谓：

铁石穿线指针偏，

回路闭合磁通变。

十载求真追寻梦，

美中储善磁生电。

设计意图：本节课从学习路径来看，起点是初中的“切割磁感线”，终点是“磁通量变化”，虽然整堂课的思维跨度较大，分析论证和归纳总结的难度较高，但学生往往还是想不通法拉第为什么要历经10 余年才得到看似粗糙的5 种“变化和运动”的表述，因此有必要介绍当时稳态效应思维定式的束缚和著名的失败案例，让学生体会到求异思维的难能可贵。与此同时，法拉第的坚持不是盲目的，而是有着对自然界和谐美、简单美，也就是“大道至简”的坚定信念。

三、图景呈现下可见学习的几点思考

一是，呈现“延迟判断”下物理图景的美学张力。物理之美在于发现，大到物理学家重要的发现，小到物理规律的建构，甚至某一类习题的思维变换，都能呈现特有的美感，而“延迟判断”可以有效放大物理图景之美，助推思维可视化和学生的思维进阶。

二是，形成物理图景的多元化、多感官呈现。物理教学过程要积极以纸面（或脑）“绘”图景、运用实验“演”图景、借助计算机‘算’图景、数形结合“释”图景、相机“拍”图景”、媒体“投”图景等，形成高中物理图景系列教学。

三是，图景呈现促进有效学习活动的开展。图景的呈现有利于在学生解决问题的困难点开展学习活动，展现突破过程，为思维进阶搭设平台；有利于在学生的成功点设置学习活动，由学生的亮点思维顺势而为；有利于在实验和理论结合点预设学习活动，指向物理规律的深度探究。

本节课中，教师让学生经历实验与理论的科学探究过程，在操作、观察与思辨中体验和感悟，虽然有些是学生的自主探究，教师的引导和组织仍不能缺位，尤其是后续4 种“变化和运动”表述与分享，而引导学生循迹“求简思维”开展理论分析和观察验证式实验更需要教师精心引导，帮助学生实现由感性的具体→抽象的模型→思维的具体的两次跃升，这样的学习过程有挑战、有参与、有反馈、有信任、有倾听、有达成、有检验，从而助推学习目标可见、路径可见、方法可见、思维可见。