“眼见不为实”的物理实验教学设计——以“互感与自感”为例

黄秋玲，刘小兵，徐燕妮

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

0 引言

随着核心素养下新课程改革的不断优化，教育从知识本位转为以人为本，物理学科如何适应这一浪潮？教师该如何调整教学让学生能够更好地内化物理学科知识，最终达到学科立德树人的教育价值？本文以“互感和自感”的教学设计例谈几点思考。

1 主要教学思路

本节内容可采用“环环相扣”式教学逻辑，将知识逻辑融于一环套一环的问题链，结合学生无法直接感知的“电磁现象”创造出一个“眼见不为实”的认知冲突式实验教学。课堂伊始，由前面所学的法拉第“磁生电”实验装置引出“互感”的概念，产生第一次“眼见不为实”的磁生电现象。在互感现象产生的同时，提供了自感现象产生的可能性，讲解完互感之后，由同一装置引导学生观察自感现象，再过渡到自感概念的讲解。

再利用Dislab 电流传感器检测出自感电流的过程性，感受自感的多次激发此为第二次“眼见不为实”。改进这个装置的电路，自制“千人震”体验项目，让学生多感官感受自感“眼见不为实”，最后由“千人震”项目的电路，分析自感如何对电路产生影响及自感电动势方向；根据电流分析过程中发现的自感电动势大小与正常电路的差别，引导学生设计实验探究自感系数的影响因素。最终完成由环环相扣的实验教学过程，进一步提升学生的认识，加深学生的知识内化（如图1，2 所示）。

图1 “互感与自感”教学框架1

图2 “互感与自感”教学框架2

2 环环相扣的过程设计

2.1 旧实验引入，引发新知

任务设置：将课堂引入变为挑战任务，即如何用法拉第电磁感应装置点亮皇冠灯？（如图3，图4 所示）

图3 皇冠灯装置

图4 皇冠灯电路

现象：通电副线圈的皇冠灯被点亮两次。

分析：（1）给主线圈通电时，副线圈上的皇冠灯被点亮一次是源于主线圈在副线圈中产生的磁场变化引发的电磁感应现象即互感的作用；（2）副线圈上的皇冠灯被点亮两次，第二次是由于副线圈自身的磁场发生变化后产生电磁感应现象即自感的作用。

设计思路：（1）通过学生已经建立认知的法拉第电磁感应装置，引出互感现象，此为环环相扣“第一扣”，情景化下的教学激发学生兴趣的同时，更符合物理学科逻辑[1]。其中，通过不通电的皇冠灯也能发光这一“眼见不为实”认知冲突，激发学生的求知欲，调动学生的参与性，获得互感的本质概念：互感是电磁感应的一个特例；（2）在实验挑战中，不仅有互感现象的产生还产生了自感现象，但学生无法认识到，需要教师建立起互感与自感的联系，此为环环相扣的“第二扣”；（3）同时，皇冠灯中使用发光二极管作为光源，可以确保在感应电流微小的情况下，挑战任务仍然能够成功[2]。

2.2 二次“眼见不为实”，探寻本质

实验任务引发的现象：皇冠灯由亮→灭→亮→灭；即皇冠灯在实验的时候发生了两次灯亮的现象。

在此，由教师回顾实验现象，提出问题：皇冠灯为什么会产生二次点亮的情况？引导学生再次将关注点转移到电磁感应的发生，学生将做出自己的猜想，这是对自感现象直观感知。此时，用Dislab 电流传感器实际检测副线圈的电流激发情况，给予学生定性的认知。

分析：（1）副线圈上的皇冠灯发生第二次灯亮是源于主线圈通电后，副线圈产生了互感现象产生了感应电动势，当这个感应电动势消失时，在自身线圈产生的自感现象，再一次产生了感应电动势使得皇冠灯被点亮；（2）由Dislab 电流传感器实际检测出的副线圈I-t 图像可以看出，实际上，在无论是通电还是断电时候，自感的激发都是不止一次的，自感的激发应该是一个不断激发但逐渐减小的过程。（如图5 所示）

图5 副线圈I-t 图像

设计思路：（1）自感现象的引出与互感现象源于同一实验装置，实验过渡自然，环环相扣；（2）由于自感现象只让皇冠灯亮了一次，会让学生潜意识里将自感现象归结为与互感现象一样，只发生一次，但事实并非如此。由于往后的自感激发电流过小，无法使皇冠灯被点亮，学生看不见灯亮就会认为没有激发，这为第二次“眼见不为实”的冲突；（3）利用Dislab 电流传感器实际检测，可以检测出微电流的变化情况，发现副线圈上的自感有明显的二次激发甚至是多次激发，与学生之前的类比互感产生认知冲突，有效地增强了学生进行深入探究的自主性。

2.3 游戏环节，固化新知

模拟前面装置，设计千人震游戏体验项目，让学生多感官体验“自感”，同时，根据“千人震”电路（开关断开）分析自感电动势方向。进一步改造电路，师生互动，分析开关闭合时，自感电动势方向如图6 所示。

图6 自制“千人震”

分析：（1）由于自感线圈的存在，当电路中的开关闭合时，从正极流出的电流不会流经电阻过大的人体，而是经过自感线圈回到负极，所以通电时，人体没有“触电”的感觉（如图7 所示）；（2）当电路中的开关断开时，自感线圈与人体之间导线相连，形成一个闭合回路，由于自感现象的产生，使得自感线圈此时充当了一个“电源”的作用，人体会有“触电”的感觉[3]。

图7 “千人震”电路

设计思路：（1）利用参与度高的游戏环节，提升学生对自感的直观感受，寓教于乐的同时，考察了学生对于科学本质的理解；（2）游戏环节伊始，不直接展示电路，在学生“触电”之后，由断开开关反而“通电”的现象启发思考，联系刚学习完的自感，让学生进行电路猜想，更符合学生思维进阶的过程。

3 结语

物理学科是一门逻辑性很强的学科，倘若在教学中，教师能够更加注重环节与环节之间的逻辑性，这对于提升学生的思辨能力和创造性是大有裨益的。除此之外，随着新课改的推进，倡导教师应该把课堂更多地交给学生，学生学习的自主性将是教学最终价值所在。而互感与自感由于其本质均为电磁感应，更利于教师在此开展“环环相扣”的教学设计，于是笔者将本节课的内容用同一个法拉第电磁感应线圈串联起来，整个过程更符合学生认知发展规律也更有效地增强了学生学习的自主性。