显化控制变量法的探究教学设计

2024-11-24蔡全劲谭小娣谢丹亭

物理之友 2024年8期

摘要：《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》和人教版高中物理教材都明确指出了科学方法的重要性。本文以“感应电流的产生条件”为例，在教材内容的基础上，调整教学思路，显化控制变量法在探究实验中的运用和作用，让学生明确产生感应电流的根本条件，强化学生的科学方法意识，提高学生的科学探究素养。

关键词：科学方法教育；控制变量法；探究教学设计；感应电流的产生条件

1 引言

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）明确表示高中物理课程应当引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力。^［1^］2019年人教版高中物理教材，首次在教材栏目中设置了“科学方法”栏目，在必修第一册的“致同学们”部分指出：科学方法是物理学中常用和重要的科学思想、方法，并提醒师生更多的科学思想及方法在相应的正文和旁批中体现。^［2^］科学方法教育日益受到重视，研究者早期提出的“显化教材中的科学方法”的建议在新版人教版教材中已初步体现。

由于科学方法往往与学习内容紧密联系在一起，很多物理科学方法还是以内隐的方式存在于教材中。为了进一步推进科学方法教育，教师需要仔细研读教材，从中挖掘出相应的科学方法，并在教学设计中显化出来，以便清晰地将其引入学生的意识中。基于以上思考，本文以“感应电流的产生条件”为例，尝试在教学设计中明确展示高中阶段非常重要的一种物理科学方法——控制变量法，旨在帮助学生牢固掌握并熟练运用控制变量法进行科学探究。

2 教材与学情分析

“感应电流的产生条件”是2019年人教版物理必修第三册第十三章第3节“电磁感应现象及应用”的内容，是电磁学的核心内容之一，在整个高中物理中占有相当重要的地位。在内容的编排上，本节首先回顾学生初中所学内容“闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中会产生感应电流”，并提出问题“切割磁感线是产生感应电流的唯一方法吗？”引导学生深入观察和思考实验现象，从而发现磁通量的变化可能也是感应电流的产生条件。^［3^］

紧接着，教材引导学生进行探究实验，在不切割磁感线的同时改变线圈的磁通量，发现也可以产生感应电流，故根据实验现象总结出结论：当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中就产生感应电流。^［4^］

通过以上分析，我们可看出教材的编排逻辑是：首先引导学生发现可能影响实验现象的变量，然后通过实验探究进行验证，最后分析归纳、得到结论。学生在初中已经知道闭合电路的部分导体做切割磁感线运动会产生感应电流，且对“切割”印象深刻。按照教材思路，经过本节课的学习，学生最终会明确磁通量变化是感应电流的产生条件。但学生还有疑惑没有解决，例如，若切割磁感线时，磁通量不变，那么可以产生感应电流吗？对此，教材并没有进行详细探讨。

3 显化控制变量法的教学设计思路

在物理学中，我们处理多变量问题时，常常采用控制变量法，把多变量问题分解成多个单变量的问题。每一次只改变其中的一个变量，控制其余几个变量不变，从而研究被改变的变量对事物的影响，最后综合解决问题。教材的编排明显体现了“实验归纳法”这一物理科学方法，但控制变量法还隐含在探究实验之中，并没有显化出来。基于学生的疑惑和显化出控制变量法的目标，教师可在教学设计中补充一个实验：让线圈切割磁感线，保持线圈磁通量不变，观察实验现象。通过该实验，学生明确磁通量变化才是产生感应电流的充要条件，而切割磁感线仅是某些磁通量变化过程中附带的现象。在教材实验基础上补充相关实验，不仅可以解开学生的疑惑，还可以通过一系列严谨的探究实验设计将控制变量法显化出来，一举两得。

基于控制变量法的教学设计思路如图1所示。首先，教师引导学生从物理学的视角发现可能存在的两个变量——“切割”和“磁通量变化”；然后，教师利用控制变量法设计探究实验，引导学生观察实验现象；最后，学生通过归纳推理得出结论。

4 教学过程

4.1 实验导入，引发认知冲突

演示：通过控制变量法，设计3组切割磁感线的实验，具体如下：切割一个U形磁体的磁感线时，磁体的S极在上，N极在下；切割两个磁体的磁感线时，增加的U形磁体S极在下，N极在上；切割三个磁体的磁感线时，增加的U形磁体S极在下，N极在上（见图2）。若三个磁体规格完全相同，则实验时会分别出现有感应电流、无感应电流、有感应电流三种情况。

提问：同样是导体棒切割磁感线，为何会出现不同的实验现象？三个实验的条件有何不同？切割磁感线是否为产生感应电流的充分条件？

设计意图：在导体棒切割两个规格相同的磁体的磁感线时，尽管这两个磁体产生的磁通量大小相等，但它们的磁场方向相反，因此回路中的总磁通量相互抵消、始终为零，不发生变化。基于这一原因，回路中不产生感应电流，而切割第一种或者第三种磁体的磁感线时，回路中磁通量会发生变化，故会产生感应电流。但学生还不知道其中的原因。

通过进行这个演示实验，可以激起学生关于切割磁感线是否为产生感应电流的充要条件的认知冲突。

4.2 观念引领，激发新的猜想

重新表征：将磁场、回路及导体棒平面化模型化，导体棒切割磁感线装置示意图如图3所示。

重新描述问题情境，有助于提升学生的理解和观察。

提示：从物理学的视角观察现象（物质、运动、能量、相互作用）。

提问1：有关磁场的物理量是否发生了变化？导体棒切割磁感线时，回路磁通量是否发生变化？

提问2：回路磁通量变化有没有可能是感应电流的产生条件？如何验证？

提问3：如果发现多个变量都可能是影响实验现象的因素，如何单独研究其中一个因素的影响？（启发学生思考如何运用控制变量法设计探究实验方案）

4.3 变量控制，自主探究

4.3.1 不切割磁感线，磁通量发生变化

教师引导学生选用如图4或图5所示的装置进行实验，并将实验结果记录在表1中。

提示：通过控制回路不切割磁感线的同时改变线圈的磁通量，就可以验证磁通量变化是否可以产生感应电流。引导学生运用控制变量法是设计实验的基本思路。