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基于“学习进阶”的物理实验教学

范文

施坚

摘要：基于学习进阶的物理实验教学，通常需要通过创设一系列合理的问题情境，以实验探究活动为核心，让师生成为“探究的共同体”，以进阶的方式促进学生突破学习重难点，建构相关概念和规律，同时培养学生分析、论证和科学探究的能力。《探究感应电流的产生条件》一课教学，通过优化实验探究过程，引导学生推理、论证实验现象的产生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精练的结构→实践的检验”的学习进阶。

关键词：实验探究学习进阶《探究感应电流的产生条件》

“学习进阶”，即从认识简单、具体的现象逐渐演变为理解复杂、抽象的概念或规律，呈现出一段时间内学习者的思维和认知发展进程。基于学习进阶的物理实验教学，通常需要通过创设一系列合理的问题情境，以实验探究活动为核心，让师生成为“探究的共同体”，以进阶的方式促进学生突破学习重难点，建构相关概念和规律，同时培养学生分析、论证和科学探究的能力。

初中阶段，学生已有对感应电流的产生需要“闭合电路的部分导体做切割磁感线运动”的操作层面的认识。如何顺利过渡、提升到高中阶段“闭合回路的磁通量发生变化”这一本质的抽象层面的归因？教学人教版高中物理选修32《探究感应电流的产生条件》一课，笔者通过优化实验探究过程，引导学生推理、论证实验现象的产生原因，完成“感性的表象→抽象的模型→精练的结构→实践的检验”的学习进阶。

一、激发认知冲突，获得感性的表象

实验是物理学的基础，现象是物理规律的外在表现。教学中，教师可让学生参与实验、观察现象，从基本的感官感受出发，激发认知冲突，获得感性的表象。

（教师出示一捆数十匝的线圈，并与一个电流表连接形成闭合回路。指名一位学生上台，请该生握拳将手穿过线圈中心，这时指针没有偏转，即没有产生电流;教师也握拳将手穿过线圈中心，这时指针偏转，即有电流产生。）

师为什么这位同学不能使线圈产生电流，而老师可以呢？老师有什么特别之处呢？

（学生议论纷纷，展开思考。）

师（舒展拳头，呈现掌心的一块磁铁）看来，线圈中产生的电流与磁铁有关。那么，磁在什么条件下能够产生电呢？

[教师引导学生回忆初中学过的知识——简要演示初中的切割磁感线实验（下称“演示实验”，如图1），并明确部分导体切割磁感线可以在闭合回路中产生感应电流。]

师不切割磁感线，能否产生感应电流呢？或者说感应电流产生的条件是什么呢？

二、引导小组合作，凝聚抽象的模型

小组合作学习是学生在实际探索中的合作学习，往往有不拘泥于教材的方法和思想火花。教师需要积极引导学生围绕共同的问题或实践项目合理分工，释放主动性，提高参与度，同心同力，凝聚抽象的模型。

师本节课，我们继续沿着科学家的足迹，通过实验来探究感应电流产生的条件。你覺得这个探究实验需要哪些器材？

生磁铁、线圈、灵敏电流计、导线若干。

师磁铁的主要作用是提供磁场，可以是条形磁铁或马蹄形磁铁。那么，一定需要磁铁才能产生磁场吗？

生还可以是通电导线或者螺线管。

师通电螺线管周围会产生磁场。为了增强磁性，实验中可以在螺线管中插入一根铁芯。改变通电电流的大小可以改变其产生的磁场的强弱。请各小组根据提供的实验器材，自主设计实验方案，合作探究。

（课前把全班分成3个大组，每个大组内再3人组成1个小组，其中，2人配合完成实验操作，1人负责观察和记录。第1大组的实验器材如图2所示，有大螺线管、条形磁铁、电流计、导线若干;第2大组的实验器材如图3所示，有电源、开关、滑动变阻器、大螺线管、含有一根铁芯的小螺线管、电流计、导线若干;第3大组的实验器材如下页图4所示，有小线圈、两块平行的薄磁体、电流计、导线若干。实验探究后每个大组内集体讨论总结出产生感应电流的条件。教师行间指导。3个大组分别派代表讲述观察到的实验现象和讨论出的实验结论。）

生（第1大组）将大螺线管和电流表相连，组成闭合回路，示意图如图5。（小组另一个学生同步操作）（1）插入磁铁，有感应电流产生;（2）磁铁在大螺线管中保持不动，没有感应电流;（3）拔出磁铁，有感应电流产生。我们讨论出的结论是：当磁铁插入或抽出螺线管时，即磁铁和螺线管之间发生相对运动时，螺线管所在的闭合电路中有感应电流产生。

生（第2大组）将小螺线管、滑动变阻器和开关连接到电源上构成一个闭合回路，大螺线管连接到电流表上也构成一个回路，示意图如图6。（小组另一个学生同步操作）（1）闭合和断开开关，有感应电流产生;（2）快速移动滑动变阻器，有感应电流产生;（3）插拔铁芯，有感应电流产生;（4）插拔小螺线管，有感应电流产生。我们讨论出的结论是：当开关闭合、开关断开或滑动变阻器的滑片移动时，即小螺线管中的电流发生变化时，大螺线管所在的闭合电路中有感应电流产生;而当插拔铁芯或小螺线管时，仍是和大螺线管形成相对运动，同样大螺线管所在的闭合电路中有感应电流产生。

生（第3大组）将小线圈与电流计连接构成一个闭合回路，放入两块薄磁铁之间，示意图如图7。（小组另一个学生同步操作）（1）线圈在磁场中上下运动，无感应电流产生;（2）线圈在磁场中左右运动，无感应电流产生;（3）线圈在磁场中转动，有感应电流产生;（4）线圈进出磁场，有感应电流产生。我们讨论出的结论是：进出磁场改变了线圈在磁场中的面积，而在磁场中转动改变了线圈与磁场的角度，均可以产生感应电流。

3类小组合作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，学生在这样相对简单的电路设计和操作中更能训练自己的动手能力和故障排除能力。比如，电路连接时某个接头松动了，学生不能就此停止研究，而要积极寻求故障的原因;而且寻找的过程中，要有明确的分工，一个人连接电路，另外一个人负责检查。这样就可以及时发现故障，提高实验探究的效率。

三、铺设“求简”路径，达成精练的结构

物理学与其他许多自然科学相比最显著的不同就是，追求的不是“多”而是“少”，即不是从不同的现象中收集一大堆“原理”和“知识点”（虽然这件事本身也很有价值，也是物理学追求真正目标的前提），而是探寻它们背后隐藏的相同且最简单的规律。

师上述4个实验都能使闭合回路中产生感应电流，（出示表1）但是对应方式概括起来有4种，仅比法拉第总结的5种“变化和运动”少了一种。我们能否概括出现象背后的本质规律，寻找“产生感应电流的条件”的一种简单而统一的描述呢？

法拉第总结的5种“变化和运动”变化的电流变化的磁场运动的电流运动的磁铁运动的导体由课堂实验总结出的4种方式演示实验导体切割第1大组磁铁和线圈（螺线管）磁感线相对运动第2大组小线圈（螺线管）内电流变化第3大组小线圈垂直磁场的面积变化师这一章学习的核心内容是“磁生电”，我们不妨先尝试把寻找简单而统一的描述聚焦在“磁”上。首先，在第1大组的实验中，条形磁铁与线圈相对运动的过程中，线圈有时离磁极比较近，有时比较远，从磁的角度来看，哪个物理量发生了变化？

生线圈内磁感应强度B发生了变化。

（教师课件展示条形磁铁插拔时穿过线圈的磁感线模型，如图8。）

师在第2大组的实验中，当开关闭合、开关断开或滑动变阻器的滑片移动时，小线圈中的电流发生变化，又是哪个物理量发生了变化？

生也是磁感应强度B发生了变化。

（教师课件展示小线圈中的电流发生变化时穿过大线圈的磁感线模型，如图9。）

师在第3大组的实验中，小线圈在进出磁场（垂直或斜着）或在磁场中转动的过程中，均可以产生感应电流，是哪个物理量发生了变化？

生线圈的面积其实并没有变化，但是线圈垂直磁场的面积在变化，即有效面积在变化。

（教师同步Flash动画演示。）

师（出示图10）为了研究方便，演示实验可以画成如图所示的示意图，导体棒在匀强磁场中切割磁感线时，哪个物理量发生了变化？

生当导体棒切割磁感线时，闭合回路在磁场中的有效面积发生了变化;而导体棒平行磁感线方向移动时，有效面积变化量始终为零。

师通过上述4个实验，我们可以发现，磁感应强度B和有效面积S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，会不会产生感应电流呢？

生会。

生不会。

师究竟会不会产生感应电流，我们还是通过实验来探究。我们可以在平板电脑上模拟出一个圆柱形磁铁磁感线的分布情况（出示图11），然后根据磁感线的分布利用车床车出一个喇叭口木模型，并在其上放置一个圆柱形磁铁，接着将灵敏电流计和两根长导线组成一个闭合回路（出示实物并完成操作，如图12所示）。若一个线圈从图中的位置1平移到位置2，我们可以看到：距离磁铁越远，磁场越弱，而面积越大;距离磁铁越近，磁场越强，而面积越小。那么，线圈中会不会产生电流呢？（演示实验）线圈套入的过程中，电流计指针偏转了，说明电路是通的，这一过程类似于线圈和磁铁的相对运动。

（教师继续演示实验：把套在喇叭口木模型上的线圈用手扣紧尽量成闭合圆形，并逐渐从位置1开始平移至位置2，让学生观察电流计指针偏转情况。）

生电流计指针没有偏转！

师这一现象说明——

生这个过程中，并没有感应电流产生。

师上述过程中，B变化了，S也变化了，并没有产生感应电流。这说明感应电流的产生条件不应该把B与S割裂开来，而必须将B与S看成一个整体。那么，我们曾经学过的哪个物理量既与B有关又与S有关呢？

生磁通量Φ。

（教师PPT展示引导学生回忆：磁通量Φ=BS，成立条件B⊥S，而且磁通量可通过穿过线圈的磁感线条数来理解。）

师刚才的实验，将线圈从位置1平移到位置2的过程中，穿过线圈的磁感线条数有没有变化？磁通量有没有变化？能得出什么结论？

生没有变化。

生当磁通量不变的时候，不会产生感应电流。

师所以，我们得到了“产生感应电流的条件”的第5种表述方式——穿过闭合回路的磁通量发生变化。

（教师引导学生运用第5种表述解释前4个实验，即第1、2大组均是S不变、B变化，导致磁通量变化;第3大组和演示实验均是B不变、S变化，导致磁通量变化。）

师至此，我们得到了“感应电流产生的条件”的简单而统一的表述：穿过闭合回路的磁通量发生变化，就会产生感应电流。

从法拉第的5种“变化和运动”的表述，到由4个实验得到的4种 “类变化和运动”的表述，学生已目睹和概括了10余种简单而具体的实验现象，所以发现和归纳探究过程背后更为本质的规律成为思维和认知进阶的关键。而后续的实验和教学引导都在铺设“求简”路径，显化本质的规律，助力学生搭建精练的知识结构。

四、解决实际问题，接受实践的检验

教师在教学中应注重引导学生认识到：生产生活中的高新技术、高科技产品都源自基本自然科学原理的发展，是在“传承”基础上的“发展”。因此，教师应引导学生应用学过的物理知识和规律去解决生活中的实际问题，接受实践的检验。这也是一种对“物理源于生活，服务于生活”课程理念的渗透。

（一）“手插发电”实验原理解释

师运用刚才总结的条件，请同学们来解释一下：本课一开始的实验中，为什么老师可以产生感应电流，而那位同学不可以？

生老师手里的磁铁通过线圈的时候，线圈里面的磁通量发生了变化，产生了感应电流。

（二）“摇绳发电”实验检测地磁场的存在

师利用本节课所学的知识能否设计一个简单的实验方案，来检测一下地磁场的存在？

生用长导线和电流表连成闭合回路，然后想办法让闭合回路中的地磁场磁通量发生变化。

生可将导线绑在一根长绳上，然后摇动长绳。

师（出示图13）这个场景能否在本节课中找到模型？

生和闭合电路中的部分导体在磁场中切割磁感线运动产生感应电流相类似。

师摇绳时，东西方向站立和南北方向站立哪个发电效果更好些？

生地磁场是南北方向的，应该东西方向站立。

（教师提供长导线，绑在长绳上，与电流传感器组成闭合回路，请两名学生东西向站立在教室外走廊里摇绳，得到如图14所示的It图像。）

学生通过对这两个生活问题的解决，不但能够巩固本节课所学的内容，还对物理模型的类比有了更为清晰的认识。依托解決实际问题的教学实践更能让学生主动思考，提升他们的学习能力。

基于学习进阶的物理教学，要培养学生成为拥有“主体性觉悟”的“探究者”，即通过探究活动的实施，让师生成为“探究的共同体”，依托小组合作，提高学习参与度和学习效率，进而完成思维和认知的进阶。本节课通过演示实验和探究实验来引发学生的认知冲突，引导学生分析背后的原因，从具体到抽象，实现物理逻辑思维的连贯性和进阶性。在学习活动中，不断重复“描述实验现象—总结规律—解释原因”的科学研究三环节，帮助学生认知从现象走向本质。

*本文系江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“全面落实立德树人的普通高中高质量发展研究”（编号：D/2020/02/164）和中国教育科学研究院STEM教育研究中心课题“STEM实验教学情境校本开发与课堂实施策略研究”（编号：2019STEM022）的阶段性研究成果。

参考文献：

[1] 孙春成，徐凌峰.“感应电流产生条件演示仪”的制作与运用[J].物理通报，2018（2）.

[2] 周革润.基于物理核心素养下的学习进阶的教学设计——以“探究感应电流的产生条件”为例[J].物理教师，2019（5）.

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