感悟物理 走進科學

任煒東

2006年暑期的骨干教師培訓中，北京市教育學院張維善教授的講座“物理教師的素質”在我的心底產生了共鳴。他談到：“科學的本質特征是科學知識、科學過程、科學文化的和諧統一，物理學科教學要以學生掌握科學的完整內涵、全面提升學生的科學文化素質為目的，物理教師要爭取學生全面發展與創造優異成績的雙贏。”這為我指明了教學研究的方向，開啟了我的新課改之路，在眾多物理課中最難忘的是《電磁感應現象》一課。

■課前慎思——叩問科學教育的目的

《電磁感應現象》一課是感應電動勢大小計算、感應電流方向判斷、互感自感現象等教學內容的基礎。

在初中，學生已經了解了“電生磁，磁亦生電”，知道“閉合電路中的一部分導體在磁場中切割磁感線就會產生感應電流”，理解了從“切割”角度分析感應電流的產生條件，認為“切割”就是產生感應電流的普遍條件，本節課則是要通過師生共同的科學探究突破這一定式。

據此，我在科學過程與科學文化方面設計的教學目標是：學生在產生感應電流的條件探究、歸納與質疑中，領悟由靜到動、由狀態分析到過程分析等思想方法，建立磁通量概念，認識科學歸納對實踐活動的指導意義，激發分類、比較、歸納的自覺意識。教學重點是認識產生感應電流的條件，深入理解磁通量概念，幫助學生建立起對科學方法的感悟。解決好探究活動中學生出現的問題：把握不住探究問題、面對多個實驗現象理不出頭緒歸納不出實驗結論。

我確定的教學流程是，從歷史上對電磁感應現象的研究過程入手，了解法拉第如何找到研究的問題所在，以三個典型實驗為基礎，圍繞感應電流產生的條件這一問題展開，在實驗觀察的基礎上，理出頭緒、分析論證、建立概念、歸納結論。

■課中掠影——探索科學教育的規律

1.問題的提出

在奧斯特發現電流磁效應之后，法拉第歷時10年終于發現“磁能生電”，為了讓學生了解法拉第發現電磁感應現象的過程為什么如此艱難，我調整了教材中的第二個實驗，設計了如下教學過程。

師：電流周圍存在磁場，磁場周圍存在電流嗎？如果利用實驗驗證，需要哪些器材檢驗電流的存在？

生：要用到磁鐵、導線、電流表。

師操作：如圖1，先出示一根小的條形磁鐵，一個螺線管，一個電流表。將條形磁鐵插入螺線管之后，連通電流表。發現電流表指針不動。是什么原因呢？

生：磁鐵的磁性不強。

師：斷開電路，換一根磁性強的磁鐵，再接通電路，仍無現象！怎么才能產生感應電流？

生：提出圖2“切割”實驗方案（初中做過）。

教師請學生上臺選擇器材演示并講解如何利用磁來生電。并提出設問：為什么“切割”就能產生電磁感應現象？

師揭示“由靜到動”的思想突破歷程，指出圖1實驗失敗的原因在于沒有在閉合電路的情況下改變磁體的磁性強弱，這跟歷史上很多科學家的思路一樣，人們無論怎么增加磁鐵的磁性、提高電流表的靈敏度，都無法產生電流！介紹安培“坐”失良機、科拉頓“跑”失良機的故事。

【設計意圖】多數學生經過初中學習僅是從事實上知道磁能生電，并不理解歷史上科學家們遇到的困難在哪里。奧斯特實驗中通電導線是不動的，只要有電流存在，它周圍就有磁場，而電磁感應現象的產生必須有磁通量變化或切割磁感線的過程，這正是本節課學生探究與理解的難點，即要從以往靜態的思維方式轉變為動態的思維方式。這樣一種研究思路如果作為知識直接告知，學生將無法體會到舊有思想對人的禁錮和科學家們追求真理的艱辛，涉及科學過程與科學文化的教學目標就無從實現。

2.探究感應電流產生的條件

教師設問：你做的這個實驗中（如圖2），閉合電路在哪兒？該閉合電路各部分靜止時為什么沒有電流產生？哪部分導體在做切割磁感線運動？畫出t1、t2時刻的電路結構草圖和磁場分布情況（如圖3）。部分導體切割磁感線運動是產生感應電流的普遍條件嗎？即在沒有任何導體切割磁感線運動的情況下，是否也有可能產生感應電流？

【設計意圖】教師通過追問及畫圖過程，使學生明確了研究對象和建模方法，在畫圖過程中突出研究對象——閉合電路和穿過電路的磁場，教給學生在電磁感應中狀態分析、過程分析的方法，為探究活動做好鋪墊。

受圖1實驗的啟發，學生提出實驗方案，在教師的引導下確定“證偽”的方案，利用圖1、圖4所示的實驗器材開展探究活動：觀察是否有感應電流產生；記錄如何操作能產生感應電流；繪制剖面圖，明確t1、t2時刻的電路和磁場分布情況（如圖5）；得出研究結論；學生匯報演示。

在圖1實驗中，學生的常見做法有：用條形（蹄形）磁鐵插入線圈或沿與線圈平面平行的方向平移。學生對現象的解釋：（1）磁鐵相對線圈向下運動的過程中，相當于線圈那部分電路向上運動，切割了磁感線產生感應電流，因此可以說切割磁感線運動是產生感應電流的普遍條件。（2）當磁鐵產生的磁場與線圈截面平行，相對移動過程中線圈沒有切割磁感線，因此從另一側面說明切割磁感線運動是產生感應電流的普遍條件。

在圖4實驗中，學生的常見做法有：（1）當線圈A、B相對靜止時，閉合或斷開電磁鐵電路開關，有感應電流產生，此時線圈并沒有切割磁感線運動。（2）當開關一直接通時，沒有感應電流。（3）當開關一直接通，調節滑動變阻器接入電路的阻值時，線圈B中會產生感應電流。（4）當開關一直接通，插拔線圈A中的鐵芯，線圈B中會產生感應電流。

【設計意圖】讓學生在認知沖突中實現有意義的學習。此處我留給學生較充裕的時間，引導學生控制實驗條件、觀察現象變化，鼓勵同學間合作交流并形成思維沖突。并提出了下一個待解決的問題：如何概括圖4實驗中產生感應電流的條件？在師生的交流與碰撞中，產生了兩個發現：一是3個實驗中產生電磁感應的條件有差異，即實驗1時磁鐵動，實驗2時導線動，實驗3時磁場變；二是3個實驗中穿過閉合電路的磁感線條數都變化。在兩個發現中副板書（由圖1-5組成）的對比作用很大，第二個發現使磁通量概念的建立水到渠成，實現了“復雜問題簡單化，簡單問題理論化、概括化”。

3.建立磁通量概念，理解電磁感應現象的條件

借助副板書，通過分析、比較、歸納、概括，學生經歷了有意義的學習過程，在得出結論的同時清晰了分析問題的步驟：確定閉合電路所圍平面畫剖面圖，確定該面積的初狀態Φ1和末狀態Φ2，確定磁通量的變化，得出結論。通過問題討論：“磁場變就會有感應電流嗎”，有效克服把“磁場變化”當成“磁通量變化”的錯誤認識。并利用學生探究實驗中的兩個挫折使理論問題具體化。做法是：將圖4中的線圈A放在線圈B的一側，改變磁場，B中磁通量改變，仍能產生感應電流；線圈A水平放在線圈B上方，改變磁場，發現沒有感應電流，可見磁場變了，但穿過大線圈平面的磁通量始終為0，所以仍然不會產生感應電流。

【設計意圖】通過分析強化“穿過閉合電路的磁通量發生變化”是產生感應電流的條件，比較一系列似是而非的說法。

■課后反思——構建師生同行的物理課堂

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中指出：高中階段是學生主體意識的成熟期，也是主體性建構的關鍵期。高中教育應著力完成學生主體意識的培育和主體性的建構。高中物理課程肩負著培養學生科學素養的重任，從科學課程出發，創造條件鼓勵學生開展探究活動，可以促使學生實現從被動接受到主動獲取知識的轉變。但要注意，學生的參與并不代表其主體性的建構，學生動手做實驗了也不能說明其主體地位一定落實。“只有學生的思維以及與該思維相應的行為（行動）對所研究問題具備了真正的、切實的、自始至終的參與，才是學生主體的落實。”（續佩君）

依據上述要求，我的做法是：

創設引人入勝的情景。以情景串引發學生問題，以問題串促進學生的實驗觀察和邏輯思維。本節課中出現的5個實驗，使學生經歷了模擬歷史設疑激趣，喚起記憶明確方法，問題引思分組探究，實驗設疑加深理解等環節。學生中出現了較具創造性的實驗方法，為之后理解磁通量概念提供了鮮活的例子。

設計發人深省的問題。在向學生呈現一系列直觀情景時，我們的落點應是學生有效的實驗觀察與操作，以及邏輯推理思辨過程。這就要求教師圍繞教學中的核心問題創設情景，從而引發學生的問題，讓學生經歷問題的發現、提出，問題的分解、細化，方案的設計實施，探究條件的控制，實驗結論的理解。在教學設計中教師必須進行問題的預設，力爭設計出一系列良性問題，促進學生的有效思維參與。

營造有效思維的課堂。本課的一些環節體現了學科方法的連續性，如描述感應電流產生條件時，將磁通量變化過程通過副板書具體體現為：t1時刻穿過面的磁通量Φ1，t2時刻穿過面的磁通量Φ2；對于t1→t2（即Δt）這個過程對應磁通量的變化ΔΦ，這種板書設計既有利于學生體會“磁生電”這個磁通量變化過程，又有利于之后磁通量變化率的引入，既是對力學思維方法中狀態、過程分析的正遷移，又為電磁感應的后續教學做好了鋪墊。

追求師生心靈的共鳴。在法拉第歷經10年發現電磁感應現象的過程中，有三點值得師生共同學習：一是對于自然界各種現象普遍聯系的堅定信念；二是堅持不懈的毅力；三是規范的行為及思想的解放。在法拉第等科學家身上閃耀的科學之光，正是我們后輩應該繼承與發揚的，也是當今課改賦予物理學科的重要使命。教學中，我努力將自己對物理學科的熱愛傳遞給學生，在追求師生心靈共鳴的過程中傳承科學文化。

我認為，物理教學使學生獲得豐富的物理知識同時，應讓學生感受物理學固有的追求真理、崇尚理性、尊重實踐的精神，發展學生的科學理性、創新意識和實踐能力，同時，通過物理學習訓練的一套思維方法為學生今后的學習、生活奠定基礎。■

□編輯王宇華