創設真實情境，創新實驗教學

馬慧佳

廣東省東莞市塘廈中學，廣東 東莞 523710

1 創設情境在實驗教學中的必要性

古人云：“學起于思，思源于疑”。而“疑”從何而來？從對不同事物、環境、事件等問題的看法經歷中來，即從“情境”中來。“情”就是感情，只有在感情上形成了共鳴，情理相融，才能促進學習興趣的產生；“境”就是提供一個場景，認知場景，從而促進意義的構建。

學生可以從情境中思考，從疑問中發現和提煉問題，對問題可能的答案作出假設，并根據問題情境運用已有知識制訂探究計劃，設計符合情境要求的實驗裝置進行實驗，獲取客觀真實的數據，通過對數據的分析形成關于物理規律的結論［1］。從培養學生物理學科核心素養的角度，創設情境是物理實驗教學的重要手段，是物理創新實驗教學的必經之路。

2 情境載體的選擇

選擇合適的情境載體，對學生進行完整的實驗探究有重要的推動作用。要根據學生的認知規律、已有的知識儲備等來進行選擇。例如，生活實踐、自然現象、科技前沿、物理學史、思政內容等，無論哪一種，要盡量選擇接近學生生活和閱歷的真實情境，這樣一方面能引發學生的學習興趣，另一方面也能保證實驗教學的順利推進。

3 情境與實驗教學的融合

常規的物理實驗教學以課本中的演示實驗為主，缺乏學生的自主探究。物理是一門以實驗為基礎的學科，看過的實驗能記住，做過的實驗才能理解，只有讓學生“做”，才能促進學生對物理規律的理解，只有理解了，才能進行創新和遷移。創設情境，調動思維，要讓學習真實發生。創設實驗情境，更能激發學生的求知欲，推動學生進行頭腦風暴，促進思考。經歷實驗的探究過程，打碎舊的知識系統，不斷發現驚喜，正如論語所言：“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之”。

以情境為載體的實驗教學，通過“情境—問題—證據—解釋—交流—情境”的循環，來滲透物理核心素養，如圖1所示。

圖1 以情境為載體的實驗教學理論模型

具體的實施途徑如圖2所示。

圖2 以情境為載體的創新實驗教學實施流程

4 “法拉第電磁感應定律”創新實驗教學片段

4.1 以情境為載體的教法與學法

“法拉第電磁感應定律”是2019年版人教版高中物理選擇性必修第二冊第二章的內容。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對該節內容的要求為：“通過實驗，理解法拉第電磁感應定律”。本節內容強調對實驗現象和實驗結果進行歸納推理的方法，以此提升學生對實驗結果進行定性分析的能力。教材中是從感應電流進一步深入到感應電動勢來理解的，即“探究決定感應電動勢大小的因素”，通過“做一做”欄目中的實驗來定性研究，以陳述事實的方式引入法拉第電磁感應定律，涉及的情境創設和定量探究比較少。

從學生的知識儲備來看，學生掌握了有關電磁學的基本知識，對變化量和變化率的概念也有所了解。同時，學生具備了一定的實驗操作的能力，對物理學常用的研究方法已經有了較為深刻的認識。因此，以教材為基礎，創設了新的情境——手機無線充電，從學生感興趣的話題入手，從定性分析到定量研究，由淺入深地引導學生解決問題、創新實驗，從而得出結論，獲得成長。

4.2 “法拉第電磁感應定律”創新實驗教學及設計意圖

4.2.1 引入：創設情境，提出問題

情境：無線充電技術是近年發展起來的新技術，相比有線充電技術，無線充電器與用電裝置之間不用電線連接，使用更加方便，更加安全，如圖3所示。

圖3 無線充電器

問題：手機無線充電器的工作原理是什么？怎樣才能使手機充電更快呢？

設計意圖：無線充電器作為情境的選擇，一方面從科技前沿及學生感興趣的話題入手，引入新課，拉近物理與生活的距離；另一方面是由于無線充電器的內部構造比較簡單，為后續的實驗設計和操作提供可能性。

4.2.2 建構：模型建構，設計實驗

設計驅動性問題（圖4），引導學生一步一步建構物理模型，為實驗設計提供條件。學生小組合作將購買的無線充電器拆開，觀察其內部構造，營造探索的氛圍，提高學生的積極性。

圖4 驅動性問題設定

物理實驗模型的建立：與電源相連的線圈，產生磁場，與小燈泡相連的線圈，可通過同一小燈泡的亮度變化來定性判斷決定感應電動勢大小的因素，如圖5所示。

圖5 物理實驗模型

設計意圖：在教學中，教師作為引導者和把控者，通過語言描述——提問，促進學生的思考，激發學生的學習興趣和求知欲。在這個環節中，拆卸充電器是學生反應最強烈的環節（圖6），從以前的聽到現在的親眼看，瞬間調動起了學生的積極性。以情境為載體，以問題為導向，建構合適且合理的物理模型，使學生的科學思維能力得到提升。

圖6 拆卸無線充電器

4.2.3 創新探究一：定性探究，深度互動

猜想：感應電動勢可能與線圈匝數、磁通量的變化、磁通量的變化率等有關。

方法：控制變量法，與電源相連的線圈部分，直接采用無線充電器，通電后其周圍產生磁場。

原理：通電線圈可以在其周圍產生磁場（充電器），將另一線圈連接燈泡（手機）放在通電線圈上，保持通電線圈的頻率不變，改變與燈泡相連的線圈的匝數，觀察燈泡的亮度變化，定性分析當磁通量變化率不變時，匝數與感應電動勢之間的關系［2］。

實驗現象：

當線圈匝數為2匝時，小燈泡不太亮；當線圈匝數為10匝時，小燈泡比較亮。

結論：頻率不變，磁通量變化的快慢一定時，線圈匝數越多，小燈泡越亮，感應電動勢越大。

設計意圖：定性研究并不精確，但效果也很明顯，采用身邊的事物來完成實驗，增加了實驗的趣味性，使學生的體驗感更強。同時，直接采用無線充電器產生磁場的優勢在于解決問題更為直接，操作也更加簡單方便。

4.2.4 創新探究二：定量探究，得出結論

這一環節主要是定量探究感應電動勢與磁通量變化率之間的關系，采用數字化信息技術DISLab，實驗裝置包含了磁感應強度傳感器（LWE861）、法拉第電磁感應定律實驗器Ⅱ（LW－Q828）、智能電源V2.0、導線、電腦，如圖7所示。

圖7 朗威法拉第電磁感應定律實驗器

其電路安裝及電腦操作界面如圖8所示。

圖8 法拉第電磁感應定律實驗器安裝情況及操作界面

將磁感應強度傳感器置于線圈內部，打開智能電源，調整電源的輸出電壓，使螺線管內部磁場約為5 mT。首先，分別選擇智能電源信號的輸出模式為“梯形波”“三角波”和“鋸齒波”，按下運行鍵，調節各波形幅度，即可得到磁感應強度與對應的感應電動勢的變化情況，觀察二者之間的關系；接著，分別對“梯形波”“三角波”和“鋸齒波”各波段進行選擇區域，得出感應電動勢與磁感應強度變化率的關系，如表1所示。

表1 法拉第電磁感應定律定量實驗結果

設計意圖：從定性到定量是物理實驗的基本流程，數字化的實驗方式更加精確、直觀。通過實驗現象總結實驗結果，在線圈橫截面積一定的情況下，磁感應強度的變化率正比于磁通量的變化率，即在一定的時間內，磁感應強度的變化反映了磁通量的變化，從而得出感應電動勢與磁通量的變化率成正比的定量關系［3］。

4.2.5 升華：歸納總結，遷移反思

回顧本次實驗的全過程，總結出實驗的結論及實驗過程中的收獲，相互交流，為后續學習作準備。

5 結語

本節實驗教學的創新之處主要體現在以下三個方面：首先，在課程的引入上采用了無線充電器這一新的情境載體，并且貫穿始終，真正從解題中抽離出來，開始解決問題；其次，定性研究取材簡單，學生操作方便，極大地增加了學生的參與度，增強了學生的成就感；再次，本實驗融入現代科學技術，采用更加先進、精確的技術手段進行實驗，關注到了未來教學的發展方向。

適度且合理的情境應用于實驗教學中，將情境中的事物或者一段經歷轉化為一個物理探究過程，讓學生在觀察和體驗后有所發現，在思考和分析后有所構思，在討論和探究后有所收獲。將問題情境貫穿于整個創新實驗教學中，采用多樣化的教學方式，利用現代技術，引導學生認識物理本質，增強解決問題的能力，真正將物理核心素養的培養落到實處。