拾“階”而上,教學(xué)物理概念

董友軍 閔喜珍

摘要：學(xué)習(xí)進(jìn)階是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)所遵循的連貫、深入思維路徑的描述，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)所遵循的連貫、典型學(xué)習(xí)路徑的描述。要促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，首先要明確什么是“階”。根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，可以確立經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合這樣的五“階”。粵教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)《互感和自感》一課，以此五“階”為“腳踏點(diǎn)”，拾“階”而上，展開教學(xué)。促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階不是簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)劃分，還需要尋求一些有效的教學(xué)策略支撐，如指向素養(yǎng)提升、滲透思政元素、密切聯(lián)系生活等。

關(guān)鍵詞：高中物理；學(xué)習(xí)進(jìn)階；概念教學(xué)；核心素養(yǎng)

*本文系廣東教育學(xué)會(huì)“十四五”規(guī)劃教育科研重點(diǎn)課題“基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐研究”（編號(hào)：GDESH14002）的階段性研究成果。學(xué)習(xí)進(jìn)階是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)所遵循的連貫、深入思維路徑的描述，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)所遵循的連貫、典型學(xué)習(xí)路徑的描述。［1］而要促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，首先要明確什么是“階”。“階”是學(xué)生認(rèn)知過程中的各個(gè)“腳踏點(diǎn)”，正是一個(gè)個(gè)連續(xù)的“階”將學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)連接起來。根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，我們可以確立這樣的五“階”：經(jīng)驗(yàn)，指學(xué)生具有尚未關(guān)聯(lián)的零散事實(shí)；映射，指學(xué)生建立事實(shí)與術(shù)語之間的關(guān)系；關(guān)聯(lián)，指學(xué)生建立術(shù)語與多個(gè)事實(shí)的關(guān)系；系統(tǒng)，指學(xué)生從系統(tǒng)角度協(xié)調(diào)變量關(guān)系；整合，指學(xué)生統(tǒng)整對(duì)某一科學(xué)觀念的理解。［2］為了便于理解及應(yīng)用，借助SOLO分類理論，將其轉(zhuǎn)化為層級(jí)圖示（如下頁圖1所示）。

下面，以粵教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)《互感和自感》一課為例，闡述如何拾“階”而上，教學(xué)物理概念。

一、 教學(xué)過程

（一） 經(jīng)驗(yàn)層級(jí)：立足現(xiàn)象，顯露前概念

在未正式開始學(xué)習(xí)物理概念之前，學(xué)生擁有關(guān)于這一概念的尚未關(guān)聯(lián)的零散事實(shí)。因此，在物理概念教學(xué)伊始，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)（如實(shí)驗(yàn)），立足現(xiàn)象，充分顯露學(xué)生的前概念。

《互感和自感》一課，教師首先引導(dǎo)學(xué)生回顧：如圖2所示，給螺線管加上電流，螺線管周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；若螺線管中的電流發(fā)生變化，則螺線管周圍的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)：（1） 若在螺線管外部磁場(chǎng)某處放入一個(gè)閉合線圈，由法拉第電磁感應(yīng)定律，推測(cè)得到這個(gè)線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；（2） 因?yàn)槁菥€管內(nèi)部磁場(chǎng)也發(fā)生變化，由法拉第電磁感應(yīng)定律，推測(cè)得到這個(gè)螺線管自身也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

為了證明以上推測(cè)，教師設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析與歸納。

實(shí)驗(yàn)1：如圖3所示，把一根普通導(dǎo)線繞成30圈以上的線圈，連接在小燈泡兩端，讓線圈與小燈泡組成閉合回路。在電磁爐上放一個(gè)裝有部分水的鐵碗，接通電磁爐電源，讓電磁爐穩(wěn)定運(yùn)行。把閉合回路移到電磁爐上方，發(fā)現(xiàn)小燈泡發(fā)光。小燈泡之所以發(fā)光，是因?yàn)榫€圈上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而驗(yàn)證了推測(cè)（1）。

實(shí)驗(yàn)2：如圖4所示，小燈泡A1與滑動(dòng)變阻器R相連，小燈泡A2與線圈L相連，閉合開關(guān)S瞬間，發(fā)現(xiàn)與滑動(dòng)變阻器R相連的小燈泡A1立刻正常發(fā)光，而與線圈L相連的小燈泡A2卻逐漸變亮。小燈泡A2之所以逐漸變亮，是因?yàn)榫€圈上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙燈泡電流立即變大，從而驗(yàn)證了推測(cè)（2）。

實(shí)驗(yàn)3：如圖5所示，小燈泡A與線圈L并聯(lián)，先閉合開關(guān)S，待小燈泡A正常發(fā)光后，再斷開開關(guān)S，發(fā)現(xiàn)小燈泡A不是立即熄滅，而是逐漸熄滅。小燈泡A之所以逐漸熄滅，是因?yàn)榫€圈上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙小燈泡電流立即變小，從而驗(yàn)證了推測(cè)（2）。

教師鼓勵(lì)學(xué)生用自己的語言歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，會(huì)在自身線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì)。

楊振寧教授說：“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源。”物理概念教學(xué)，教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)活動(dòng)，從現(xiàn)象中找到物理概念的事實(shí)依據(jù)，體現(xiàn)物理概念“從生活中來”，從而培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用自己的語言進(jìn)行分析、歸納、交流，有利于培養(yǎng)自身的科學(xué)探究能力。

（二） 映射層級(jí)：削枝強(qiáng)干，建立概念模型

顯露學(xué)生的前概念后，教師要帶領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)事物的具體特征與抽象術(shù)語之間的映射關(guān)系。而真實(shí)情境比較復(fù)雜，為了突出主要因素而忽略次要因素，物理研究常用模型建構(gòu)的方法。

在引出互感和自感的概念后，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生把演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為物理模型，分析互感現(xiàn)象和自感現(xiàn)象。

針對(duì)圖3中的實(shí)驗(yàn)，電磁爐相當(dāng)于螺線管X，導(dǎo)線與小燈泡連接相當(dāng)于閉合回路Y，電磁爐接通交流電源相當(dāng)于通過螺線管X的電流IX發(fā)生變化，即在螺線管X周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)BX，變化的磁場(chǎng)BX讓閉合回路Y的磁通量ΦY發(fā)生變化，從而在閉合回路Y中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EY，因此在閉合回路Y中形成感應(yīng)電流IY，故小燈泡發(fā)光。這個(gè)現(xiàn)象是當(dāng)線圈（螺線管）X中的電流變化時(shí)，會(huì)在線圈（閉合回路）Y中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故為互感現(xiàn)象。根據(jù)以上分析，教師引導(dǎo)學(xué)生得出互感規(guī)律：互感電動(dòng)勢(shì)的大小為E=nΔΦΔt；互感電流的方向滿足楞次定律。

針對(duì)圖4中的實(shí)驗(yàn)，線圈L相當(dāng)于螺線管X，閉合開關(guān)S相當(dāng)于通過螺線管X的電流IX變大，即螺線管X中的磁場(chǎng)BX變大，從而螺線管X的磁通量ΦX變大。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在螺線管X中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EX，再根據(jù)楞次定律，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EX要阻礙原電流IX增大，因此通過與線圈L串聯(lián)的小燈泡A2的電流IX逐漸增大，故小燈泡A2逐漸變亮。這個(gè)現(xiàn)象是當(dāng)線圈（螺線管）X中的電流變化時(shí)，會(huì)在線圈（螺線管）X中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故為自感現(xiàn)象。

針對(duì)圖5中的實(shí)驗(yàn)，線圈L相當(dāng)于螺線管X，斷開開關(guān)S相當(dāng)于螺線管X中的電流IX變小，即螺線管X中的磁場(chǎng)BX變小，從而螺線管X的磁通量ΦX變小。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在螺線管X中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EX，此時(shí)螺線管X與小燈泡A形成閉合回路，再根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EX要阻礙原電流IX減小，即線圈L中的電流逐漸變小，故小燈泡A逐漸熄滅。這個(gè)現(xiàn)象也是當(dāng)線圈（螺線管）X中的電流變化時(shí)，會(huì)在線圈（螺線管）X中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故為自感現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相關(guān)理論，得出自感規(guī)律：自感電動(dòng)勢(shì)的大小為E=LΔIΔt，其中L表示自感系數(shù)，它與線圈的大小、形狀、匝數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關(guān)。自感電流的方向滿足楞次定律，即自感電流“阻礙原電流變化”：若原電流增大，則自感電流方向與原電流方向相反；若原電流減小，則自感電流方向與原電流方向相同。教師補(bǔ)充說明：自感系數(shù)的單位是亨利，簡(jiǎn)稱亨，符號(hào)為H；物理學(xué)家亨利于1831年發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象，于1835年解釋自感現(xiàn)象，他沒有申請(qǐng)專利，而是把他的研究成果及其發(fā)明創(chuàng)造無償獻(xiàn)給了社會(huì)，其高風(fēng)亮節(jié)、無私奉獻(xiàn)精神受到后人敬仰，因此人們把自感系數(shù)的單位定為亨利。

教師引導(dǎo)學(xué)生先把演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為物理模型，再用物理學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理等科學(xué)思維。自感系數(shù)單位命名的故事，體現(xiàn)了物理學(xué)家無私奉獻(xiàn)的精神，有利于滲透物理課程思政，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等素養(yǎng)。

（三） 關(guān)聯(lián)層級(jí)：強(qiáng)調(diào)聯(lián)系，完善概念結(jié)構(gòu)

任何物理概念都不是孤立存在的，每個(gè)物理概念都與其他概念相互聯(lián)系，形成縱橫交錯(cuò)、上下層級(jí)結(jié)構(gòu)。因此，在建立各個(gè)獨(dú)立的概念模型后，教師要帶領(lǐng)學(xué)生形成概念結(jié)構(gòu)。

在上述概念分析的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生尋找各個(gè)物理概念之間的邏輯關(guān)系。如圖6所示，螺線管X中的電流IX發(fā)生變化，會(huì)引起螺線管X的磁感應(yīng)強(qiáng)度BX發(fā)生變化。若在螺線管X外部某處放入一個(gè)閉合線圈Y，則線圈Y的磁通量ΦY發(fā)生變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈Y上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EY，從而產(chǎn)生互感現(xiàn)象。螺線管X中的電流IX發(fā)生變化，會(huì)引起螺線管X的磁感應(yīng)強(qiáng)度BX發(fā)生變化，則螺線管X自身的磁通量ΦX也發(fā)生變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，螺線管X上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EX，從而產(chǎn)生自感現(xiàn)象。互感現(xiàn)象和自感現(xiàn)象，本質(zhì)上都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都滿足法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧教學(xué)過程，根據(jù)物理概念之間的邏輯聯(lián)系，讓每個(gè)學(xué)生在自己心中建構(gòu)概念圖式，有利于學(xué)生形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力。通過概念圖式，可以清晰地看出互感現(xiàn)象、自感現(xiàn)象的本質(zhì)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，有利于學(xué)生深入理解概念的本質(zhì)，完善概念結(jié)構(gòu)。

（四） 系統(tǒng)層級(jí)：切身體驗(yàn)，凝聚概念系統(tǒng)

完善概念結(jié)構(gòu)以后，學(xué)生要能從系統(tǒng)層面上協(xié)調(diào)多要素結(jié)構(gòu)中各變量的自變與共變關(guān)系。顧明遠(yuǎn)教授說：“學(xué)生成長在活動(dòng)中。”活動(dòng)重在體驗(yàn)。學(xué)生通過切身（具身）的體驗(yàn)活動(dòng)，可以對(duì)概念產(chǎn)生深刻的感悟，凝聚概念系統(tǒng)。

教師設(shè)置學(xué)生切身體驗(yàn)環(huán)節(jié)，以幫助學(xué)生深化概念。如圖7所示為觸電體驗(yàn)儀（俗稱“千人震”），裝有一節(jié)電動(dòng)勢(shì)為1.5V的干電池。教師引導(dǎo)學(xué)生積極猜測(cè)：兩個(gè)同學(xué)各一只手握住其中一個(gè)小球，另一只手與其他同學(xué)手拉手圍成一個(gè)閉合回路，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，同學(xué)們會(huì)不會(huì)有觸電的感覺？當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，同學(xué)們會(huì)不會(huì)有觸電的感覺？學(xué)生發(fā)表各種猜測(cè)后，教師實(shí)際閉合和斷開開關(guān)，讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)：閉合開關(guān)時(shí)，沒有觸電的感覺；斷開開關(guān)時(shí)，有明顯觸電的感覺。

接著，教師先把觸電體驗(yàn)儀轉(zhuǎn)化為物理模型——閉合電路（如下頁圖8所示），再請(qǐng)學(xué)生分析：同學(xué)們手拉手連接在導(dǎo)線1和導(dǎo)線2兩端，等效于與鎮(zhèn)流器并聯(lián)，閉合開關(guān)時(shí)，由于電源電動(dòng)勢(shì)為1.5V，在同學(xué)們身上產(chǎn)生的電流很小，所以大家沒有觸電的感覺；斷開開關(guān)時(shí)，鎮(zhèn)流器中的電流突然減小，由于自感現(xiàn)象，會(huì)在鎮(zhèn)流器中產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，而鎮(zhèn)流器與同學(xué)們組成閉合回路，則會(huì)在這個(gè)閉合回路中產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)電流，因此大家會(huì)有明顯的觸電感覺。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。物理知識(shí)學(xué)習(xí)完后，教師創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生切身體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。這樣的體驗(yàn)活動(dòng)，既可以幫助學(xué)生感受物理知識(shí)的魅力，激發(fā)物理學(xué)習(xí)興趣，也可以讓學(xué)生加深對(duì)物理知識(shí)的理解，凝聚物理概念系統(tǒng)。

（五） 整合層級(jí)：遷移應(yīng)用，升華概念層級(jí)

概念學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)之一是能靈活應(yīng)用概念。而物理知識(shí)來自生活，又服務(wù)于生活。因此，教師密切聯(lián)系生活，創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生靈活應(yīng)用概念，進(jìn)而在應(yīng)用中將對(duì)概念的認(rèn)知加以整合，上升為物理觀念。

首先，教師精選生活中利用互感現(xiàn)象、自感現(xiàn)象的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性分析。如圖9所示，變壓器利用互感現(xiàn)象，可以把低壓升為高壓進(jìn)行遠(yuǎn)距輸送，也可以把高壓降為低壓進(jìn)行日常照明；如圖10所示，日光燈利用自感現(xiàn)象，在電源開關(guān)接通時(shí)，由于啟輝器通電后很快斷電，在鎮(zhèn)流器上產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，使燈管內(nèi)的氣體電離發(fā)出紫外線，激發(fā)管壁上的熒光粉發(fā)出可見光，從而讓日光燈正常工作。

接著，教師精選生活中防止互感現(xiàn)象、自感現(xiàn)象的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性分析：如圖11所示，電源連接器避免了互感現(xiàn)象，即通過連接器內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)，可以減少電源接通時(shí)，因?yàn)榛ジ鞋F(xiàn)象而對(duì)用電設(shè)備造成的損傷；如圖12所示，安全開關(guān)避免了自感現(xiàn)象，即通過安全開關(guān)的特殊處理，可以減少高壓線在接通和斷開的瞬間，因?yàn)樽愿鞋F(xiàn)象而對(duì)線路設(shè)備造成的損傷。

用互感現(xiàn)象、自感現(xiàn)象解釋生活實(shí)例，有利于學(xué)生理解概念，增強(qiáng)學(xué)生用物理知識(shí)分析實(shí)際問題、解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。針對(duì)互感現(xiàn)象、自感現(xiàn)象，列舉利用與防止的實(shí)例，體現(xiàn)了辯證思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

二、 教學(xué)反思

促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階不是將課堂簡(jiǎn)單地劃分為幾個(gè)環(huán)節(jié)，它要求這些環(huán)節(jié)中的學(xué)習(xí)活動(dòng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)必須具有可操作性和富有成效，因此還需要尋求一些有效的教學(xué)策略來支撐。

（一） 指向素養(yǎng)提升

中學(xué)物理概念教學(xué)的目標(biāo)不是概念本身，而是通過物理概念學(xué)習(xí)，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。在課堂教學(xué)過程中，如何培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)？可以簡(jiǎn)化為如下關(guān)系：物理知識(shí)+真實(shí)情境+實(shí)踐活動(dòng)=物理學(xué)科核心素養(yǎng)。在備課過程中，采用“三序合一”設(shè)計(jì)教學(xué)過程，能夠有效落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。三序是指知識(shí)序、進(jìn)階序、素養(yǎng)序。知識(shí)序?yàn)槲锢韺W(xué)科知識(shí)呈現(xiàn)順序，進(jìn)階序?yàn)閷W(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)展層級(jí)順序，素養(yǎng)序?yàn)槲锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)順序。“三序合一”就是指在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，把物理學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，按照某種邏輯關(guān)系進(jìn)行排序，讓中學(xué)物理概念教學(xué)過程既符合學(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)展層級(jí)順序，又培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二） 滲透思政元素

物理課程思政，是指以物理知識(shí)為載體，融入思想政治教育內(nèi)容，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生思想政治素養(yǎng)的教學(xué)理念。

本節(jié)課精選教學(xué)素材，滲透物理課程思政。例如，介紹物理學(xué)家亨利的事跡，滲透品德修養(yǎng)；介紹我國在特高壓輸電變壓器方面的成就，滲透家國情懷。

（三） 密切聯(lián)系生活

認(rèn)知心理學(xué)表明，要讓學(xué)生真正理解知識(shí)，最有效的方式就是把知識(shí)應(yīng)用于生活。［3］建構(gòu)主義教學(xué)觀指出，知識(shí)不能脫離真實(shí)生活而抽象存在，課堂教學(xué)應(yīng)該與真實(shí)生活聯(lián)系起來。在物理概念教學(xué)過程中，教師要把物理概念引向生活，聯(lián)系生活。

互感、自感現(xiàn)象及其應(yīng)用在生活中經(jīng)常出現(xiàn)，教師精心挑選生活素材，把互感、自感融于生活素材（如高壓輸電變壓器、高壓線安全開關(guān)）中，讓學(xué)生把生活素材轉(zhuǎn)換為物理模型，運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律解決實(shí)際生活問題，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力，體現(xiàn)物理學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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