創設序列微情境 促進知識結構化
——以“電磁感應 發電機”的教學為例

何季軍，曹建軍

1.南通市教育科學研究院，江蘇 南通 226001

2.南通市虹橋二中，江蘇 南通 226001

《義務教育課程方案（2022 年版）》明確指出，要培養學生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力，必須注重真實情境的創設，加強知識間的內在關聯，促進知識結構化［1］。《義務教育物理課程標準（2022 年版）》在教學建議中倡導情境化教學、突出問題教學［2］。物理課程標準中“情境”至少出現53 次，這表明情境在物理教學中的重要性。情境如何促進學生知識結構化，是一線教育工作者當前迫切需要解決的問題。本文嘗試構建促進學生知識結構化的核心情境和微情境序列的教學設計，并以初中物理“電磁感應 發電機”為例說明其教學設計和實施過程。

1 構建知識結構，挖掘核心知識

知識結構源于布魯納的“學科結構”，他指出學科教學務必使學生理解該學科的基本結構，學習學科的基本結構有利于促進學生認知結構的發展，從而開啟了結構主義課程改革，編制結構化的學科課程并實施。現行的初中物理教材注重學科、學生認知建構與心理發展的統一，知識產生于所設計的一系列學習活動之中，知識結構被遮蔽。知識結構內隱于教師的腦海與教學行動之中，要使其顯性化，這就需要教師發揮主觀能動性，從學科結構的視角挖掘教材的知識并構建知識結構，在知識結構體系中挖掘核心知識，從而抓住知識結構的核心，使散亂、無序的知識在核心知識的統攝下形成連貫、有序的知識結構。

蘇科版教材在“電磁感應 發電機”中設置了三個活動：“觀察磁生電現象”活動旨在建立電磁感應現象、感應電流的概念；“探究感應電流產生的條件”活動旨在利用實驗室器材探究怎樣才能產生感應電流以及感應電流的方向與哪些因素有關；“觀察手搖發電機發電”活動旨在從科學與工程實踐的視角探究感應電流的周期性變化及其能量轉化［3］。從教材的序列看，“電磁感應”所涉及的知識主要有：電磁感應現象、感應電流、產生感應電流的條件、感應電流的方向、交變電流等，圖1 是這一節的知識結構，涵蓋了本節的主要內容。

圖1 “感應電流 發電機”的知識結構

從知識結構圖中可以看出，本節知識是在電磁感應現象的基礎上生長而來。如何產生感應電流涉及到其產生條件（“看得見”的條件），深研感應電流就必然涉及其方向和大小（唯象），感應電流的方向和大小又與產生感應電流的條件中物理量的方向和大小密切相關（溯因）。電磁感應在技術上的應用是利用發電機產生感應電流，這種感應電流具有大小和方向隨時間呈周期性變化的特點，所以命名為交變電流。因此，電磁感應的概念是本節知識的基礎和關鍵，所以將電磁感應的概念確定為本節內容的核心知識，其他知識確定為微知識。

2 創設微問題串，開發微情境序

吳加澍老師曾經指出，物理教學設計的過程是“知識問題化”和“問題情境化”的過程，學生學習物理的過程是“在情境中發現問題”并“在問題解決中建構知識”的過程。因此，教師在知識結構化的基礎上需要對微知識進行問題化處理，微問題串由結構化的微知識所產生，微問題串具有內在聯系；微問題與所開發的微情境相對應，微問題的有序促使多個微情境之間能夠形成微情境序；對微情境序有機整合，創建核心情境，系列微情境派生于核心情境之中，核心情境又為多個微情境形成序列提供保障（圖2）。這一情境創設的方式避免了情境之間的孤立化和碎片化，情境與情境之間形成核心情境下的微情境序，有利于深度學習的發生。

圖2 基于知識結構化的情境創設

教材在“電磁感應 發電機”中設置了三個課內情境，分別是體驗微型電扇發電、實驗探究感應電流產生的條件和觀察手搖發電機發電，這些情境之間看似相互獨立，本質上它們之間密切關聯。體驗微型電扇發電是得到核心知識（電磁感應現象）的情境，學生在此情境中學習不僅能感受“磁生電”，還能提出“怎樣才會產生感應電流”（微問題1）、“感應電流的方向和大小與哪些因素有關”（微問題2）、“這種感應電流與日常生活中使用的電流本質上是否相同，發電廠是如何產生這一電流”（微問題3）等問題。

針對微問題1，讓學生進一步觀察拆解后的微型電扇（核心情境），發現有磁體和線圈。由于葉片的旋轉才產生感應電流，學生聯想，感應電流是線圈在磁場中運動產生的，根據“電路通路才有電流”的認識，要產生感應電流，線圈必須是閉合的。由于核心情境中的部分電路既不在磁場中，也不運動，學生容易形成“閉合電路的一部分導體在磁場中運動會產生感應電流”的猜想，從而利用實驗器材搭建實驗裝置進行實驗探究。

針對微問題2，在核心情境中葉片旋轉的快慢會導致發光二極管亮度的變化，學生能夠猜想到“感應電流的大小與運動的快慢有關”，在解決微問題1 的情境中學生能夠發現“運動方向的不同，會導致感應電流方向不同”。

針對微問題3，在核心情境中的葉片轉動就相當于搖動手柄，微型電扇的磁體就相當于蹄形磁體，二極管相當于小燈泡，用電流表替換小燈泡，可觀察到電流的大小和方向周期性變化。

上述研究表明，構建知識結構和核心知識是基礎，微情境和核心情境是關鍵，微問題串是情境與知識的橋梁。學生在情境中發現問題，經由情境作出猜想，在情境中操作以獲取證據，對情境中證據和事實的分析、推理，完成對猜想的科學論證，形成知識及知識結構。這樣的知識及其結構就不再是孤立的，而是與情境密切關聯、富有生命力的知識結構。

3 統整核心情境，促發深度學習

從知識結構化的視角設計物理課堂教學的結構，首先要創設核心情境讓學生感知體驗，在認知沖突中形成問題，在問題解決中構建核心知識。通過對核心知識的反思形成微問題串，在微問題解決過程中反思核心情境，對核心情境進行建構或物理建模形成微情境，從而促進微問題與微情境的有效耦合，在問題解決中所形成的微知識與核心知識實現知識結構化（圖3）。

圖3 課堂教學的結構

3.1 體驗微型電扇發電

教師展示微型電扇并使用，提出問題：猜想電扇里面有什么？ 學生根據之前所學，很容易判斷出里面有電動機。教師再拔下插頭，請一個學生用手指捏插頭的兩個插腳，另一個學生從慢到快地旋轉葉片，讓學生體驗輕微觸電“麻”的感覺。教師再將發光二極管連接到插頭兩個插腳上，請學生從慢到快地轉動風扇葉片，觀察到二極管發光，且轉動越快燈越亮；斷開開關，二極管不發光。

這樣的設計不僅揭秘了“麻”的原因，還讓學生初步體驗運動速度影響電流的大小，以及通路才可能有電，為后續探究作鋪墊。

電動機是用電器怎么會產生電？ 面對學生的疑惑，教師拆開微型電扇讓學生觀察其結構，并引導學生分析得出引起二極管發光的電流是由線圈在磁場中轉動所產生，教師順勢給出這種利用磁場產生電流的現象叫作電磁感應現象以及感應電流的概念，再從科學發展史的角度介紹法拉第持之以恒進行“電磁感應”的探索，培養學生的科學精神。接著追問：對于電磁感應現象中的感應電流，還想知道哪些？ 自然引出“感應電流產生的條件”“感應電流的方向和大小與哪些因素有關”“感應電流有怎樣的應用價值”等問題。

利用微型電扇讓學生“體驗觸電”和讓“二極管發光”的核心情境，激發學生的好奇心和求知欲，驅動需要揭秘的問題一個接一個的出現，學生在注意集中的境地中，釋解一個接一個的疑惑，形成核心知識。對核心知識的追問，又產生了一系列微問題需要解決。

3.2 探究感應電流產生的條件

對于“導體在磁場中如何運動，才會產生感應電流”的問題，教師不急于提供器材讓學生按照教材的裝置進行探究，而是引導學生進一步觀察微型風扇的結構，對其結構進行解構和建模，在小組活動和全班交流的基礎上形成用線圈、導線、磁鐵、開關和檢流計搭建的實驗探究裝置（圖4）。接著探究導體如何運動才會產生電流，學生經歷各種嘗試后雖有所發現，但還不能將產生感應電流的運動歸結為切割磁感線運動。教師適時展示蹄形磁體的磁感線分布圖，引導學生自主發現產生感應電流的運動都在切割磁感線，不切割磁感線的運動沒有感應電流產生，所以切割磁感線是產生感應電流的關鍵。最后斷開電鍵，發現即使切割磁感線，也不能產生感應電流。學生基于對實驗事實的分析，歸納、總結出感應電流產生的條件。

圖4 感應電流產生的條件

進一步追問：在探究過程中還有哪些發現？部分同學會發現導體切割磁感線時電流方向有時不同，那么感應電流的方向與哪些因素有關呢？ 學生再次實驗，確認改變導體切割磁感線時的運動方向，感應電流的方向會改變。請學生在兩套裝置上演示，發現即使導體切割磁感線時的運動方向相同，感應電流的方向也不同，進一步觀察發現可能是磁場方向的不同造成的。通過這樣引發沖突的活動，學生能夠猜想出“感應電流的方向與磁場方向和導體運動的方向有關”，學生再次運用控制變量的思想，進行實驗論證。上述環節也有學生發現電流大小不同，從而引出探究問題：感應電流的大小與什么因素有關呢？ 學生類比推理，猜想除了和導體運動的速度大小有關，還會與磁場的強弱有關，并進行實驗驗證得到結論。

在探究感應電流產生的條件教學環節，主要讓學生“在不同中找相同”，不同的運動方向，找到產生感應電流的相同的運動方式——切割磁感線；探究感應電流的方向與哪些因素有關時，讓學生“在相同中找不同”，同樣產生感應電流，但是感應電流的方向卻不同，從而發現影響感應電流方向的因素。

3.3 觀察手搖發電機發電

教師介紹電磁感應現象的發現對人類文明的影響，人類社會從蒸汽時代邁向電氣時代，推動了第二次工業革命，極大地提高了生產力。展示當代社會最重要的電源——發電機，介紹其基本結構，再展示手搖發電機（圖5），讓學生觀察其構造，并與微型電扇的結構對比，發現其基本結構相同。那么，手搖發電機發電所產生的感應電流有怎樣的特點呢？

圖5 手搖發電機模型

學生搖動手柄觀察發電機轉速對小燈泡亮度的影響，達成共識——燈泡隨轉速增大而變亮，進一步增強對“導體在磁場中切割磁感線速度大，感應電流大”的認識。發電機所產生的感應電流的方向變化嗎？ 將圖中的小燈泡換成電流表，緩慢地搖動手柄，觀察電流表指針的變化情況，學生發現指針一直在“0”刻度線左右晃動，搖動越快，晃動越快，幅度也越大，表明其感應電流的大小和方向均在周期性變化，從而介紹交變電流的概念和日常生活中的交變電流的周期。結合發電機的工作原理圖，教師引導學生解釋為什么發電機所發出的電流是交變電流。最后，介紹“電從發電廠到千家萬戶”，并從能量及其轉化的視角進一步認識發電機。

在觀察手搖發電機發電教學環節，將發電機結構與核心情境相匹配，學生發現其基本結構相同；對交變電流的解釋中，學生綜合運用本節所學知識內容，有利于實現學生的知識結構化；聯系日常生活和人類文明，進一步激發學生的探究興趣和學習渴望。

深度學習是圍繞著具有挑戰性的學習任務，在教師的引領和幫助下，對物理知識的內在結構進行逐層深化的學習，對具體知識知其然，并知其所以然［4］。上述的教學過程符合深度學習的要求，用核心情境和微情境推動課堂教學，學生置身于連貫、有序的物理情境中，圍繞情境提出問題、探究學習、解決問題，建立知識結構、把握實驗探究方法、發展科學思維和科學探究的能力，讓深度學習真正發生。