“法拉第电磁感应定律”教学的失当问题及改进

罗国忠 李丽萍

(广西教育学院教研部，广西 南宁 530023)

1 问题的产生

一直以来，法拉第电磁感应定律是高中物理教学的重难点.由于缺乏成熟可靠的定量实验器材，教材还是以陈述方式展开教学内容，先是回顾实验“导体切割磁感线的快慢不同、磁铁插入线圈的快慢不同，所产生的感应电流也不同”；接着根据这些现象得出定性结论“感应电动势与磁通量变化率有关”；最后提到纽曼和韦伯进行了研究，并直接给出定量结论“感应电动势与磁通量变化率成正比”.不少教师也理所当然地“教教材”，倒是“省时省力”，但学生抱怨有硬塞感，因为缺乏思维参与而囫囵吞枣.一些教师意识到问题，创造性地改造电压表、模拟示波器甚至电流计等传统器材，或直接选用数字示波器、传感器等先进器材，以探究方式展开教学，期望能提升学生思维参与效度，促进深度学习，深入理解知识的来龙去脉.当然，由于探究“费时费力”，以至在常态课中较少见，多见于非常态的比赛课中，因为后者有创新的压力和动力.那么，这些探究是否有效提升了学生思维参与效度？有哪些可取或改进之处？笔者带着问题，认真观看了最近几届全国中学物理青年教师教学大赛的相关教学录像.结果发现，教学确实精彩纷呈，但问题也同样存在，值得反思改进.本文基于案例分析这些问题，并提出改进设想.

2 问题例析及改进设想

2.1 猜测整合突兀，缺乏思想方法引领

对于多因素问题的猜测，学生往往会用零散的概念来表达影响因素.如何凝炼整合这些概念，使之重新概念化成为一个新概念？

案例1.教师甲设计了一个实验：线圈连接LED灯，磁铁划过线圈时，线圈的磁通量发生变化，灯就会亮，可用灯的亮度反映感应电动势大小.演示1：1块、3块磁铁分别划过线圈，3块时灯更亮，学生由此猜测：磁通量变化量大，感应电动势就大.演示2：3块磁铁分别慢、快划过线圈，快划时灯更亮，学生由此猜测：速度大或时间短，感应电动势就大.

教师梳理提炼：也就是说，感应电动势与磁通量变化量、时间有关，看来与它们比值有关.我们重新定义一个物理量：磁通量变化率.是不是可以重新表述为感应电动势与磁通量变化率有关？

学生沉默……

评析.教师通过形象直观的变式实验，有助于引导学生猜测感应电动势与磁通量变化量、时间有关.教师接着马上把猜测因素过渡整合到比值、变化率等概念，但由于缺乏思想方法的引领分析，整合显得过急、跳跃，给人突兀感、硬塞感，以至学生沉默.

改进.(1) 以“简洁”物理思想为指引，搭建建构主义的“脚手架”，从猜测逐步过渡到比值.启发思考：刚才我们猜测感应电动势与磁通量变化量、时间有关，涉及两个自变量，而我们物理人追求简洁，能否把两个自变量整合为一个自变量？……怎么整合呢？不妨这样想，两次电动势大时有何共同特点？……分析比较两次实验结果，找出共性：两次都是磁通量变化量与时间的比值ΔΦ/Δt大，电动势E就大.这样，就把更简洁、更本质的比值引出来，实现了“透过现象看本质”的物理追求.(2) 以“类比”方法架设桥梁，从比值过渡到变化率.启发回忆：比值ΔΦ/Δt这种形式是不是似曾相识？……与加速度a=Δv/Δt相似，它表示速度变化快慢，也称速度变化率.类似地，可否用比值ΔΦ/Δt表示磁通量变化快慢，也称磁通量变化率？如此，借助“类比”这座桥梁，从已知Δv/Δt过渡到未知ΔΦ/Δt，水到渠成地搭建起“磁通量与时间的比值→磁通量变化快慢→磁通量变化率”逻辑线路.显然，这样应用“简洁”思想和“类比”方法，站位更高，思路更开阔，思维更顺畅，更具有思维训练价值.学生既学到知识又学会方法，对知识的得出过程和结果心服口服.

2.2 控制变量法应用失当，影响学生物理素养构建

从结果(现象或数据)到结论是一个“主观”的分析加工过程，结论的合理性取决于加工者的预设观点、是否正确应用方法等.那么，探究“E与ΔΦ、Δt的关系”该用什么方法？在实验操作和数据分析加工时是否正确应用了方法？

案例2.教师让学生用传统器材做分组实验，定性探究感应电动势E与磁通量变化量ΔΦ、时间Δt的关系.具体做法：线圈连接电流计，磁铁穿过线圈时电流计指针偏转，用指针偏转大小反映电动势大小.

第1个实验：同一磁铁从同一高度下落，穿过1个线圈.磁铁第1次自由释放，第2次慢慢滑落.两次穿过线圈的ΔΦ相同，但Δt不同.

学生汇报：自由释放时电流计读数为30，慢慢滑落时读数为10，结论是快速穿过时电动势大.

教师总结：也就是ΔΦ相同，Δt短，E就大，说明E与ΔΦ无直接联系.

第2个实验：不同磁铁从同一高度自由释放，穿过同一线圈.两次穿过线圈的Δt相同，但ΔΦ不同.

学生汇报：磁铁B穿过时读数为26，磁铁A穿过时读数为10，结论是强磁铁穿过时电动势大.

教师总结：也就是Δt相同，ΔΦ大，E就大，说明E与Δt无直接联系.

……

评析及改进.“E与ΔΦ、Δt的关系”属于多因素问题，应用控制变量法进行探究.可以看出，学生的操作步骤是符合控制变量法的，所得结果也是合理的，但教师所得结论呢？不妨先看看，第1次实验结果是“ΔΦ相同，Δt短，E就大”，根据控制变量法的规则，由这个结果只能得出结论“E与Δt有关”，而无法得出结论“E与ΔΦ无关”.类似地，第2次实验结果“Δt相同，ΔΦ大，E就大”，只能得出结论“E与ΔΦ有关”，而无法得出结论“E与Δt无关”.由此看出，教师得出的结论“E与ΔΦ、Δt无直接关系(无关)”是错误的.

控制变量法在中学物理教学中应用频率很高，似乎也不难，按理教师不该出错.但实际上这种错误不是个案，类似这样良莠不齐的方法应用仍在继续误导学生，毫无疑问会影响学生物理素养的构建、提升.究其原因是教师系统学习了物理知识，一般不容易在知识上出错，但对物理思想方法的学习远谈不上系统，因此稍微不慎就会出现错误或争议.

2.3 关注学生认知不够，缺乏精心预设和引导

图1

定量探究“E与ΔΦ/Δt的关系”的难点之一是ΔΦ/Δt的测算，解决办法是把ΔΦ/Δt分解成ΔΦ、Δt，然后分别测算ΔΦ或/和Δt.可用的具体方法分别有：① 控制ΔΦ，改变Δt，测算Δt；② 控制Δt，改变ΔΦ，测算ΔΦ；③ 综合①和②两个方法，ΔΦ、Δt都要测算；④ ΔΦ和Δt都不控制，ΔΦ、Δt都要测算等.前3个是半定量，最后一个是全定量，难度最大.如何引导学生针对既有器材设计合适的方法？方法确定后，又如何测算ΔΦ或/和Δt的大小？

教师接着提问：磁通量Φ跟磁感应强度B有关，需要精密仪器才能准确测量.而这个过程需要两个变量，能否控制一个变量，只改变另一个变量？学生沉默……

教师自问自答：好.那这样的话，控制哪个量？一个学生回答：控制Φ不变.教师追问：怎么做到控制ΔΦ？学生思索……

评析.由于教师对学生认知关注不够，由此疏于问题梯度和语言表述的精心预设，才会出现教师预料不到的两个问题：一是学生启而不发，沉默以对；二是学生错答为Φ，教师则把Φ篡改为ΔΦ.

对于第1个问题，教师的本意是： ① 目标是要比较多次ΔΦ、Δt的比值，② 但现实是ΔΦ难测，既然ΔΦ难测，那就不测ΔΦ，保持ΔΦ不变，只改变Δt.这个思路无可厚非，但教师没有表达清楚其本意，发出的信息含混模糊.首先，教师表述“磁通量Φ跟磁感应强度B有关，需要精密仪器才能准确测量”，其本意是现有条件下Φ、B两个变量难测，导致ΔΦ难测，但教师没有明确表达ΔΦ难测，造成信息含混模糊.接着，教师表述“这个过程需要两个变量，能不能控制一个变量，只改变另一个变量”，这“两个变量”究竟是ΔΦ、Δt还是Φ、B？教师也没有明确表达，造成信息含混模糊，导致学生难以马上判断，故出现沉默.教师只好自问自答，接着追问“控制哪个量”，A学生可能受信息含混模糊的影响，把“两个变量”理解成Φ、B，以至错误回答“控制Φ不变”，当然这不是教师的预设(本意)，但教师显然缺乏心理准备，因此把“Φ”下意识篡改为预设的“ΔΦ”.本来，这不是一件复杂的事情，但由于教师语序的先后颠倒，先②后，而且信息含混模糊，导致学生难以领会其本意，造成不必要的思维负担，以至先沉默、后回答错误.

设想.理清逻辑，调整语序，明确信息.具体做法：①我们需要比较多次ΔΦ、Δt的比值，而②ΔΦ难测，怎么办？……能否在两个变量ΔΦ、Δt中，控制一个变量，只改变另一个变量？……控制哪个量方便？这样的表述逻辑清晰，层次分明，信息准确，减轻了学生不必要的思维负担……

尽管以上都是细节问题，但“细节决定成功”，只有“抓实、抓牢、抓深、抓细”，想学生所想，换位思考，并据此精心预设，否则生硬、突兀，学生思维没有激活、参与，再好的设计理念和思路也会打折扣，实践已经反复证明了这点.

2.4 测量器材有创新性，但思想方法显化不够

定量探究“E与ΔΦ/Δt的关系”的难点之二是E的测量.在磁通量变化过程中，线圈的E、ΔΦ/Δt都是变化的，究竟测或算哪个E值、ΔΦ/Δt值？用什么仪器测？用什么方法算？

图2

案例4.教师丙把改造过的模拟示波器连接图1的线圈，用来测电动势E.示波器的改造如图2所示：按比例给屏幕刻度标上数值，把屏幕显示调节为一个亮点，亮点对应的示数即为E大小.

图3

把数据输入excel表格，生成如图3所示的E-1/Δt直线.直线接近坐标原点，在误差范围内，可认为E与ΔΦ/Δt成正比.

评析及改进.为了测量E值，教师丙创造性改造传统示波器，虽然没有传感器便捷、准确，而且方案设计、误差分析等也比较麻烦，但这些麻烦事为学生综合应用知识和方法提供了契机，具有思维训练价值，关键在于教师能否充分利用.

不仅教师丙，其他教师也一样，不管用什么仪器，都是测量E的最大值，然后只研究E最大值与ΔΦ/Δt最大值的特殊关系，而不是研究两者的一般关系，这样的“以点带面”有说服力吗？其实这个问题蕴含着思想方法的教育价值，但基本没有教师给予说明，甚至可能没有意识到这个问题，失去了一次思想方法显化教育的重要契机.在这个实验中，磁铁下落时，线圈内ΔΦ/Δt在变化、产生的E在变化，眼睛只能勉强捕捉到E的最大值，但无法捕捉到E的其他瞬时值与对应的ΔΦ/Δt，因此无法研究所有时刻的E与ΔΦ/Δt的关系.那么，不能研究所有点，能否研究特殊点？然后类推到一般点？……哪点特殊？既然能捕捉E最大值，那就研究E最大值与对应ΔΦ/Δt最大值的关系……这样的处理用到了不完全归纳、类推等方法，可以把复杂问题简单化，化难为易，从简单、容易的地方(最大值)着手，体现了“方法简洁美”的物理思想.当然，这种“窥管见豹”似的类推有风险，但在现实条件下，没有找到更优的可行方案，不得不这样做.如果学生质疑结论的普遍性，那可以因势利导：假如我们是人类首次研究这个问题，这个结论仍然是初步的、假设的、暂时的，还有待进一步验证，可能被证实、也可能被修改补充、也可能被推翻…人类就是在不断地探求、优化方法的过程中，把科学不断推向前进.到这里不妨刺激一下学生：老师暂时找不到更好办法，但相信“长江后浪推前浪”，这个难题就交给大家课后思考了，看谁能找到更好办法？即使学生想不出，但为学生开一扇门窗，留个悬念、念想总比禁锢思维好，意味着科学永远在路上……很显然，这样的改进设计更具有思想、思维和方法的训练价值.

3 讨论

对于“法拉第电磁感应定律”这节课，教材没有采用实验探究，主要困难是缺乏成熟可靠的器材，但一些逆行者迎难而上，想方设法让学生探究.教师的这种做法本身就是一种探究行为，体现了可贵的创新精神.但是，探究意味着试探解决，并不一定完全解决，留下一些问题或出现新问题并不意外.应该说，这些教师基本解决了器材问题，其暴露的问题多数与器材没有多少关系，主要是教师对学生认知研究还不够，或对物理思想方法挖掘还不够，甚至方法良莠不齐、错误应用，以至缺乏有效合理的方法引导，学生思维参与效度低，囫囵吞枣甚至习得错误，毫无疑问会影响物理素养的构建、提升.其实这些问题并不是实验探究课、非常态课所独有的，在其他课上更加多见、严重.原因至少有两方面：(1) 不重视思想方法.受应试的压力，教师一方面抱怨“器材和时间不够”，难开展探究课，另一方面即使在非探究课上，也是尽量压缩知识得出过程，草草得出知识，思想方法被视为可有可无而挤掉，以便腾出时间大量练题巩固知识，可见“器材和时间不够”不过是一个“合理”幌子.(2) 缺乏思想方法.教师系统学习了物理知识，但缺乏系统学习物理思想方法，确实难以充分或正确挖掘知识形成过程所蕴含的思想方法，“自身不硬”何以“打铁”？高中物理课程标准明确把物理思维列为物理素养，可见教师自身对物理思想、思维和方法的掌握是多么重要、紧迫，在学习中应用、在应用中反思是解决问题的途径之一.