羅國忠 李麗萍

(廣西教育學(xué)院教研部，廣西 南寧 530023)

1 問題的產(chǎn)生

一直以來，法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理教學(xué)的重難點.由于缺乏成熟可靠的定量實驗器材，教材還是以陳述方式展開教學(xué)內(nèi)容，先是回顧實驗“導(dǎo)體切割磁感線的快慢不同、磁鐵插入線圈的快慢不同，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流也不同”；接著根據(jù)這些現(xiàn)象得出定性結(jié)論“感應(yīng)電動勢與磁通量變化率有關(guān)”；最后提到紐曼和韋伯進(jìn)行了研究，并直接給出定量結(jié)論“感應(yīng)電動勢與磁通量變化率成正比”.不少教師也理所當(dāng)然地“教教材”，倒是“省時省力”，但學(xué)生抱怨有硬塞感，因為缺乏思維參與而囫圇吞棗.一些教師意識到問題，創(chuàng)造性地改造電壓表、模擬示波器甚至電流計等傳統(tǒng)器材，或直接選用數(shù)字示波器、傳感器等先進(jìn)器材，以探究方式展開教學(xué)，期望能提升學(xué)生思維參與效度，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，深入理解知識的來龍去脈.當(dāng)然，由于探究“費時費力”，以至在常態(tài)課中較少見，多見于非常態(tài)的比賽課中，因為后者有創(chuàng)新的壓力和動力.那么，這些探究是否有效提升了學(xué)生思維參與效度？有哪些可取或改進(jìn)之處？筆者帶著問題，認(rèn)真觀看了最近幾屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽的相關(guān)教學(xué)錄像.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，教學(xué)確實精彩紛呈，但問題也同樣存在，值得反思改進(jìn).本文基于案例分析這些問題，并提出改進(jìn)設(shè)想.

2 問題例析及改進(jìn)設(shè)想

2.1 猜測整合突兀，缺乏思想方法引領(lǐng)

對于多因素問題的猜測，學(xué)生往往會用零散的概念來表達(dá)影響因素.如何凝煉整合這些概念，使之重新概念化成為一個新概念？

案例1.教師甲設(shè)計了一個實驗：線圈連接LED燈，磁鐵劃過線圈時，線圈的磁通量發(fā)生變化，燈就會亮，可用燈的亮度反映感應(yīng)電動勢大小.演示1：1塊、3塊磁鐵分別劃過線圈，3塊時燈更亮，學(xué)生由此猜測：磁通量變化量大，感應(yīng)電動勢就大.演示2：3塊磁鐵分別慢、快劃過線圈，快劃時燈更亮，學(xué)生由此猜測：速度大或時間短，感應(yīng)電動勢就大.

教師梳理提煉：也就是說，感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān)，看來與它們比值有關(guān).我們重新定義一個物理量：磁通量變化率.是不是可以重新表述為感應(yīng)電動勢與磁通量變化率有關(guān)？

學(xué)生沉默……

評析.教師通過形象直觀的變式實驗，有助于引導(dǎo)學(xué)生猜測感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān).教師接著馬上把猜測因素過渡整合到比值、變化率等概念，但由于缺乏思想方法的引領(lǐng)分析，整合顯得過急、跳躍，給人突兀感、硬塞感，以至學(xué)生沉默.

改進(jìn).(1) 以“簡潔”物理思想為指引，搭建建構(gòu)主義的“腳手架”，從猜測逐步過渡到比值.啟發(fā)思考：剛才我們猜測感應(yīng)電動勢與磁通量變化量、時間有關(guān)，涉及兩個自變量，而我們物理人追求簡潔，能否把兩個自變量整合為一個自變量？……怎么整合呢？不妨這樣想，兩次電動勢大時有何共同特點？……分析比較兩次實驗結(jié)果，找出共性：兩次都是磁通量變化量與時間的比值ΔΦ/Δt大，電動勢E就大.這樣，就把更簡潔、更本質(zhì)的比值引出來，實現(xiàn)了“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的物理追求.(2) 以“類比”方法架設(shè)橋梁，從比值過渡到變化率.啟發(fā)回憶：比值ΔΦ/Δt這種形式是不是似曾相識？……與加速度a=Δv/Δt相似，它表示速度變化快慢，也稱速度變化率.類似地，可否用比值ΔΦ/Δt表示磁通量變化快慢，也稱磁通量變化率？如此，借助“類比”這座橋梁，從已知Δv/Δt過渡到未知ΔΦ/Δt，水到渠成地搭建起“磁通量與時間的比值→磁通量變化快慢→磁通量變化率”邏輯線路.顯然，這樣應(yīng)用“簡潔”思想和“類比”方法，站位更高，思路更開闊，思維更順暢，更具有思維訓(xùn)練價值.學(xué)生既學(xué)到知識又學(xué)會方法，對知識的得出過程和結(jié)果心服口服.

2.2 控制變量法應(yīng)用失當(dāng)，影響學(xué)生物理素養(yǎng)構(gòu)建

從結(jié)果(現(xiàn)象或數(shù)據(jù))到結(jié)論是一個“主觀”的分析加工過程，結(jié)論的合理性取決于加工者的預(yù)設(shè)觀點、是否正確應(yīng)用方法等.那么，探究“E與ΔΦ、Δt的關(guān)系”該用什么方法？在實驗操作和數(shù)據(jù)分析加工時是否正確應(yīng)用了方法？

案例2.教師讓學(xué)生用傳統(tǒng)器材做分組實驗，定性探究感應(yīng)電動勢E與磁通量變化量ΔΦ、時間Δt的關(guān)系.具體做法：線圈連接電流計，磁鐵穿過線圈時電流計指針偏轉(zhuǎn)，用指針偏轉(zhuǎn)大小反映電動勢大小.

第1個實驗：同一磁鐵從同一高度下落，穿過1個線圈.磁鐵第1次自由釋放，第2次慢慢滑落.兩次穿過線圈的ΔΦ相同，但Δt不同.

學(xué)生匯報：自由釋放時電流計讀數(shù)為30，慢慢滑落時讀數(shù)為10，結(jié)論是快速穿過時電動勢大.

教師總結(jié)：也就是ΔΦ相同，Δt短，E就大，說明E與ΔΦ無直接聯(lián)系.

第2個實驗：不同磁鐵從同一高度自由釋放，穿過同一線圈.兩次穿過線圈的Δt相同，但ΔΦ不同.

學(xué)生匯報：磁鐵B穿過時讀數(shù)為26，磁鐵A穿過時讀數(shù)為10，結(jié)論是強磁鐵穿過時電動勢大.

教師總結(jié)：也就是Δt相同，ΔΦ大，E就大，說明E與Δt無直接聯(lián)系.

……

評析及改進(jìn).“E與ΔΦ、Δt的關(guān)系”屬于多因素問題，應(yīng)用控制變量法進(jìn)行探究.可以看出，學(xué)生的操作步驟是符合控制變量法的，所得結(jié)果也是合理的，但教師所得結(jié)論呢？不妨先看看，第1次實驗結(jié)果是“ΔΦ相同，Δt短，E就大”，根據(jù)控制變量法的規(guī)則，由這個結(jié)果只能得出結(jié)論“E與Δt有關(guān)”，而無法得出結(jié)論“E與ΔΦ無關(guān)”.類似地，第2次實驗結(jié)果“Δt相同，ΔΦ大，E就大”，只能得出結(jié)論“E與ΔΦ有關(guān)”，而無法得出結(jié)論“E與Δt無關(guān)”.由此看出，教師得出的結(jié)論“E與ΔΦ、Δt無直接關(guān)系(無關(guān))”是錯誤的.

控制變量法在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用頻率很高，似乎也不難，按理教師不該出錯.但實際上這種錯誤不是個案，類似這樣良莠不齊的方法應(yīng)用仍在繼續(xù)誤導(dǎo)學(xué)生，毫無疑問會影響學(xué)生物理素養(yǎng)的構(gòu)建、提升.究其原因是教師系統(tǒng)學(xué)習(xí)了物理知識，一般不容易在知識上出錯，但對物理思想方法的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)談不上系統(tǒng)，因此稍微不慎就會出現(xiàn)錯誤或爭議.

2.3 關(guān)注學(xué)生認(rèn)知不夠，缺乏精心預(yù)設(shè)和引導(dǎo)

圖1

定量探究“E與ΔΦ/Δt的關(guān)系”的難點之一是ΔΦ/Δt的測算，解決辦法是把ΔΦ/Δt分解成ΔΦ、Δt，然后分別測算ΔΦ或/和Δt.可用的具體方法分別有：① 控制ΔΦ，改變Δt，測算Δt；② 控制Δt，改變ΔΦ，測算ΔΦ；③ 綜合①和②兩個方法，ΔΦ、Δt都要測算；④ ΔΦ和Δt都不控制，ΔΦ、Δt都要測算等.前3個是半定量，最后一個是全定量，難度最大.如何引導(dǎo)學(xué)生針對既有器材設(shè)計合適的方法？方法確定后，又如何測算ΔΦ或/和Δt的大??？

教師接著提問：磁通量Φ跟磁感應(yīng)強度B有關(guān)，需要精密儀器才能準(zhǔn)確測量.而這個過程需要兩個變量，能否控制一個變量，只改變另一個變量？學(xué)生沉默……

教師自問自答：好.那這樣的話，控制哪個量？一個學(xué)生回答：控制Φ不變.教師追問：怎么做到控制ΔΦ？學(xué)生思索……

評析.由于教師對學(xué)生認(rèn)知關(guān)注不夠，由此疏于問題梯度和語言表述的精心預(yù)設(shè)，才會出現(xiàn)教師預(yù)料不到的兩個問題：一是學(xué)生啟而不發(fā)，沉默以對；二是學(xué)生錯答為Φ，教師則把Φ篡改為ΔΦ.

對于第1個問題，教師的本意是： ① 目標(biāo)是要比較多次ΔΦ、Δt的比值，② 但現(xiàn)實是ΔΦ難測，既然ΔΦ難測，那就不測ΔΦ，保持ΔΦ不變，只改變Δt.這個思路無可厚非，但教師沒有表達(dá)清楚其本意，發(fā)出的信息含混模糊.首先，教師表述“磁通量Φ跟磁感應(yīng)強度B有關(guān)，需要精密儀器才能準(zhǔn)確測量”，其本意是現(xiàn)有條件下Φ、B兩個變量難測，導(dǎo)致ΔΦ難測，但教師沒有明確表達(dá)ΔΦ難測，造成信息含混模糊.接著，教師表述“這個過程需要兩個變量，能不能控制一個變量，只改變另一個變量”，這“兩個變量”究竟是ΔΦ、Δt還是Φ、B？教師也沒有明確表達(dá)，造成信息含混模糊，導(dǎo)致學(xué)生難以馬上判斷，故出現(xiàn)沉默.教師只好自問自答，接著追問“控制哪個量”，A學(xué)生可能受信息含混模糊的影響，把“兩個變量”理解成Φ、B，以至錯誤回答“控制Φ不變”，當(dāng)然這不是教師的預(yù)設(shè)(本意)，但教師顯然缺乏心理準(zhǔn)備，因此把“Φ”下意識篡改為預(yù)設(shè)的“ΔΦ”.本來，這不是一件復(fù)雜的事情，但由于教師語序的先后顛倒，先②后，而且信息含混模糊，導(dǎo)致學(xué)生難以領(lǐng)會其本意，造成不必要的思維負(fù)擔(dān)，以至先沉默、后回答錯誤.

設(shè)想.理清邏輯，調(diào)整語序，明確信息.具體做法：①我們需要比較多次ΔΦ、Δt的比值，而②ΔΦ難測，怎么辦？……能否在兩個變量ΔΦ、Δt中，控制一個變量，只改變另一個變量？……控制哪個量方便？這樣的表述邏輯清晰，層次分明，信息準(zhǔn)確，減輕了學(xué)生不必要的思維負(fù)擔(dān)……

盡管以上都是細(xì)節(jié)問題，但“細(xì)節(jié)決定成功”，只有“抓實、抓牢、抓深、抓細(xì)”，想學(xué)生所想，換位思考，并據(jù)此精心預(yù)設(shè)，否則生硬、突兀，學(xué)生思維沒有激活、參與，再好的設(shè)計理念和思路也會打折扣，實踐已經(jīng)反復(fù)證明了這點.

2.4 測量器材有創(chuàng)新性，但思想方法顯化不夠

定量探究“E與ΔΦ/Δt的關(guān)系”的難點之二是E的測量.在磁通量變化過程中，線圈的E、ΔΦ/Δt都是變化的，究竟測或算哪個E值、ΔΦ/Δt值？用什么儀器測？用什么方法算？

圖2

案例4.教師丙把改造過的模擬示波器連接圖1的線圈，用來測電動勢E.示波器的改造如圖2所示：按比例給屏幕刻度標(biāo)上數(shù)值，把屏幕顯示調(diào)節(jié)為一個亮點，亮點對應(yīng)的示數(shù)即為E大小.

圖3

把數(shù)據(jù)輸入excel表格，生成如圖3所示的E-1/Δt直線.直線接近坐標(biāo)原點，在誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為E與ΔΦ/Δt成正比.

評析及改進(jìn).為了測量E值，教師丙創(chuàng)造性改造傳統(tǒng)示波器，雖然沒有傳感器便捷、準(zhǔn)確，而且方案設(shè)計、誤差分析等也比較麻煩，但這些麻煩事為學(xué)生綜合應(yīng)用知識和方法提供了契機，具有思維訓(xùn)練價值，關(guān)鍵在于教師能否充分利用.

不僅教師丙，其他教師也一樣，不管用什么儀器，都是測量E的最大值，然后只研究E最大值與ΔΦ/Δt最大值的特殊關(guān)系，而不是研究兩者的一般關(guān)系，這樣的“以點帶面”有說服力嗎？其實這個問題蘊含著思想方法的教育價值，但基本沒有教師給予說明，甚至可能沒有意識到這個問題，失去了一次思想方法顯化教育的重要契機.在這個實驗中，磁鐵下落時，線圈內(nèi)ΔΦ/Δt在變化、產(chǎn)生的E在變化，眼睛只能勉強捕捉到E的最大值，但無法捕捉到E的其他瞬時值與對應(yīng)的ΔΦ/Δt，因此無法研究所有時刻的E與ΔΦ/Δt的關(guān)系.那么，不能研究所有點，能否研究特殊點？然后類推到一般點？……哪點特殊？既然能捕捉E最大值，那就研究E最大值與對應(yīng)ΔΦ/Δt最大值的關(guān)系……這樣的處理用到了不完全歸納、類推等方法，可以把復(fù)雜問題簡單化，化難為易，從簡單、容易的地方(最大值)著手，體現(xiàn)了“方法簡潔美”的物理思想.當(dāng)然，這種“窺管見豹”似的類推有風(fēng)險，但在現(xiàn)實條件下，沒有找到更優(yōu)的可行方案，不得不這樣做.如果學(xué)生質(zhì)疑結(jié)論的普遍性，那可以因勢利導(dǎo)：假如我們是人類首次研究這個問題，這個結(jié)論仍然是初步的、假設(shè)的、暫時的，還有待進(jìn)一步驗證，可能被證實、也可能被修改補充、也可能被推翻…人類就是在不斷地探求、優(yōu)化方法的過程中，把科學(xué)不斷推向前進(jìn).到這里不妨刺激一下學(xué)生：老師暫時找不到更好辦法，但相信“長江后浪推前浪”，這個難題就交給大家課后思考了，看誰能找到更好辦法？即使學(xué)生想不出，但為學(xué)生開一扇門窗，留個懸念、念想總比禁錮思維好，意味著科學(xué)永遠(yuǎn)在路上……很顯然，這樣的改進(jìn)設(shè)計更具有思想、思維和方法的訓(xùn)練價值.

3 討論

對于“法拉第電磁感應(yīng)定律”這節(jié)課，教材沒有采用實驗探究，主要困難是缺乏成熟可靠的器材，但一些逆行者迎難而上，想方設(shè)法讓學(xué)生探究.教師的這種做法本身就是一種探究行為，體現(xiàn)了可貴的創(chuàng)新精神.但是，探究意味著試探解決，并不一定完全解決，留下一些問題或出現(xiàn)新問題并不意外.應(yīng)該說，這些教師基本解決了器材問題，其暴露的問題多數(shù)與器材沒有多少關(guān)系，主要是教師對學(xué)生認(rèn)知研究還不夠，或?qū)ξ锢硭枷敕椒ㄍ诰蜻€不夠，甚至方法良莠不齊、錯誤應(yīng)用，以至缺乏有效合理的方法引導(dǎo)，學(xué)生思維參與效度低，囫圇吞棗甚至習(xí)得錯誤，毫無疑問會影響物理素養(yǎng)的構(gòu)建、提升.其實這些問題并不是實驗探究課、非常態(tài)課所獨有的，在其他課上更加多見、嚴(yán)重.原因至少有兩方面：(1) 不重視思想方法.受應(yīng)試的壓力，教師一方面抱怨“器材和時間不夠”，難開展探究課，另一方面即使在非探究課上，也是盡量壓縮知識得出過程，草草得出知識，思想方法被視為可有可無而擠掉，以便騰出時間大量練題鞏固知識，可見“器材和時間不夠”不過是一個“合理”幌子.(2) 缺乏思想方法.教師系統(tǒng)學(xué)習(xí)了物理知識，但缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理思想方法，確實難以充分或正確挖掘知識形成過程所蘊含的思想方法，“自身不硬”何以“打鐵”？高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確把物理思維列為物理素養(yǎng)，可見教師自身對物理思想、思維和方法的掌握是多么重要、緊迫，在學(xué)習(xí)中應(yīng)用、在應(yīng)用中反思是解決問題的途徑之一.