馬慧佳

廣東省東莞市塘廈中學(xué)，廣東 東莞 523710

1 創(chuàng)設(shè)情境在實驗教學(xué)中的必要性

古人云：“學(xué)起于思，思源于疑”。而“疑”從何而來？從對不同事物、環(huán)境、事件等問題的看法經(jīng)歷中來，即從“情境”中來?！扒椤本褪歉星?，只有在感情上形成了共鳴，情理相融，才能促進學(xué)習(xí)興趣的產(chǎn)生；“境”就是提供一個場景，認知場景，從而促進意義的構(gòu)建。

學(xué)生可以從情境中思考，從疑問中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，對問題可能的答案作出假設(shè)，并根據(jù)問題情境運用已有知識制訂探究計劃，設(shè)計符合情境要求的實驗裝置進行實驗，獲取客觀真實的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論［1］。從培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度，創(chuàng)設(shè)情境是物理實驗教學(xué)的重要手段，是物理創(chuàng)新實驗教學(xué)的必經(jīng)之路。

2 情境載體的選擇

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

3 情境與實驗教學(xué)的融合

常規(guī)的物理實驗教學(xué)以課本中的演示實驗為主，缺乏學(xué)生的自主探究。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，看過的實驗?zāi)苡涀。鲞^的實驗才能理解，只有讓學(xué)生“做”，才能促進學(xué)生對物理規(guī)律的理解，只有理解了，才能進行創(chuàng)新和遷移。創(chuàng)設(shè)情境，調(diào)動思維，要讓學(xué)習(xí)真實發(fā)生。創(chuàng)設(shè)實驗情境，更能激發(fā)學(xué)生的求知欲，推動學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴，促進思考。經(jīng)歷實驗的探究過程，打碎舊的知識系統(tǒng)，不斷發(fā)現(xiàn)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(xué)，通過“情境—問題—證據(jù)—解釋—交流—情境”的循環(huán)，來滲透物理核心素養(yǎng)，如圖1所示。

圖1 以情境為載體的實驗教學(xué)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(chuàng)新實驗教學(xué)實施流程

4 “法拉第電磁感應(yīng)定律”創(chuàng)新實驗教學(xué)片段

4.1 以情境為載體的教法與學(xué)法

“法拉第電磁感應(yīng)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(nèi)容?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對該節(jié)內(nèi)容的要求為：“通過實驗，理解法拉第電磁感應(yīng)定律”。本節(jié)內(nèi)容強調(diào)對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行歸納推理的方法，以此提升學(xué)生對實驗結(jié)果進行定性分析的能力。教材中是從感應(yīng)電流進一步深入到感應(yīng)電動勢來理解的，即“探究決定感應(yīng)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(yīng)定律，涉及的情境創(chuàng)設(shè)和定量探究比較少。

從學(xué)生的知識儲備來看，學(xué)生掌握了有關(guān)電磁學(xué)的基本知識，對變化量和變化率的概念也有所了解。同時，學(xué)生具備了一定的實驗操作的能力，對物理學(xué)常用的研究方法已經(jīng)有了較為深刻的認識。因此，以教材為基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)了新的情境——手機無線充電，從學(xué)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(dǎo)學(xué)生解決問題、創(chuàng)新實驗，從而得出結(jié)論，獲得成長。

4.2 “法拉第電磁感應(yīng)定律”創(chuàng)新實驗教學(xué)及設(shè)計意圖

4.2.1 引入：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

情境：無線充電技術(shù)是近年發(fā)展起來的新技術(shù)，相比有線充電技術(shù)，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(shè)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(xué)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(nèi)部構(gòu)造比較簡單，為后續(xù)的實驗設(shè)計和操作提供可能性。

4.2.2 建構(gòu)：模型建構(gòu)，設(shè)計實驗

設(shè)計驅(qū)動性問題（圖4），引導(dǎo)學(xué)生一步一步建構(gòu)物理模型，為實驗設(shè)計提供條件。學(xué)生小組合作將購買的無線充電器拆開，觀察其內(nèi)部構(gòu)造，營造探索的氛圍，提高學(xué)生的積極性。

圖4 驅(qū)動性問題設(shè)定

物理實驗?zāi)Ｐ偷慕ⅲ号c電源相連的線圈，產(chǎn)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(yīng)電動勢大小的因素，如圖5所示。

圖5 物理實驗?zāi)Ｐ?/p>

設(shè)計意圖：在教學(xué)中，教師作為引導(dǎo)者和把控者，通過語言描述——提問，促進學(xué)生的思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。在這個環(huán)節(jié)中，拆卸充電器是學(xué)生反應(yīng)最強烈的環(huán)節(jié)（圖6），從以前的聽到現(xiàn)在的親眼看，瞬間調(diào)動起了學(xué)生的積極性。以情境為載體，以問題為導(dǎo)向，建構(gòu)合適且合理的物理模型，使學(xué)生的科學(xué)思維能力得到提升。

圖6 拆卸無線充電器

4.2.3 創(chuàng)新探究一：定性探究，深度互動

猜想：感應(yīng)電動勢可能與線圈匝數(shù)、磁通量的變化、磁通量的變化率等有關(guān)。

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(chǎn)生磁場。

原理：通電線圈可以在其周圍產(chǎn)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(shù)，觀察燈泡的亮度變化，定性分析當(dāng)磁通量變化率不變時，匝數(shù)與感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系［2］。

實驗現(xiàn)象：

當(dāng)線圈匝數(shù)為2匝時，小燈泡不太亮；當(dāng)線圈匝數(shù)為10匝時，小燈泡比較亮。

結(jié)論：頻率不變，磁通量變化的快慢一定時，線圈匝數(shù)越多，小燈泡越亮，感應(yīng)電動勢越大。

設(shè)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(xué)生的體驗感更強。同時，直接采用無線充電器產(chǎn)生磁場的優(yōu)勢在于解決問題更為直接，操作也更加簡單方便。

4.2.4 創(chuàng)新探究二：定量探究，得出結(jié)論

這一環(huán)節(jié)主要是定量探究感應(yīng)電動勢與磁通量變化率之間的關(guān)系，采用數(shù)字化信息技術(shù)DISLab，實驗裝置包含了磁感應(yīng)強度傳感器（LWE861）、法拉第電磁感應(yīng)定律實驗器Ⅱ（LW－Q828）、智能電源V2.0、導(dǎo)線、電腦，如圖7所示。

圖7 朗威法拉第電磁感應(yīng)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(yīng)定律實驗器安裝情況及操作界面

將磁感應(yīng)強度傳感器置于線圈內(nèi)部，打開智能電源，調(diào)整電源的輸出電壓，使螺線管內(nèi)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(diào)節(jié)各波形幅度，即可得到磁感應(yīng)強度與對應(yīng)的感應(yīng)電動勢的變化情況，觀察二者之間的關(guān)系；接著，分別對“梯形波”“三角波”和“鋸齒波”各波段進行選擇區(qū)域，得出感應(yīng)電動勢與磁感應(yīng)強度變化率的關(guān)系，如表1所示。

表1 法拉第電磁感應(yīng)定律定量實驗結(jié)果

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

4.2.5 升華：歸納總結(jié)，遷移反思

回顧本次實驗的全過程，總結(jié)出實驗的結(jié)論及實驗過程中的收獲，相互交流，為后續(xù)學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備。

5 結(jié)語

本節(jié)實驗教學(xué)的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)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(xué)生操作方便，極大地增加了學(xué)生的參與度，增強了學(xué)生的成就感；再次，本實驗融入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，采用更加先進、精確的技術(shù)手段進行實驗，關(guān)注到了未來教學(xué)的發(fā)展方向。

適度且合理的情境應(yīng)用于實驗教學(xué)中，將情境中的事物或者一段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個物理探究過程，讓學(xué)生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn)，在思考和分析后有所構(gòu)思，在討論和探究后有所收獲。將問題情境貫穿于整個創(chuàng)新實驗教學(xué)中，采用多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生認識物理本質(zhì)，增強解決問題的能力，真正將物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。