创设序列微情境 促进知识结构化——以“电磁感应 发电机”的教学为例

何季军，曹建军

1.南通市教育科学研究院，江苏 南通 226001

2.南通市虹桥二中，江苏 南通 226001

《义务教育课程方案（2022 年版）》明确指出，要培养学生在真实情境中综合运用知识解决问题的能力，必须注重真实情境的创设，加强知识间的内在关联，促进知识结构化［1］。《义务教育物理课程标准（2022 年版）》在教学建议中倡导情境化教学、突出问题教学［2］。物理课程标准中“情境”至少出现53 次，这表明情境在物理教学中的重要性。情境如何促进学生知识结构化，是一线教育工作者当前迫切需要解决的问题。本文尝试构建促进学生知识结构化的核心情境和微情境序列的教学设计，并以初中物理“电磁感应 发电机”为例说明其教学设计和实施过程。

1 构建知识结构，挖掘核心知识

知识结构源于布鲁纳的“学科结构”，他指出学科教学务必使学生理解该学科的基本结构，学习学科的基本结构有利于促进学生认知结构的发展，从而开启了结构主义课程改革，编制结构化的学科课程并实施。现行的初中物理教材注重学科、学生认知建构与心理发展的统一，知识产生于所设计的一系列学习活动之中，知识结构被遮蔽。知识结构内隐于教师的脑海与教学行动之中，要使其显性化，这就需要教师发挥主观能动性，从学科结构的视角挖掘教材的知识并构建知识结构，在知识结构体系中挖掘核心知识，从而抓住知识结构的核心，使散乱、无序的知识在核心知识的统摄下形成连贯、有序的知识结构。

苏科版教材在“电磁感应 发电机”中设置了三个活动：“观察磁生电现象”活动旨在建立电磁感应现象、感应电流的概念；“探究感应电流产生的条件”活动旨在利用实验室器材探究怎样才能产生感应电流以及感应电流的方向与哪些因素有关；“观察手摇发电机发电”活动旨在从科学与工程实践的视角探究感应电流的周期性变化及其能量转化［3］。从教材的序列看，“电磁感应”所涉及的知识主要有：电磁感应现象、感应电流、产生感应电流的条件、感应电流的方向、交变电流等，图1 是这一节的知识结构，涵盖了本节的主要内容。

图1 “感应电流 发电机”的知识结构

从知识结构图中可以看出，本节知识是在电磁感应现象的基础上生长而来。如何产生感应电流涉及到其产生条件（“看得见”的条件），深研感应电流就必然涉及其方向和大小（唯象），感应电流的方向和大小又与产生感应电流的条件中物理量的方向和大小密切相关（溯因）。电磁感应在技术上的应用是利用发电机产生感应电流，这种感应电流具有大小和方向随时间呈周期性变化的特点，所以命名为交变电流。因此，电磁感应的概念是本节知识的基础和关键，所以将电磁感应的概念确定为本节内容的核心知识，其他知识确定为微知识。

2 创设微问题串，开发微情境序

吴加澍老师曾经指出，物理教学设计的过程是“知识问题化”和“问题情境化”的过程，学生学习物理的过程是“在情境中发现问题”并“在问题解决中建构知识”的过程。因此，教师在知识结构化的基础上需要对微知识进行问题化处理，微问题串由结构化的微知识所产生，微问题串具有内在联系；微问题与所开发的微情境相对应，微问题的有序促使多个微情境之间能够形成微情境序；对微情境序有机整合，创建核心情境，系列微情境派生于核心情境之中，核心情境又为多个微情境形成序列提供保障（图2）。这一情境创设的方式避免了情境之间的孤立化和碎片化，情境与情境之间形成核心情境下的微情境序，有利于深度学习的发生。

图2 基于知识结构化的情境创设

教材在“电磁感应 发电机”中设置了三个课内情境，分别是体验微型电扇发电、实验探究感应电流产生的条件和观察手摇发电机发电，这些情境之间看似相互独立，本质上它们之间密切关联。体验微型电扇发电是得到核心知识（电磁感应现象）的情境，学生在此情境中学习不仅能感受“磁生电”，还能提出“怎样才会产生感应电流”（微问题1）、“感应电流的方向和大小与哪些因素有关”（微问题2）、“这种感应电流与日常生活中使用的电流本质上是否相同，发电厂是如何产生这一电流”（微问题3）等问题。

针对微问题1，让学生进一步观察拆解后的微型电扇（核心情境），发现有磁体和线圈。由于叶片的旋转才产生感应电流，学生联想，感应电流是线圈在磁场中运动产生的，根据“电路通路才有电流”的认识，要产生感应电流，线圈必须是闭合的。由于核心情境中的部分电路既不在磁场中，也不运动，学生容易形成“闭合电路的一部分导体在磁场中运动会产生感应电流”的猜想，从而利用实验器材搭建实验装置进行实验探究。

针对微问题2，在核心情境中叶片旋转的快慢会导致发光二极管亮度的变化，学生能够猜想到“感应电流的大小与运动的快慢有关”，在解决微问题1 的情境中学生能够发现“运动方向的不同，会导致感应电流方向不同”。

针对微问题3，在核心情境中的叶片转动就相当于摇动手柄，微型电扇的磁体就相当于蹄形磁体，二极管相当于小灯泡，用电流表替换小灯泡，可观察到电流的大小和方向周期性变化。

上述研究表明，构建知识结构和核心知识是基础，微情境和核心情境是关键，微问题串是情境与知识的桥梁。学生在情境中发现问题，经由情境作出猜想，在情境中操作以获取证据，对情境中证据和事实的分析、推理，完成对猜想的科学论证，形成知识及知识结构。这样的知识及其结构就不再是孤立的，而是与情境密切关联、富有生命力的知识结构。

3 统整核心情境，促发深度学习

从知识结构化的视角设计物理课堂教学的结构，首先要创设核心情境让学生感知体验，在认知冲突中形成问题，在问题解决中构建核心知识。通过对核心知识的反思形成微问题串，在微问题解决过程中反思核心情境，对核心情境进行建构或物理建模形成微情境，从而促进微问题与微情境的有效耦合，在问题解决中所形成的微知识与核心知识实现知识结构化（图3）。

图3 课堂教学的结构

3.1 体验微型电扇发电

教师展示微型电扇并使用，提出问题：猜想电扇里面有什么？ 学生根据之前所学，很容易判断出里面有电动机。教师再拔下插头，请一个学生用手指捏插头的两个插脚，另一个学生从慢到快地旋转叶片，让学生体验轻微触电“麻”的感觉。教师再将发光二极管连接到插头两个插脚上，请学生从慢到快地转动风扇叶片，观察到二极管发光，且转动越快灯越亮；断开开关，二极管不发光。

这样的设计不仅揭秘了“麻”的原因，还让学生初步体验运动速度影响电流的大小，以及通路才可能有电，为后续探究作铺垫。

电动机是用电器怎么会产生电？ 面对学生的疑惑，教师拆开微型电扇让学生观察其结构，并引导学生分析得出引起二极管发光的电流是由线圈在磁场中转动所产生，教师顺势给出这种利用磁场产生电流的现象叫作电磁感应现象以及感应电流的概念，再从科学发展史的角度介绍法拉第持之以恒进行“电磁感应”的探索，培养学生的科学精神。接着追问：对于电磁感应现象中的感应电流，还想知道哪些？ 自然引出“感应电流产生的条件”“感应电流的方向和大小与哪些因素有关”“感应电流有怎样的应用价值”等问题。

利用微型电扇让学生“体验触电”和让“二极管发光”的核心情境，激发学生的好奇心和求知欲，驱动需要揭秘的问题一个接一个的出现，学生在注意集中的境地中，释解一个接一个的疑惑，形成核心知识。对核心知识的追问，又产生了一系列微问题需要解决。

3.2 探究感应电流产生的条件

对于“导体在磁场中如何运动，才会产生感应电流”的问题，教师不急于提供器材让学生按照教材的装置进行探究，而是引导学生进一步观察微型风扇的结构，对其结构进行解构和建模，在小组活动和全班交流的基础上形成用线圈、导线、磁铁、开关和检流计搭建的实验探究装置（图4）。接着探究导体如何运动才会产生电流，学生经历各种尝试后虽有所发现，但还不能将产生感应电流的运动归结为切割磁感线运动。教师适时展示蹄形磁体的磁感线分布图，引导学生自主发现产生感应电流的运动都在切割磁感线，不切割磁感线的运动没有感应电流产生，所以切割磁感线是产生感应电流的关键。最后断开电键，发现即使切割磁感线，也不能产生感应电流。学生基于对实验事实的分析，归纳、总结出感应电流产生的条件。

图4 感应电流产生的条件

进一步追问：在探究过程中还有哪些发现？部分同学会发现导体切割磁感线时电流方向有时不同，那么感应电流的方向与哪些因素有关呢？ 学生再次实验，确认改变导体切割磁感线时的运动方向，感应电流的方向会改变。请学生在两套装置上演示，发现即使导体切割磁感线时的运动方向相同，感应电流的方向也不同，进一步观察发现可能是磁场方向的不同造成的。通过这样引发冲突的活动，学生能够猜想出“感应电流的方向与磁场方向和导体运动的方向有关”，学生再次运用控制变量的思想，进行实验论证。上述环节也有学生发现电流大小不同，从而引出探究问题：感应电流的大小与什么因素有关呢？ 学生类比推理，猜想除了和导体运动的速度大小有关，还会与磁场的强弱有关，并进行实验验证得到结论。

在探究感应电流产生的条件教学环节，主要让学生“在不同中找相同”，不同的运动方向，找到产生感应电流的相同的运动方式——切割磁感线；探究感应电流的方向与哪些因素有关时，让学生“在相同中找不同”，同样产生感应电流，但是感应电流的方向却不同，从而发现影响感应电流方向的因素。

3.3 观察手摇发电机发电

教师介绍电磁感应现象的发现对人类文明的影响，人类社会从蒸汽时代迈向电气时代，推动了第二次工业革命，极大地提高了生产力。展示当代社会最重要的电源——发电机，介绍其基本结构，再展示手摇发电机（图5），让学生观察其构造，并与微型电扇的结构对比，发现其基本结构相同。那么，手摇发电机发电所产生的感应电流有怎样的特点呢？

图5 手摇发电机模型

学生摇动手柄观察发电机转速对小灯泡亮度的影响，达成共识——灯泡随转速增大而变亮，进一步增强对“导体在磁场中切割磁感线速度大，感应电流大”的认识。发电机所产生的感应电流的方向变化吗？ 将图中的小灯泡换成电流表，缓慢地摇动手柄，观察电流表指针的变化情况，学生发现指针一直在“0”刻度线左右晃动，摇动越快，晃动越快，幅度也越大，表明其感应电流的大小和方向均在周期性变化，从而介绍交变电流的概念和日常生活中的交变电流的周期。结合发电机的工作原理图，教师引导学生解释为什么发电机所发出的电流是交变电流。最后，介绍“电从发电厂到千家万户”，并从能量及其转化的视角进一步认识发电机。

在观察手摇发电机发电教学环节，将发电机结构与核心情境相匹配，学生发现其基本结构相同；对交变电流的解释中，学生综合运用本节所学知识内容，有利于实现学生的知识结构化；联系日常生活和人类文明，进一步激发学生的探究兴趣和学习渴望。

深度学习是围绕着具有挑战性的学习任务，在教师的引领和帮助下，对物理知识的内在结构进行逐层深化的学习，对具体知识知其然，并知其所以然［4］。上述的教学过程符合深度学习的要求，用核心情境和微情境推动课堂教学，学生置身于连贯、有序的物理情境中，围绕情境提出问题、探究学习、解决问题，建立知识结构、把握实验探究方法、发展科学思维和科学探究的能力，让深度学习真正发生。