深度学习下的中学物理实验教学探究 —对《自感》实验课教学设计的几处思考

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  根据布卢姆对认知领域学习目标的分类,认知学习目标对应“知道、领会、应用、分析、综合及评价”这六个层次。浅层学习的认知水平只停留在“知道、领会”这两个层次,是知识的简单描述、记忆或复制;而深度学习的认知水平则可对应“应用、分析、综合、评价”这四个较高级的认知层次,不只涉及记忆,更注重知识的理解和应用。深度学习是一种处于高级认知水平、面向高级认知技能的获得、涉及高阶思维的活动。深度学习的投入应该说是源于自身内在的学习动机,是对有价值的学习内容完整、准确、丰富、深刻的一种追求。
  一、深度学习要求学习者对学习内容有更全面、深入的理解
  要进行深度学习,首先必须对学习内容有全面而深入的理解。例如,在高中课本《互感和自感》一课中,互感现象是常见的电磁感应现象,法拉第发现电磁感应现象的第一个成功实验就是互感现象。自感的教学内容是本节的难点,主要分为三个部分:自感现象、自感系数和磁场的能量。课本中的“做一做”,介绍了采用电流传感器这一新技术的使用,使得物理现象更加直观、准确,而且是通过问题来引导思考,以求理解自感的基本规律和本质。
  我们曾经在学习电场的知识时认识了电容器的两端电压不能突变,在这节课又认识到电感器中的电流不能突变。再如,我们应该认识到通断电自感现象是一个RL电路的暂态过程,课本展示的是传统通断电自感实验,那都是在60年前设计的,虽然设计简单,容易操作,但由于条件有限,不能全面、准确、形象地反映自感现象规律和本质。
  二、深度学习要求学习者带着批判的眼光去接受新知识
  深度学习是在理解基础上的批判性学习,要求学习者对任何事保持一种批判或怀疑的态度,批判性地看待新知识并深入思考,从而加深对深层知识和复杂概念的理解。
  [案例1]传统的通电自感
  课本中的演示实验素材如图1所示,在开关闭合的时候我们看到A2立即发光,A1缓慢地亮了起来,最终两灯亮度相同。由于学生刚接触自感现象,还没有充分认识到线圈和电阻的不同“阻碍”作用,但如果认真阅读教材22页最后一段注解,通常再加上教师的解释,学生也能知道这个实验的目的:线圈中产生了自感电动势E相反,极性与电源电动势E相反,所以灯泡A1的支路电流才会逐渐增大,缓慢变亮。
  深入研究发现,有学生可能会质疑教师告知的两个灯泡A1和A2规格相同条件不成立,这时最简单的解决方法可以将A1和A2互换位置再次进行实验,应该也能得到类似的结论。
  前面说过,这是一个RL电路的暂态过程,通电时,线圈电路中的电流按照 的规律增长,其中 称作RL的时间常数 ,它将影响电流增长的快慢,从这里可以看出,时间常数 的大小会影响电流的增长快慢,也就关系到实验的现象明显与否。那么我们在选择实验器材的时候,就尽量考虑线圈的自感系数要大,同时线圈的电阻和灯泡的电阻之和要足够小。如果要舍弃传统的示教模板,也可以自己组装电路,考虑选用变压器教具中的最多匝线圈,并套在閉合铁芯上,并选用电阻较小并且灵敏(即电流大小对亮度的影响明显)的小灯泡。
  还有一个问题也不容忽略,实际上图1线圈支路中的电流延缓增长并不仅仅是自感电动势的作用,实验室选用的灯泡A1和A2的电阻变化也会影响电路中电流的变化。因此我们应该尽量忽略灯丝电阻带来的影响,选择灯泡灯丝较细(热容小)来做实验,发光延迟现象会较弱,效果可能会更好一些。
  三、深度学习注重培育学习者的开放性思维和创新思维
  对于一个问题,如果我们用开放性的眼光去思考,是有利于学生的创造性思维的培养的,长期进行这样的训练,学生在处理实际问题时就善于迁移和创新。
  [案例2]传统的断电自感
  在图1中,闭合开关S,待电路稳定以后,突然断开开关S,我们观察到A1和A2都不会立即熄灭。通常教师会借助这一过程和学生一起分析:这是因为线圈在突然断电的情况下,同样地产生了自感电动势,由楞次定律分析也能知道自感电动势会“阻碍”电流的减小,所以才会出现A1和A2都逐渐熄灭。
  图2的原理其实更简单,有了前面图1通电自感以及断电自感的经验和体会,对于课本后面提到的几个问题,教师们都会从理论上逐一进行解释:感应电动势的作用是什么?断电时谁相当于电源?灯泡中的电流的大小和方向较之前又有哪些变化?
  然而,深入研究发现,课本提示的问题可以设计成更开放性的设问,用来提升学生解惑的主动性和创造性。
  第一,对于断电自感实验的设计,学生通过通电自感的学习以及预习,对图2的设计和操作是很容易接受的,反倒对图1的断电过程理解起来显得繁琐和复杂了。可能我们的老师出于减少情景呈现,讲究一题多变,但笔者认为不妨将其交给学生:通电时线圈会产生自感电动势,那么断电时有没有?如何设计实验验证?分析过程从哪几个方面可以和通电自感进行对比?
  第二,开关断开时通过A的电流方向与原方向是否一致?请自行设计证明。
  通常的设计会涉及到电流表的使用,二极管(单向导电)替代小灯泡,或二极管串小灯泡。提出问题,让学生自由想象,充分发挥学生的想象力和创造力,给学生机会。培养学生创新思维,并不仅仅局限于书本或老师。
  第三,开关断开瞬间,线圈中的自感电流可能会大于先前线圈中的电流吗?
  这一问题的开放度也较大,单纯从验证的角度看,可以借鉴先前的实验设计,在线圈中装个灵敏电流计即可,但考虑可能不易观察,或想究其本质,还需细致分析。
  单从理论分析,自感电动势的,只要自感系数足够大,电流变化足够快,自感电动势足够大,自然可能会大于原先线圈中的电流。而事实上,线圈中的电流是按指数规律递减的,的最大值等于。因此,自感电流不会大于先前电流。即使这在高中阶段不需要掌握,也可从楞次定律突破解决,楞次定律指出感应电流的作用是“阻碍”原先电流的变化,不是“阻止”,自然不会大于原先的电流值;再者,通电时线圈中磁场具有磁场能,断电后存储的磁场能转化为电能,线圈内的磁场能不会比先前强,线圈的电流也不会比断电前大,这也生动地显示出自感线圈是一种存储元件。
  第四,断电过程中,若灯泡的亮度真的大于先前的,如何从实际功率的角度去解释呢?
  实际上,对于断电自感这一暂态过程,电路中的电流是按 衰减的,最终趋于0。而灯泡的闪光是在特定条件下发生的,并不具备普遍性。出现闪光的关键是用粗铜线绕制线圈,使其电阻远小于灯泡电阻,且RL电路中有足够大的时间常数 。为了使得实验效果更加直观、明显,我们可以自行选择实验器材,使原先稳定状态下线圈中的电流是灯泡中的电流的几倍以上,那么经过不太短的时间(一般最好在0.2s以上), 值都大于原先灯泡中的电流,现象也会出现如我们所预期的不仅可以看到发光强度的增大,同时也能看到暂态电流的衰减过程。
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