深度學習下的中學物理實驗教學探究 —對《自感》實驗課教學設計的幾處思考

沈波

根據布盧姆對認知領域學習目標的分類，認知學習目標對應“知道、領會、應用、分析、綜合及評價”這六個層次。淺層學習的認知水平只停留在“知道、領會”這兩個層次，是知識的簡單描述、記憶或復制；而深度學習的認知水平則可對應“應用、分析、綜合、評價”這四個較高級的認知層次，不只涉及記憶，更注重知識的理解和應用。深度學習是一種處于高級認知水平、面向高級認知技能的獲得、涉及高階思維的活動。深度學習的投入應該說是源于自身內在的學習動機，是對有價值的學習內容完整、準確、豐富、深刻的一種追求。

一、深度學習要求學習者對學習內容有更全面、深入的理解

要進行深度學習，首先必須對學習內容有全面而深入的理解。例如，在高中課本《互感和自感》一課中，互感現象是常見的電磁感應現象，法拉第發現電磁感應現象的第一個成功實驗就是互感現象。自感的教學內容是本節的難點，主要分為三個部分：自感現象、自感系數和磁場的能量。課本中的“做一做”，介紹了采用電流傳感器這一新技術的使用，使得物理現象更加直觀、準確，而且是通過問題來引導思考，以求理解自感的基本規律和本質。

我們曾經在學習電場的知識時認識了電容器的兩端電壓不能突變，在這節課又認識到電感器中的電流不能突變。再如，我們應該認識到通斷電自感現象是一個RL電路的暫態過程，課本展示的是傳統通斷電自感實驗，那都是在60年前設計的，雖然設計簡單，容易操作，但由于條件有限，不能全面、準確、形象地反映自感現象規律和本質。

二、深度學習要求學習者帶著批判的眼光去接受新知識

深度學習是在理解基礎上的批判性學習，要求學習者對任何事保持一種批判或懷疑的態度，批判性地看待新知識并深入思考，從而加深對深層知識和復雜概念的理解。

[案例1]傳統的通電自感

課本中的演示實驗素材如圖1所示，在開關閉合的時候我們看到A2立即發光，A1緩慢地亮了起來，最終兩燈亮度相同。由于學生剛接觸自感現象，還沒有充分認識到線圈和電阻的不同“阻礙”作用，但如果認真閱讀教材22頁最后一段注解，通常再加上教師的解釋，學生也能知道這個實驗的目的：線圈中產生了自感電動勢E相反，極性與電源電動勢E相反，所以燈泡A1的支路電流才會逐漸增大，緩慢變亮。

深入研究發現，有學生可能會質疑教師告知的兩個燈泡A1和A2規格相同條件不成立，這時最簡單的解決方法可以將A1和A2互換位置再次進行實驗，應該也能得到類似的結論。

前面說過，這是一個RL電路的暫態過程，通電時，線圈電路中的電流按照 的規律增長，其中 稱作RL的時間常數 ，它將影響電流增長的快慢，從這里可以看出，時間常數 的大小會影響電流的增長快慢，也就關系到實驗的現象明顯與否。那么我們在選擇實驗器材的時候，就盡量考慮線圈的自感系數要大，同時線圈的電阻和燈泡的電阻之和要足夠小。如果要舍棄傳統的示教模板，也可以自己組裝電路，考慮選用變壓器教具中的最多匝線圈，并套在閉合鐵芯上，并選用電阻較小并且靈敏（即電流大小對亮度的影響明顯）的小燈泡。

還有一個問題也不容忽略，實際上圖1線圈支路中的電流延緩增長并不僅僅是自感電動勢的作用，實驗室選用的燈泡A1和A2的電阻變化也會影響電路中電流的變化。因此我們應該盡量忽略燈絲電阻帶來的影響，選擇燈泡燈絲較細（熱容小）來做實驗，發光延遲現象會較弱，效果可能會更好一些。

三、深度學習注重培育學習者的開放性思維和創新思維

對于一個問題，如果我們用開放性的眼光去思考，是有利于學生的創造性思維的培養的，長期進行這樣的訓練，學生在處理實際問題時就善于遷移和創新。

[案例2]傳統的斷電自感

在圖1中，閉合開關S，待電路穩定以后，突然斷開開關S，我們觀察到A1和A2都不會立即熄滅。通常教師會借助這一過程和學生一起分析：這是因為線圈在突然斷電的情況下，同樣地產生了自感電動勢，由楞次定律分析也能知道自感電動勢會“阻礙”電流的減小，所以才會出現A1和A2都逐漸熄滅。

圖2的原理其實更簡單，有了前面圖1通電自感以及斷電自感的經驗和體會，對于課本后面提到的幾個問題，教師們都會從理論上逐一進行解釋：感應電動勢的作用是什么？斷電時誰相當于電源？燈泡中的電流的大小和方向較之前又有哪些變化？

然而，深入研究發現，課本提示的問題可以設計成更開放性的設問，用來提升學生解惑的主動性和創造性。

第一，對于斷電自感實驗的設計，學生通過通電自感的學習以及預習，對圖2的設計和操作是很容易接受的，反倒對圖1的斷電過程理解起來顯得繁瑣和復雜了?？赡芪覀兊睦蠋煶鲇跍p少情景呈現，講究一題多變，但筆者認為不妨將其交給學生：通電時線圈會產生自感電動勢，那么斷電時有沒有？如何設計實驗驗證？分析過程從哪幾個方面可以和通電自感進行對比？

第二，開關斷開時通過A的電流方向與原方向是否一致？請自行設計證明。

通常的設計會涉及到電流表的使用，二極管（單向導電）替代小燈泡，或二極管串小燈泡。提出問題，讓學生自由想象，充分發揮學生的想象力和創造力，給學生機會。培養學生創新思維，并不僅僅局限于書本或老師。

第三，開關斷開瞬間，線圈中的自感電流可能會大于先前線圈中的電流嗎？

這一問題的開放度也較大，單純從驗證的角度看，可以借鑒先前的實驗設計，在線圈中裝個靈敏電流計即可，但考慮可能不易觀察，或想究其本質，還需細致分析。

單從理論分析，自感電動勢的，只要自感系數足夠大，電流變化足夠快，自感電動勢足夠大，自然可能會大于原先線圈中的電流。而事實上，線圈中的電流是按指數規律遞減的，的最大值等于。因此，自感電流不會大于先前電流。即使這在高中階段不需要掌握，也可從楞次定律突破解決，楞次定律指出感應電流的作用是“阻礙”原先電流的變化，不是“阻止”，自然不會大于原先的電流值；再者，通電時線圈中磁場具有磁場能，斷電后存儲的磁場能轉化為電能，線圈內的磁場能不會比先前強，線圈的電流也不會比斷電前大，這也生動地顯示出自感線圈是一種存儲元件。

第四，斷電過程中，若燈泡的亮度真的大于先前的，如何從實際功率的角度去解釋呢？

實際上，對于斷電自感這一暫態過程，電路中的電流是按 衰減的，最終趨于0。而燈泡的閃光是在特定條件下發生的，并不具備普遍性。出現閃光的關鍵是用粗銅線繞制線圈，使其電阻遠小于燈泡電阻，且RL電路中有足夠大的時間常數 。為了使得實驗效果更加直觀、明顯，我們可以自行選擇實驗器材，使原先穩定狀態下線圈中的電流是燈泡中的電流的幾倍以上，那么經過不太短的時間（一般最好在0.2s以上）， 值都大于原先燈泡中的電流，現象也會出現如我們所預期的不僅可以看到發光強度的增大，同時也能看到暫態電流的衰減過程。endprint