基于STEM教育理念的高中物理教學設計
——以“自感現象”為例

鄭學旎 王笑君

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 “STEM教育”簡介

STEM教育起源于美國.由于生活中發生的大多數問題需要應用多種學科的知識來共同解決，于是就有了STEM教育的理念.“STEM”代表的是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engi-neering)和數學(Mathematics)，但STEM教育并不是4門學科的簡單組合，而是將科學原理、技術手段、工程思想、數學工具整合到一起[1].在明確課程問題和課程任務后，學生通過經歷工程設計的過程，學習多學科知識、運用技術手段和數學工具來解決課程問題、完成課程任務，達到“學以致用、用以促學”的完美結合.其中，課程任務可以是產生一個問題解決方案、一個模型、一個設備或一個計算機模擬等[2].因此，STEM教育也叫做“基于問題/項目的學習”，比起傳統教育，STEM教育更接近實際生活中的工作模式，有助于為學生未來參與科學研究和社會生活奠定基礎.

本文選取高中物理“自感現象”一節進行基于STEM理念的教學設計，涉及到的學科內容如表1所示.盡管傳統的教學設計已經實現了科學、技術和數學的整合，但是在教學中整合工程思想的設計并不多見.本文的特點在于通過“設計日光燈電路”的活動，讓學生經歷工程設計的過程，思考并解決如何在電路中實現斷電自感、如何發揮啟輝器的功能等問題，使學生在學習自感知識的同時，提高工程素養[3].

表1 基于STEM教育理念的“自感現象”教學設計涉及到的學科內容

2 “自感現象”設計案例

2.1 情境引入 設置問題

教師給學生展示日光燈管，簡單介紹日光燈管的發光原理.日光燈管內壁涂有熒光粉，燈管的兩端是涂有電子粉的燈絲，管里充有氬氣和少量水銀.當燈管兩端的電壓達到一定值的時候，燈管中的氣體就會被擊穿，形成電流，最終使燈管發光[4].接著教師將燈管連接到220 V交流電壓上，讓學生觀察燈管有沒有亮起來.

現象：燈管沒有亮起來.

師：為什么燈管沒有亮？

生：可能是燈管兩端的電壓不夠[5]，缺了其他零件.

師：如果是燈管兩端的電壓不夠大，如何在電源電壓只有220 V的情況下使日光燈發光？需要補充什么零件？

設計意圖：傳統教學設計將掌握“自感現象及其原理”作為學習任務，日光燈往往只是作為自感現象的生活應用被提及；而本文是將“設計日光燈電路”作為學習任務，自感現象及其原理只是解決這個學習任務的過程中需要學習的相關知識，體現了STEM教育從問題出發，學習路徑隨著問題的解決逐步推進的特點.

2.2 知識建構 理清思路

師：如何使燈管兩端的電壓升高？我們先來玩一個小游戲.

游戲：千人震

環節1：讓幾個學生手拉手，和電池、開關構成一個回路，如圖1所示.閉合開關后，學生沒有明顯感覺.斷開開關，學生也沒有明顯感覺.

圖1 游戲環節1

環節2：將一個線圈和手拉手的幾個學生并聯，再和電池、開關構成一個回路，如圖2所示.閉合開關后，學生沒有明顯感覺.斷開開關后，幾個學生都因為輕微的“電擊”尖叫起來.

圖2 游戲環節2

師：為什么和線圈并聯以后，在斷開開關時會被電擊？

設計意圖：STEM教育強調將基于探索和目標導向的學習嵌入游戲中，增加教學過程的趣味性，從而得到更理想的教育產出[6].千人震游戲激發了學生的興趣，引起學生對“斷電后仍然會有電流通過人體”現象的思考，為接下來探究自感現象做好鋪墊.

演示實驗：斷電自感現象

教師連接好電路，如圖3所示.閉合開關，燈泡發光，再斷開開關，讓學生觀察現象.重復多次.

圖3 斷電自感電路

現象：電路斷開時，燈泡閃亮一下再熄滅.

師：圖3所示電路就相當于千人震游戲電路，只是將人換成了燈泡而已.開關斷開時，電源不再供電，所以使燈泡閃亮的電流不是原來的電源產生的.

生：開關斷開瞬間，通過線圈的電流減小→線圈產生的磁場快速減小→穿過線圈本身的磁通量從有到無，發生變化→根據楞次定律，線圈中產生感應電動勢→其方向與原電流方向相同(阻礙電流的減小)[7].如圖4所示，此時，線圈相當于一個電源，線圈產生的感應電流通過燈泡.

圖4 斷電自感電路分析

師：此時通過小燈泡的電流應該和原來的方向相同還是相反？

生：相反.

師：為什么燈泡會“亮”一下再熄滅？

猜想：可能說明斷電時通過燈泡的電流(線圈的感應電流)比原來的電流要大.

教師引導學生將電流傳感器接入電路中進行檢驗.

現象：斷電瞬間通過小燈泡的電流反向，且斷電后瞬間通過小燈泡的電流大于斷電前的電流，I-t圖像如圖5所示.

圖5 斷電瞬間小燈泡I-t圖

師：這就是斷電時受到電擊的原因，因為斷電瞬間經過人體的感應電流比原來的電流要大.但并不是斷電瞬間通過人體的感應電流一定會比原電流大，這跟線圈有關.

設計意圖：通過提問的方式強調斷電瞬間自感電動勢可以很大，并引導學生分析斷電時感應電動勢的方向，為后續設計日光燈電路時判斷利用通電自感還是斷電自感起到鋪墊作用.

建立概念：當線圈中的電流變化時，它所產生的變化的磁場在線圈本身激發出感應電動勢，這種現象稱為自感.由于自感而產生的感應電動勢叫做自感電動勢.

師：既然線圈中的電流減小的時候會產生感應電動勢，那線圈電流增大的時候是不是也會產生感應電動勢？

演示實驗：通電自感現象

連接好如圖6所示電路，學生運用上述思路推測，閉合開關后燈泡會慢慢變亮，而不是馬上變亮.閉合開關，讓學生觀察燈泡發光情況.

圖6 通電自感電路

現象：燈泡立刻就亮了，并不像預想的那樣慢慢變亮.

師：實驗現象看起來似乎跟理論分析的不同.有沒有可能是通電自感導致的延時時間太短了，看不出來呢？引導學生利用數據傳感器(T)進行檢驗.

學生對上述實驗稍加改進，檢驗通電時是否有自感現象，如圖7所示.將電流傳感器串聯到電路中，閉合開關，觀察電流隨時間變化的圖線，看到電流是逐漸增大的.為了更好地說明這一點，教師引導學生拆掉線圈再測一次，如圖8所示.看看兩次測得的電流-時間圖像有什么不同，結果如圖9所示.

圖7 通電自感檢驗電路

圖8 通電自感對照電路

圖9 拆掉線圈前后的電流-時間圖像對比

分析：教師邀請學生解釋拆掉線圈前后，通電時電流-時間圖像產生差異的原因.當電路中串聯著線圈時，開關閉合瞬間，通過線圈的電流增大→線圈產生的磁場快速增大→穿過線圈本身的磁通量從無到有，發生變化→根據楞次定律，線圈中產生感應電動勢→其方向與原電路的電流方向相反(阻礙電流的增大)[7]，因此開關閉合時通過小燈泡的電流并不像沒有線圈時的情況一樣陡增，而是逐漸增大.

設計意圖：通電自感現象在傳統的實驗中往往難以分辨，學生容易對實驗原理感到困惑，而使用傳感器技術可以直觀顯示通電自感現象，體現了STEM教育中科學原理和技術手段相整合的價值.

2.3 分析問題 設計方案

總結：從自感現象中可以看到，當電路中含有線圈時，通電和斷電的過程都出現了自感現象，線圈都會產生感應電動勢.

師：可不可以利用自感現象來使燈管兩端的電壓升高？試著用自感的相關知識嘗試設計一個方案.

設計意圖：引導學生進行工程設計，培養工程素養.另外，學生在這個過程中可能會遇到許多問題，也有助于學生思維能力和動手能力的提升.

猜想：學生進行分組討論，猜想如果能做到讓自感電動勢和電源電壓都施加在燈泡兩端，就能使電壓足夠大，讓燈管發光.

細節1：如果要利用自感現象，先要給燈管連上一個線圈.線圈要和燈管串聯還是并聯[8]？

討論：線圈要和燈管串聯，如圖10所示.如果和燈管并聯，通電時對燈管不會產生影響，斷電時只有線圈產生的自感電動勢施加在燈管兩端，達不到電源電壓和線圈電壓都施加在燈管兩端，讓燈管發光的作用.

圖10 拆線圈前后的電流-時間圖像對比

細節2：要利用通電自感還是斷電自感？

討論：通電時產生的自感電動勢會阻礙電流的增大，因此會和電源電壓的方向相反；而斷電時產生的感應電動勢會阻礙電流的減小，因此會和電源電壓的方向相同，共同施加在燈管兩端，電壓達到一定值時就可以擊穿燈管，使燈管發光.故應該利用斷電自感.

細節3：可是開關閉合時是通電狀態，線圈會發生通電自感，卻不會發生斷電自感.怎么在開關閉合后實現線圈的斷電自感？

設計意圖：讓學生思考如何在開關閉合后實現線圈的斷電自感，體現了本教學設計對工程思想(E)的滲透.傳統教學往往只要求學生了解到“日光燈發光利用了斷電自感的原理”這一點，而本文在這一點的基礎上，讓學生思考如何“實現”斷電自感，“如何將原理付諸實踐”是工程設計要考慮的問題.這就是基于STEM教育模式的教學設計和傳統教學設計不同的地方.

教師給學生介紹日光燈中必不可少的零件——啟輝器.啟輝器是一個充有氖氣的玻璃泡，包含著一個U形金屬動觸片和一個金屬靜觸片，如圖11所示.當電壓加在啟輝器兩極之間的時候，氖氣放電發出輝光，輝光產生的熱量使U形觸片膨脹伸長，跟靜觸片接觸，使電路接通.當電路接通后，啟輝器中的氖氣停止放電，U形觸片冷卻收縮，兩個接觸片分離，電路就會自動斷開.這樣一來，啟輝器就可以充當一個自動開關[4].

圖11 啟輝器

師：啟輝器能否在這里發揮作用？

生：啟輝器在電路接通以后會自動斷開，就可以為斷電自感創造條件.

師：啟輝器如何連接在電路中？這里注意兩個方面，啟輝器和線圈串聯還是并聯？啟輝器和燈管串聯還是并聯？

制定方案：學生討論確定各部件的連接方式，最后設計好電路圖.

第一步：設計啟輝器和線圈串聯.這樣當啟輝器電路斷開時才會影響到線圈，使線圈發生斷電自感.

第二步：設計啟輝器和燈管并聯.燈管未點亮前，兩頭燈絲是不連通的，如果燈管和啟輝器串聯，因為點亮前燈管和啟輝器都相當于開關斷開的狀態，無法達到先通電后切斷產生瞬間高壓的目的[6].如果燈管和啟輝器并聯，當開關閉合，燈管由于達不到擊穿電壓不導通，電壓加在啟輝器兩端，氖氣放電發出輝光，U形觸片受熱膨脹伸長，跟靜觸片接觸，使電路接通.

當電路接通后，氖氣停止放電，電路自動斷開.這時和啟輝器串聯的線圈兩端就產生一個瞬時高壓[3]，這個電壓和電源電壓都加在燈管兩端，使燈管中的氣體被擊穿，接通日光燈管和線圈所組成的電路，最終使管壁上的熒光粉發光.制定好的電路圖如圖12所示.

圖12 日光燈電路圖

設計意圖：在實際工程設計過程中需要考慮許多問題，包括“線圈和燈管串聯還是并聯”“開關閉合后如何實現斷電自感”“啟輝器如何發揮作用”等等.經歷完整的日光燈電路設計過程可以促使學生將知識學深學透，并提高工程素養.

師：接下來大家按照設計好的電路圖做實驗，驗證一下這個方案可不可行.

設計意圖：學生在驗證過程中會發現普通的線圈并不能使燈管發光的問題，為下面自感電動勢的理論分析和數學推導做鋪墊.

2.4 驗證方案 數學推導

在學生動手實驗的過程中，發現按照設計好的電路圖連好實物之后，燈管并沒有發光.在排查完各零件，確認沒有故障后，教師引導學生思考：難道燈管兩端的電壓還不夠大嗎？是不是線圈產生的感應電動勢不夠大？自感電動勢需要達到多大？怎么計算？

知識講解：先搞清楚怎么計算自感電動勢的大小.

設計意圖：工程問題離不開計算.在檢驗方案的過程中，為了弄清楚燈管電壓為什么不夠，就得搞清楚線圈產生的自感電動勢的大小，促使學生運用數學工具(M)推導出自感電動勢大小的表達式，強化學生的數學推算能力，體現了STEM教育中科學原理和數學工具的整合.

教師進一步說明：L就稱為自感系數，單位是亨利，符號H，常用單位有mH和μH.自感系數L跟線圈的大小、形狀、匝數以及是否有鐵芯有關，是一個由線圈本身決定的物理量.普通的線圈自感系數是比較小的，為了增大線圈的自感系數，可以選擇帶有鐵芯的線圈.

師：可是根據上節課的學習內容，如果把整塊導體處于變化的磁場中，整塊導體內部將會產生感生電流，也就是“渦流”，它會引起電能的消耗，使溫度上升，加速鎮流器的老化.如果你是工程師的話，要怎么解決這個問題？

學生以小組為單位，查閱資料，交流討論，得到結論：為了減少渦流帶來的損耗，不用整塊鐵芯，使用很薄的彼此絕緣的矽鋼片疊壓形成的鐵芯，就可以解決這個問題.

師：市面上和日光燈配套使用的電感鎮流器，就是這樣設計來減少損耗的，如圖13所示.

圖13 鎮流器

接著教師引導學生選購和燈管規格配套的鎮流器，進行實驗，檢驗方案是否可行.

3 教學總結

和傳統教學相比，STEM教育的價值在于通過科學探究和工程設計的方式，提高學生綜合運用科學原理、技術手段、工程思想、數學工具解決實際問題的能力，綜合培養學生的科學、技術、工程、數學素養.對于高中物理“自感現象”這一節，傳統教學設計往往止步于掌握自感現象及其原理，了解自感現象的生活應用(例如日光燈)，不會涉及到工程設計的內容.因此，本文借由“設計日光燈電路”的活動，讓學生經歷工程設計的過程，通過思考并解決如何在電路中實現斷電自感、如何防止鎮流器快速老化等問題，在教學設計中實現工程思想和科學原理、技術手段、數學工具的整合，不僅能讓學生學深學透學扎實，還能得到工程素養的提升.為STEM教育理念融入高中物理教學提供一個可行的思路.