整合教學內容?促進深度學習

呂琪

[摘要] 本文基于對深度學習的理解，以法拉第電磁感應定律為例優化教學設計，注重整合意義聯結的教學內容，創設教學情境，融入物理學史素材，設計批判性的教學問題，旨在課堂實踐中能促進學生深度學習。

[關鍵詞] 深度學習;教學設計

深度學習是一種基于理解的學習，學習者能夠廣泛地建立各種知識間的聯系，并批判性地思考和建構新知識，將它們融入原有的認知結構，并能夠在類似情境中遷移運用、解決問題。法拉第電磁感應定律是對電磁感應現象的定量表述，其中感應電動勢的概念比較抽象，學生較難形成明晰的物理圖像，而且定量的研究要求學生對“磁通量的變化率”有深刻的理解。人教版高中《物理》3-2教材在這節內容中并沒有設計定量實驗，僅從上一節的實驗中定性得出感應電動勢的大小與磁通量的變化快慢有關，然后直接給出結論，學生學起來充滿困惑。為了促進學生的深度學習，筆者以《法拉第電磁感應定律》教學設計為例，說明教學過程中要創設真實性和批判性的課堂情境，構建以問題解決為核心的學習情境系統。

一、整合意義聯結的教學內容，幫助學生概念建構

【激疑引入】利用一根銅絲、一塊磁鐵，就能制作一把琴嗎？

【演示實驗1】將銅絲用導線連成閉合回路（如圖1），接擴音器（擴音器可以將某種信號轉化為聲音信號），輕輕撥動銅絲，請學生傾聽聲音。將磁鐵固定在銅絲下方，撥動銅絲，請學生傾聽聲音。

現象：沒有磁鐵，擴音器沒有聲音;有磁鐵，撥動銅絲，擴音器發出琴聲。

【演示實驗2】以不同的力度撥動銅絲，可以演奏樂曲。

【問題1】請思考擴音器將什么信號轉化為琴聲？

解釋：閉合回路中部分導體切割磁感線，產生了感應電流。不同音調的琴聲說明回路產生的感應電流不同。

講授：回路中有感應電流，一定有電動勢。在電磁感應現象中產生的電動勢叫感應電動勢，產生感應電動勢的部分導體相當于電源。

【問題2】請分析以下電路中（如圖2），哪部分相當于電源？哪一端相當于電源的正極？

【問題3】若回路是斷開的，回路中是否有感應電流？是否有感應電動勢？

【設計意圖】深度學習實質上是知識建構的過程，涉及復雜的信息加工過程，要求教師能夠激活學生已有知識和概念，并對新知識進行有效和精細的深度整合。教師通過自制實驗器材，調動學生的學習興趣，通過靈活地整合教材內容，引導學生將感應電動勢的定義以整合的、情境化的方式內化，有助于學生理解電磁感應現象的本質是產生了感應電動勢，從而進行有意義的知識建構。

二、創設趣味真實的教學情境，引導學生積極體驗

【活動1】“比一比”游戲（定性探究：感應電動勢的大小與哪些因素有關？）

游戲規則：4人小組利用靈敏電流計、線圈2個（匝數不同）、2根條形磁鐵、若干導線，探究如何使靈敏電流計的指針偏轉最大？（即產生最大的感應電動勢）

學生總結游戲結果，教師引導歸納影響因素。

【活動2】探究感應電動勢E的大小與Δφ、Δt、n有怎樣的定量關系？

思考：應該采用怎樣的實驗方法？——控制變量法

子活動1：定量探究感應電動勢E與Δφ的關系

選取兩個相同型號的線圈，設計實驗。（記錄方案于下表）

實驗裝置（如圖3），實驗現象記錄（如圖4）：

大量實驗，可得結論：變化時間相同時，感應電動勢E與Δφ成正比。

子活動2：定量探究感應電動勢E與Δt的關系

實驗裝置中線圈匝數可變，本活動選定線圈匝數選定200匝，在實驗過程中保持不變。

實驗裝置說明：筆者教學采用的是朗威公司的現成探究器材（如圖5、圖6），記錄的是經過光電門的速度v。實驗前讓學生猜想：E與v是什么關系？如何處理數據，驗證你的猜想？

實驗數據畫圖記錄如圖（如圖7）。

大量實驗，可得結論：感應電動勢E與經過光電門的速度成正比，即感應電動勢E與Δt成反比。

子活動3：定量探究感應電動勢E與匝數n的關系

實驗設計：線圈匝數可以改變，分別選取線圈匝數為100匝、300匝，重復活動2的實驗操作，在表格中記錄E，v的數據，并繪制圖象。

實驗數據畫圖記錄如圖（如圖8）。

分析圖象，可得結論：Δφ一定時，感應電動勢E與匝數n成正比。

【設計意圖】根據情境認知理論，學習的最終目標是要將自己置于知識產生的特定情境中，通過積極參與具體情境中的社會實踐獲取知識，進行意義建構和解決問題。深度學習也是這樣一種建構性學習，它要求學習者掌握一些非結構化的知識，例如復雜概念、情境問題、實驗的設計和總結等，并最終融入自己的認知結構體系中去，能舉一反三將方法遷移運用于新情境，解決新問題。本課教師設計的實驗探究過程充分尊重學生的認知特點，通過趣味實驗，增強學生的直接經驗，問題設置有梯度，從定性分析到定量探究，層層遞進，在實驗過程中滲透了解決問題的方法。

三、融入物理學史的教學素材，鍛煉學生信息整合

教學片段：法拉第電磁感應定律是怎樣總結得到的？

教師：通過先進的裝置，很快驗證了我們的猜想，實際上歷史上科學家的研究歷程是艱辛而漫長的。1831年，法拉第發現電磁感應現象;1834年楞次發表《論電磁感應引起的電流的方向的決定》;1845年、1846年，物理學家紐曼、韋伯通過理論推導：閉合電路中的感應電動勢，跟穿過這一電路的磁通量變化率成正比。1851年，法拉第在《論磁力線》一文中給出了電磁感應定律的完整表述。

總結：引用法拉第的名言“希望你們年輕的一代，也能像蠟燭為人照明那樣，有一分熱，發一分光，忠誠而腳踏實地為人類偉大的事業貢獻自己的力量”。

【設計意圖】要能夠深度學習，信息整合是重中之重。深度學習不僅建立新舊知識、結構性和非結構性知識的聯系，還需要多學科知識和多渠道信息的整合，增強學生的情感體驗和科學責任感也對學生的深度學習有積極影響。學生經過課堂體驗所得的知識和規律需要及時總結，此時介紹物理學史上相關科學家的曲折研究歷程，可以引起學生的情感共鳴，促進法拉第電磁感應定律的知識整合，加深學生的理解、保持和遷移運用。

四、設計具有批判性的教學問題，促進學生遷移運用

教師：圓線圈n匝，截面積一定，垂直于磁場放置，B隨時間的變化規律（如圖9），則線圈中的磁通量如何變化？產生的感應電動勢如何變化？

【思考與討論1】磁通量變化的原因可能是磁感應強度改變，也可能是回路中面積的改變，應用法拉第電磁感應定律，推導導體棒切割磁感線時（如圖10），感應電動勢的表達式。

【思考與討論2】若導體運動的方向與磁場平行（如圖11），導體中產生感應電動勢嗎？若導體運動的方向與導體本身垂直，但與磁感線不垂直，設v與B的夾角為θ（如圖12），又如何計算感應電動勢的大小呢？

【設計意圖】深度學習重視批判和理解，要求學習者持有批判或懷疑的態度去對待新知識并深入思考遇到的問題，從而理解問題背后的深層知識和復雜概念。前面的探究實驗情境中都是磁感應強度在發生變化，筆者首先設計一個問題讓學生思考磁感應強度均勻變化時的感應電動勢，加深學生對法拉第電磁感應定律的理解。當然，深度學習還強調遷移運用，這要求學習者深入了解學習情境，只有把握清楚情境的關鍵要素，才能明確情境的不同之處，遇到新情境才能“舉一反三”，遷移運用學到的知識。磁感應強度的變化還可能是由于面積的變化引起的，點撥學生新問題與已知問題的區別和聯系，有梯度的引導學生將知識遷移運用，促進知識的內化。

本節課的教學設計指向深度學習，主要體現在從教材情景、教師經驗轉變成真實情景、學生情感;從習題訓練轉變到基于任務的項目學習，給學生方向上的指引;從教學分離轉變到教在學中，教學在學生的生活中，貼近學生的生活體驗，在學生的思維深處，有助于學生的深度學習，教在學生的問題中，注重學生的表達，注重知識的生成。當然本課的設計內容豐滿，素材較多，要求教師課前做好調試和準備工作;并且本課只是法拉第電磁感應定律第一課時，有關公式的深入理解和練習運用還有待后續教學。

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