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

沈波

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。endprint