促进深度学习 提升思维品质——“互感和自感”展示课回眸

任虎虎

(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

1 深度学习和思维品质的内涵

深度学习被视为落实学科核心素养的必然路径,有学者指出,深度学习是一种基于理解的学习,积极主动地、批判性地学习新的知识和思想,并将它们融入原有的认知结构中,且能将已有的知识迁移到新的情境中的一种学习．还有学者认为深度学习就是指在教师引领下,学生围绕着具有挑战性的学习主题,全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程．

思维品质是人的思维能力的个性特征,思维品质反映了每个个体智力或思维水平的差异,主要包括深刻性、灵活性、独创性和批判性等方面.

发展高阶思维能力,提升思维品质是深度学习的核心任务和重要特征,深度学习就“深”在学生的思维层次和思维品质上．促进学生深度学习需要所学的知识具有充分的广度、深度和关联度.这有助于提升思维的广阔性、深刻性、逻辑性和灵活性,深度学习倡导批判性地吸收和利用知识,这有助于提升思维的批判性、独立性和创造性．提升学生的思维品质也是物理教学的核心价值导向．

2 促进深度学习提升思维品质的有效策略

下面以人教版选修3-2“互感和自感”展示课为例,具体阐述如何在课堂教学中促进深度学习提升思维品质．

2.1 创新实验情境，衔接新旧知识，提升思维的逻辑性

实验是物理学的基石,也是学物理的基石,创新实验内容或实验演示的方式一方面有助于增强具身体验,激发学生学习的兴趣,另一方面有助于透过现象分析问题的本质,建立新旧知识间的逻辑关联,提升学生思维的逻辑型．互感和自感现象是电磁感应在通电线圈中的两个应用特例,前面学习的楞次定律和法拉第电磁感应定律是理解互感和自感现象的基础.

教学案例1.在本节课的引入环节笔者设计了一个“小魔术”——隔空取电,帮助学生建立新旧知识间的逻辑关联．具体做法如下.

用一个家庭通用大小的LED灯泡(为了安全,可以在淘宝上买额定电压为12V的LED灯)和底座,将绕成半径约为10cm的25匝线圈接在灯泡的底座上．向学生展示灯泡和线圈,着重说明灯泡现在没有接电源,然后将该装置从上方靠近正在工作的电磁炉(电磁炉上面不放金属时不持续工作),如图1所示,线圈和灯泡在电磁炉上方没有和任何物体接触时竟然神奇地发光了．

图1 隔空取电装置

设置问题:(1) 灯泡发光说明了什么?(2) 灯泡中的电流(或两端的电压)是如何产生的?

图2 模型建构

为了帮助学生解释现象,可以展示电磁炉内部的核心部件——线圈盘,建构物理模型,如图2所示．在线圈1中通入交变电流,在线圈2中两端产生电压,学生在思考讨论后能用所学知识进行合理解释,然后让学生用自己的理解表述什么是互感现象．在这个过程中也学习到一种重要的物理思想方法:模型建构．从生活情景或具体物理现象到抽象或研究的物理问题,中间需要经历模型建构的过程．

2.2 回归生活背景，放宽研究视野，提升思维的广阔性

促进深度学习需要回归学生的生活世界和生活背景,与时俱进,从学生丰富的生活经验出发设计学习路径,放宽课堂教学研究的视野,充分展示知识的广度,提升思维的广阔性．

图3 无线充电

教学案例2.在互感现象学习后,让学生列举互感现象在生活中的应用．学生列举出手机无线充电的例子,笔者展示了手机无线充电器的贴片,如图3所示,同时笔者向学生介绍了变压器和互感器．

接下来教师提出问题:互感现象中两个非接触的线圈中到底传递了什么?学生基本都能想到传递了能量,但说不出其他答案．接下来笔者演示了如图4所示实验,将手机通过耳机和一个线圈相连,音箱和另外一个线圈连接,在手机播放一段美妙的音乐,插上耳机后,将和手机相连的线圈放入与音箱相连的线圈中,音乐竟然从音箱中神奇地播放了出来,接下来引导学生建构如图5所示的物理模型,让学生体会到互感现象中不仅能传递能量,还能传递信息,从而帮助学生了解互感现象在生活中的广泛应用．

图4 互感传递信息

图5 模型建构

2.3 适度关联拓展，从定性到定量，提升思维的深刻性

不同知识点间总有千丝万缕的联系,两个不同知识点间的过渡可以通过关联拓展实现,同一知识的纵深学习,也可以通过适度拓展实现．自感的教学中,通过“千人震”体验,让学生讨论断电自感的原因,进行定性分析,再借助DIS传感器定量研究,然后拓展迁移过渡到通电自感上．

图6 千人震实验

教学案例3.“千人震”实验为了充分增强体验性,电源用两节干电池让全班学生手拉手一起参与,如图6所示．然后设计讨论问题:开关断开时,3V的电压为什么会产生如此大的威力?为了设计台阶帮助学生理解，可以增加两个提示问题．

提示1:开关断开,电流如何变化?线圈的磁通量如何变化?

提示2:开关断开时会产生怎样的感应磁场和感应电流?

图7

为了进一步方便研究,可以用灯泡替换人,设计如图7所示的实验装置,让学生思考开关断开时的实验现象．实验现象:开关断开时,灯泡闪亮了一下逐渐熄灭．让学生进一步思考:(1) L1“闪亮”说明了什么?(2) 灯泡中流过的自感电流与开关断开前电流方向相同还是相反?(3) 开关断开瞬间感应电流大小和线圈中原来的电流大小什么关系?

由于断开开关时电流变化比较快,用电流表不好测量,所以在两个支路中分别串接一个电流传感器进行测量,定量验证上面的定性分析．所得到的I-t图像如图8所示，然后引导学生对图像进行分析,断开瞬间流过灯泡的电流大小与原来流过线圈中的电流大小相等,然后逐渐减小,从而得出结论:在有回路时,线圈中的电流是连续变化的．

图8 I-t图像

提出拓展问题:在上述电路中与线圈串联一相同灯泡L2,断开开关时L1灯泡还会“闪亮”吗?引导学生分析,同时优化电路,得到如图9所示电路,这就自然过渡到通电自感,然后借助通电自感实验进行演示,验证对拓展问题的分析．

图9 拓展电路

2.4 借助问题驱动，促进自主建构，提升思维的独立性

有效的思维进阶和思维品质的提升离不开有效问题的引导和驱动,设置适合学生的问题和问题串,与学生互动对话,有助于学生独立思考,自主建构知识,提升思维的独立性．

图10

教学案例4.在图9所示电路中,提出独立思考问题1:开关闭合时将看到什么现象?请说明现象并解释原因．笔者通过实验演示,在验证学生的分析后,提出独立思考问题2:开关闭合时,试在所给的图中(如图10所示)作出两电流传感器的I-t图像(由于两灯泡是纯电阻,这里也可以用电压传感器测量两灯泡的电压,作U-t图像)．

2.5 倾听学生心声，捕捉生成资源，提升思维的灵活性

促进深度学习需要对话触及学生心灵深处,这就要求教师必须倾听学生的心声,倾听学生对所学知识的个性化理解,从而及时调整教学策略．不同学生的心声也是重要的生成性教学资源,充分利用可以提升学生思维的灵活性．

教学案例5.用两电流传感器得出通电自感现象中电流变化图像,如图11所示,与线圈相连的灯泡电流缓慢增加与学生的分析一致．

图11 通电自感I-t图像

在教学过程中笔者发现一小组学生对所测出来的图像低声交流,于是就让交流的学生大声说出他们遇到的问题,表述为:与滑动变阻器相连的灯泡电流增加为什么也需要一段时间?不是立刻增加呢?

这个问题笔者上课前也没想到,但还是放慢教学节奏,让学生对这个有趣的问题展开讨论,借助集体的智慧,大家终于找到其中的缘由:滑动变阻器是由导线绕制而成的,也是线圈,电流增加时也会产生自感电动势阻碍电流增加．

2.6 通过自我反思，理解知识本质，提升思维的批判性

在学习过程中适时引导学生对学习的知识内容、学习过程和方式进行反思,有助于发展学生的元认知能力和提升思维的批判性．这里的自我反思不等同于课堂上浅表的“课堂小结”和知识罗列,而是要理解知识的本质．

教学案例6.在断电自感和通电自感学习后,引导学生对自感现象的本质和学习过程进行批判性的反思,以达到深度学习的目的．反思过程如下.

线圈自身电流发生变化→自身磁场变化→自身产生感应磁场→阻碍自身磁场变化→产生自感电动势→阻碍自身电流变化．

自感现象的本质还是体现在“阻碍”二字上,但“阻碍”不是“阻止”,只是延长了变化所需要的时间．

2.7 解决实际问题，应用知识方法，提升思维的创造性

能否灵活应用所学物理知识和思想方法解决实际复杂问题是判断深度学习发生的重要标志,面对实际问题,进行综合分析和提出解决方案的过程,本身就是一个创造性过程．所以,在教学中设置待解决的实际问题,有助于提升思维的创造性．

教学案例7.借助课本问题:小明去断开正在工作的大功率电动机的开关时,被突然产生的电火花击中了,想一想,为什么?学生能很快给出解释:大功率电动机中的线圈自感系数比较大,断电时会产生很高的自感电动势．

然后激励学生提出在保证电动机有效工作的前提下防止小明被电火花击中的方案．

方案1:带上橡胶手套．

方案2:借助静电屏蔽原理,觉得小明应该穿上防护服．

方案3:在开关的两个闸刀间放一块陶瓷板．

……

虽然这些方案与笔者预期的“开关油浸法”、“双线绕制线圈”等方案有差距,但这些才是学生独创性思考的结果,并能将静电场的原理和方法迁移到这里解决问题,非常有价值．

3 结束语

提升学生的思维品质是物理教学的不懈追求,课堂教学中促进学生深度学习、发展深度学习能力是提升思维品质的必然路径,在这方面笔者还需要不断探索、不断实践、不断努力．