合理拉長知識(shí)鏈 構(gòu)建體驗(yàn)式學(xué)習(xí)——以《自感》的兩個(gè)教學(xué)片段為例

●王俊

物理概念、 規(guī)律和經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)都是被壓縮了的知識(shí)鏈。 筆者認(rèn)為：不能因?yàn)橛辛爽F(xiàn)成的結(jié)論，也不能因?yàn)檎n堂時(shí)間緊而忽視概念的建構(gòu)過程、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)過程，必須合理拉長知識(shí)鏈，教師要科學(xué)地處理教材。

一、經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，體驗(yàn)物理思想方法

教材上，通電、斷電自感實(shí)驗(yàn)都是演示實(shí)驗(yàn)，通常情況下， 教師會(huì)直接把如圖1 所示的電路呈現(xiàn)給學(xué)生， 并要求學(xué)生注意觀察開關(guān)閉合瞬間兩只燈泡的發(fā)光情況，然后引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，得到自感電動(dòng)勢方向與原電流方向之間的關(guān)系。 這樣的教學(xué)僅僅達(dá)成了“知識(shí)與技能”的目標(biāo)，明顯欠缺“過程與方法”的體驗(yàn)。因而，部分學(xué)生會(huì)產(chǎn)生這樣的疑惑：老師怎么會(huì)想到用如圖1 所示的電路來觀察、研究通電自感的？ 為了避免疑惑， 筆者合理拉長了通電自感實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程，創(chuàng)設(shè)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并逐步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生經(jīng)歷“亞研究”過程，從中體驗(yàn)重要的思想方法——類比和比較。設(shè)計(jì)思路是：利用斷電自感設(shè)計(jì)“電擊實(shí)驗(yàn)”→自主建構(gòu)自感概念→粗略分析斷電自感電路不能產(chǎn)生明顯通電自感現(xiàn)象的原因→通電自感實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 課堂實(shí)錄如下：

圖1

教學(xué)片段1：建構(gòu)自感概念并設(shè)計(jì)通電自感電路

實(shí)驗(yàn)器材：線圈（日光燈用鎮(zhèn)流器）、1.5V 干電池2 節(jié)、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

實(shí)驗(yàn)演示：如圖2 所示，讓學(xué)生（約10 位）手拉手，與線圈并聯(lián)后接在干電池的兩端。 閉合開關(guān)時(shí)，學(xué)生沒有任何感覺，但開關(guān)斷開時(shí)，學(xué)生都有了被電擊的感覺。

問題1-1：同學(xué)們有被電擊的感覺，這是誰“惹的禍”？

學(xué)生猜測：線圈。

問題1-2：如果把同學(xué)們換成燈泡，如圖3 所示，燈泡會(huì)被電擊嗎？

圖2

圖3

學(xué)生回答：會(huì)的。

實(shí)驗(yàn)演示：開關(guān)斷開瞬間，小燈泡閃亮一下。

問題1-3：開關(guān)斷開，電源停止供電，讓小燈泡閃亮一下的電流是從何而來的？

學(xué)生活動(dòng)：開關(guān)斷開，電流應(yīng)該立即消失。然而，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突。 沖突激發(fā)思考——為什么線圈能夠讓電路中產(chǎn)生電流？ 學(xué)生會(huì)聯(lián)想到法拉第電磁感應(yīng)定律，進(jìn)而自主建構(gòu)“自感”概念。

問題1-4：如圖3 所示，開關(guān)斷開瞬間，線圈會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢。 那么，開關(guān)閉合瞬間，線圈會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢嗎？ 為什么？

學(xué)生回答：會(huì)的。 開關(guān)閉合瞬間，線圈中電流突然變大。

問題1-5：既然這樣，開關(guān)閉合瞬間，為什么沒有發(fā)生明顯的自感現(xiàn)象？

學(xué)生回答：開關(guān)閉合，線圈與燈泡并聯(lián)；開關(guān)斷開，線圈與燈泡串聯(lián)。

問題1-6：設(shè)計(jì)怎樣的電路就可以觀察到開關(guān)閉合瞬間的自感現(xiàn)象？

學(xué)生回答：電源、開關(guān)、線圈與燈泡串聯(lián)，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)演示：閉合開關(guān)時(shí)，能夠觀察到燈泡延遲發(fā)光，但很不明顯。

問題1-7：如何改進(jìn)電路才可以觀察到明顯的自感現(xiàn)象呢？

教師引導(dǎo)：同學(xué)們，我們先來思考這樣一個(gè)問題：有兩位運(yùn)動(dòng)員都說自己跑得快，我們該怎么辦？

學(xué)生活動(dòng)：可以用“比賽”的方法判斷運(yùn)動(dòng)員跑的快慢，類似地，就可以用“比較”的方法判斷燈泡發(fā)光快慢。 自然就會(huì)提出如圖5 所示的實(shí)驗(yàn)方案。

圖4

圖5

教師引導(dǎo)：同學(xué)們，采用圖5 所示的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣“比較”，“公平”嗎？

學(xué)生回答：在A2 支路中串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器，如圖1 所示。

實(shí)驗(yàn)演示：閉合開關(guān)瞬間，燈泡A2 立即變亮，燈泡A1 延遲變亮。

學(xué)生活動(dòng)：體驗(yàn)成功探究帶給自己的快樂。

二、經(jīng)歷規(guī)律探究過程，體驗(yàn)科學(xué)研究方法

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出自感電動(dòng)勢的表達(dá)式是教材內(nèi)容， 教師通常只是從理論探究的角度，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出自感電動(dòng)勢的表達(dá)式，得到影響自感電動(dòng)勢大小的因素以及自感系數(shù)的物理意義。筆者認(rèn)為如此教學(xué)是有所偏頗的，物理課堂教學(xué)中，教師既不能注重理論，輕視實(shí)驗(yàn)，也不能注重實(shí)驗(yàn)，輕視理論，而應(yīng)該對教材進(jìn)行合理的拓展和重組，創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)膯栴}情境，將實(shí)驗(yàn)探究和理論探究有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)研究的一般過程。鑒于此，筆者增設(shè)了實(shí)驗(yàn)探究階段。設(shè)計(jì)思路是：觀察現(xiàn)象→合理猜想→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→理論推導(dǎo)→得出結(jié)論。 課堂實(shí)錄如下：

教學(xué)片段2：探究自感電動(dòng)勢的大小

問題2-1：在圖1 和圖3 所示的實(shí)驗(yàn)中，所用的線圈分別是1600 匝和800 匝，而且都要加一個(gè)大鐵芯，這是為什么呢？

學(xué)生猜測：自感電動(dòng)勢的大小與匝數(shù)、有無鐵心有關(guān)。

問題2-2：請同學(xué)們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想。

學(xué)生活動(dòng)：經(jīng)過交流討論，給出圖6（自感電動(dòng)勢與有無鐵芯的關(guān)系）和圖7（自感電動(dòng)勢與匝數(shù)的關(guān)系）所示的實(shí)驗(yàn)方案，可以根據(jù)燈泡延遲發(fā)光的時(shí)間長短判斷自感電動(dòng)勢的大小。

圖6

圖7

實(shí)驗(yàn)演示：教師利用“自制實(shí)驗(yàn)裝置”展示自感電動(dòng)勢與有無鐵心的關(guān)系（如圖8 所示）、自感電動(dòng)勢與匝數(shù)的關(guān)系（如圖9 所示）。 進(jìn)而發(fā)現(xiàn)：有鐵芯、匝數(shù)越多，自感電動(dòng)勢越大。

圖8

圖9

問題2-3：前面實(shí)驗(yàn)中，通過開關(guān)的閉合、斷開改變電流，為何不用滑動(dòng)變阻器呢？

學(xué)生猜測：自感電動(dòng)勢的大小與電流變化的快慢有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)演示：利用如圖10 所示的電路展示自感電動(dòng)勢與電流變化快慢的關(guān)系。 開關(guān)斷開瞬間，小燈泡會(huì)閃亮一下。 移動(dòng)滑片時(shí)，燈泡不是閃亮一下，而是亮度逐漸變化。 這就說明：電流變化越快，自感電動(dòng)勢越大。

圖10

問題2-4：自感電動(dòng)勢也是感應(yīng)電動(dòng)勢，請利用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出自感電動(dòng)勢的表達(dá)式。

問題2-5：自感系數(shù)L 的大小跟哪些因素有關(guān)？

學(xué)生回答：線圈的匝數(shù)、橫截面積以及有無鐵芯。

教師引導(dǎo)：這些因素都是線圈本身的屬性，因而自感系數(shù)L 由線圈本身決定。

問題2-6：自感系數(shù)L 越大，表示的物理意義是什么？

學(xué)生回答：在電流變化快慢一定的情況下，自感系數(shù)L 越大，產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢越大。

教師引導(dǎo)：由此可見，自感系數(shù)L 反映了線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢的本領(lǐng)。

問題2-7：自感系數(shù)L 的單位是什么？

學(xué)生回答：亨利，簡稱亨，符號(hào)是H。

物理教學(xué)不僅要讓學(xué)生掌握知識(shí)， 更要讓學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)的形成過程， 領(lǐng)悟認(rèn)識(shí)發(fā)展的螺旋式上升和探究過程的價(jià)值。 這是因?yàn)椋?真正的知識(shí)來自于“探索”，因而獲得知識(shí)的秘密就是返回到“探索的過程”，并在那里去尋找、發(fā)現(xiàn)和感悟。