基于STEM教育理念的高中物理教學(xué)設(shè)計
——以“自感現(xiàn)象”為例

鄭學(xué)旎 王笑君

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)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(fā)生的大多數(shù)問題需要應(yīng)用多種學(xué)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(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engi-neering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)，但STEM教育并不是4門學(xué)科的簡單組合，而是將科學(xué)原理、技術(shù)手段、工程思想、數(shù)學(xué)工具整合到一起[1].在明確課程問題和課程任務(wù)后，學(xué)生通過經(jīng)歷工程設(shè)計的過程，學(xué)習(xí)多學(xué)科知識、運用技術(shù)手段和數(shù)學(xué)工具來解決課程問題、完成課程任務(wù)，達(dá)到“學(xué)以致用、用以促學(xué)”的完美結(jié)合.其中，課程任務(wù)可以是產(chǎn)生一個問題解決方案、一個模型、一個設(shè)備或一個計算機(jī)模擬等[2].因此，STEM教育也叫做“基于問題/項目的學(xué)習(xí)”，比起傳統(tǒng)教育，STEM教育更接近實際生活中的工作模式，有助于為學(xué)生未來參與科學(xué)研究和社會生活奠定基礎(chǔ).

本文選取高中物理“自感現(xiàn)象”一節(jié)進(jìn)行基于STEM理念的教學(xué)設(shè)計，涉及到的學(xué)科內(nèi)容如表1所示.盡管傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)的整合，但是在教學(xué)中整合工程思想的設(shè)計并不多見.本文的特點在于通過“設(shè)計日光燈電路”的活動，讓學(xué)生經(jīng)歷工程設(shè)計的過程，思考并解決如何在電路中實現(xiàn)斷電自感、如何發(fā)揮啟輝器的功能等問題，使學(xué)生在學(xué)習(xí)自感知識的同時，提高工程素養(yǎng)[3].

表1 基于STEM教育理念的“自感現(xiàn)象”教學(xué)設(shè)計涉及到的學(xué)科內(nèi)容

2 “自感現(xiàn)象”設(shè)計案例

2.1 情境引入 設(shè)置問題

教師給學(xué)生展示日光燈管，簡單介紹日光燈管的發(fā)光原理.日光燈管內(nèi)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(dāng)燈管兩端的電壓達(dá)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(fā)光[4].接著教師將燈管連接到220 V交流電壓上，讓學(xué)生觀察燈管有沒有亮起來.

現(xiàn)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(fā)光？需要補(bǔ)充什么零件？

設(shè)計意圖：傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計將掌握“自感現(xiàn)象及其原理”作為學(xué)習(xí)任務(wù)，日光燈往往只是作為自感現(xiàn)象的生活應(yīng)用被提及；而本文是將“設(shè)計日光燈電路”作為學(xué)習(xí)任務(wù)，自感現(xiàn)象及其原理只是解決這個學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中需要學(xué)習(xí)的相關(guān)知識，體現(xiàn)了STEM教育從問題出發(fā)，學(xué)習(xí)路徑隨著問題的解決逐步推進(jìn)的特點.

2.2 知識建構(gòu) 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(huán)節(jié)1：讓幾個學(xué)生手拉手，和電池、開關(guān)構(gòu)成一個回路，如圖1所示.閉合開關(guān)后，學(xué)生沒有明顯感覺.斷開開關(guān)，學(xué)生也沒有明顯感覺.

圖1 游戲環(huán)節(jié)1

環(huán)節(jié)2：將一個線圈和手拉手的幾個學(xué)生并聯(lián)，再和電池、開關(guān)構(gòu)成一個回路，如圖2所示.閉合開關(guān)后，學(xué)生沒有明顯感覺.斷開開關(guān)后，幾個學(xué)生都因為輕微的“電擊”尖叫起來.

圖2 游戲環(huán)節(jié)2

師：為什么和線圈并聯(lián)以后，在斷開開關(guān)時會被電擊？

設(shè)計意圖：STEM教育強(qiáng)調(diào)將基于探索和目標(biāo)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)嵌入游戲中，增加教學(xué)過程的趣味性，從而得到更理想的教育產(chǎn)出[6].千人震游戲激發(fā)了學(xué)生的興趣，引起學(xué)生對“斷電后仍然會有電流通過人體”現(xiàn)象的思考，為接下來探究自感現(xiàn)象做好鋪墊.

演示實驗：斷電自感現(xiàn)象

教師連接好電路，如圖3所示.閉合開關(guān)，燈泡發(fā)光，再斷開開關(guān)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象.重復(fù)多次.

圖3 斷電自感電路

現(xiàn)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(dāng)于千人震游戲電路，只是將人換成了燈泡而已.開關(guān)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(chǎn)生的.

生：開關(guān)斷開瞬間，通過線圈的電流減小→線圈產(chǎn)生的磁場快速減小→穿過線圈本身的磁通量從有到無，發(fā)生變化→根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)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(dāng)于一個電源，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電流)比原來的電流要大.

教師引導(dǎo)學(xué)生將電流傳感器接入電路中進(jìn)行檢驗.

現(xiàn)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(jīng)過人體的感應(yīng)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(yīng)電流一定會比原電流大，這跟線圈有關(guān).

設(shè)計意圖：通過提問的方式強(qiáng)調(diào)斷電瞬間自感電動勢可以很大，并引導(dǎo)學(xué)生分析斷電時感應(yīng)電動勢的方向，為后續(xù)設(shè)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(dāng)線圈中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場在線圈本身激發(fā)出感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為自感.由于自感而產(chǎn)生的感應(yīng)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢，那線圈電流增大的時候是不是也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢？

演示實驗：通電自感現(xiàn)象

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

圖6 通電自感電路

現(xiàn)象：燈泡立刻就亮了，并不像預(yù)想的那樣慢慢變亮.

師：實驗現(xiàn)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(dǎo)致的延時時間太短了，看不出來呢？引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)傳感器(T)進(jìn)行檢驗.

學(xué)生對上述實驗稍加改進(jìn)，檢驗通電時是否有自感現(xiàn)象，如圖7所示.將電流傳感器串聯(lián)到電路中，閉合開關(guān)，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(dǎo)學(xué)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(jié)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(xué)生解釋拆掉線圈前后，通電時電流-時間圖像產(chǎn)生差異的原因.當(dāng)電路中串聯(lián)著線圈時，開關(guān)閉合瞬間，通過線圈的電流增大→線圈產(chǎn)生的磁場快速增大→穿過線圈本身的磁通量從無到有，發(fā)生變化→根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)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(guān)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(shè)計意圖：通電自感現(xiàn)象在傳統(tǒng)的實驗中往往難以分辨，學(xué)生容易對實驗原理感到困惑，而使用傳感器技術(shù)可以直觀顯示通電自感現(xiàn)象，體現(xiàn)了STEM教育中科學(xué)原理和技術(shù)手段相整合的價值.

2.3 分析問題 設(shè)計方案

總結(jié)：從自感現(xiàn)象中可以看到，當(dāng)電路中含有線圈時，通電和斷電的過程都出現(xiàn)了自感現(xiàn)象，線圈都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.

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

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計，培養(yǎng)工程素養(yǎng).另外，學(xué)生在這個過程中可能會遇到許多問題，也有助于學(xué)生思維能力和動手能力的提升.

猜想：學(xué)生進(jìn)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(fā)光.

細(xì)節(jié)1：如果要利用自感現(xiàn)象，先要給燈管連上一個線圈.線圈要和燈管串聯(lián)還是并聯(lián)[8]？

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

圖10 拆線圈前后的電流-時間圖像對比

細(xì)節(jié)2：要利用通電自感還是斷電自感？

討論：通電時產(chǎn)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(chǎn)生的感應(yīng)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(dá)到一定值時就可以擊穿燈管，使燈管發(fā)光.故應(yīng)該利用斷電自感.

細(xì)節(jié)3：可是開關(guān)閉合時是通電狀態(tài)，線圈會發(fā)生通電自感，卻不會發(fā)生斷電自感.怎么在開關(guān)閉合后實現(xiàn)線圈的斷電自感？

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

教師給學(xué)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(dāng)電壓加在啟輝器兩極之間的時候，氖氣放電發(fā)出輝光，輝光產(chǎn)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(dāng)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(dāng)一個自動開關(guān)[4].

圖11 啟輝器

師：啟輝器能否在這里發(fā)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(chuàng)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(lián)還是并聯(lián)？啟輝器和燈管串聯(lián)還是并聯(lián)？

制定方案：學(xué)生討論確定各部件的連接方式，最后設(shè)計好電路圖.

第一步：設(shè)計啟輝器和線圈串聯(lián).這樣當(dāng)啟輝器電路斷開時才會影響到線圈，使線圈發(fā)生斷電自感.

第二步：設(shè)計啟輝器和燈管并聯(lián).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(lián)，因為點亮前燈管和啟輝器都相當(dāng)于開關(guān)斷開的狀態(tài)，無法達(dá)到先通電后切斷產(chǎn)生瞬間高壓的目的[6].如果燈管和啟輝器并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)閉合，燈管由于達(dá)不到擊穿電壓不導(dǎo)通，電壓加在啟輝器兩端，氖氣放電發(fā)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(dāng)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(lián)的線圈兩端就產(chǎn)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(fā)光.制定好的電路圖如圖12所示.

圖12 日光燈電路圖

設(shè)計意圖：在實際工程設(shè)計過程中需要考慮許多問題，包括“線圈和燈管串聯(lián)還是并聯(lián)”“開關(guān)閉合后如何實現(xiàn)斷電自感”“啟輝器如何發(fā)揮作用”等等.經(jīng)歷完整的日光燈電路設(shè)計過程可以促使學(xué)生將知識學(xué)深學(xué)透，并提高工程素養(yǎng).

師：接下來大家按照設(shè)計好的電路圖做實驗，驗證一下這個方案可不可行.

設(shè)計意圖：學(xué)生在驗證過程中會發(fā)現(xiàn)普通的線圈并不能使燈管發(fā)光的問題，為下面自感電動勢的理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)做鋪墊.

2.4 驗證方案 數(shù)學(xué)推導(dǎo)

在學(xué)生動手實驗的過程中，發(fā)現(xiàn)按照設(shè)計好的電路圖連好實物之后，燈管并沒有發(fā)光.在排查完各零件，確認(rèn)沒有故障后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：難道燈管兩端的電壓還不夠大嗎？是不是線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不夠大？自感電動勢需要達(dá)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(shè)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(chǎn)生的自感電動勢的大小，促使學(xué)生運用數(shù)學(xué)工具(M)推導(dǎo)出自感電動勢大小的表達(dá)式，強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)學(xué)推算能力，體現(xiàn)了STEM教育中科學(xué)原理和數(shù)學(xué)工具的整合.

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

師：可是根據(jù)上節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，如果把整塊導(dǎo)體處于變化的磁場中，整塊導(dǎo)體內(nèi)部將會產(chǎn)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(zhèn)流器的老化.如果你是工程師的話，要怎么解決這個問題？

學(xué)生以小組為單位，查閱資料，交流討論，得到結(jié)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(zhèn)流器，就是這樣設(shè)計來減少損耗的，如圖13所示.

圖13 鎮(zhèn)流器

接著教師引導(dǎo)學(xué)生選購和燈管規(guī)格配套的鎮(zhèn)流器，進(jìn)行實驗，檢驗方案是否可行.

3 教學(xué)總結(jié)

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