指向深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式物理教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施 ①
——以“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)為例

程艷德

(江蘇省太倉高級(jí)中學(xué),江蘇 蘇州 215411)

1 指向深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式教學(xué)內(nèi)涵

1.1 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)以培養(yǎng)高階思維、提升思維品質(zhì)為目標(biāo)，以深度理解為基礎(chǔ)，以整合的知識(shí)為內(nèi)容，經(jīng)過還原與下沉、經(jīng)驗(yàn)與探究、反思與上浮等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生全身心體驗(yàn)物理知識(shí)的發(fā)生與發(fā)展過程，感受物理文化，利用知識(shí)與方法解決真實(shí)問題。

1.2 指向深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式教學(xué)

指向深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式教學(xué)基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，以教師對(duì)知識(shí)本質(zhì)與結(jié)構(gòu)的深刻理解和多維解讀為基礎(chǔ)，以真實(shí)挑戰(zhàn)性任務(wù)和核心問題為臺(tái)階，促進(jìn)學(xué)生以層進(jìn)、沉浸的方式參與學(xué)習(xí)過程，由淺入深地把握核心知識(shí)，發(fā)展高階思維，提升思維品質(zhì)。

2 指向深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式物理教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1) “總”“分”“總”原則

第一個(gè)“總”是從課程標(biāo)準(zhǔn)的總目標(biāo)出發(fā)，深刻解讀教材，熟悉學(xué)情并明確教學(xué)的方向，是教師課前備課和主導(dǎo)的過程；“分”是分層進(jìn)階，將教學(xué)總目標(biāo)分解為一個(gè)個(gè)小目標(biāo)，各個(gè)擊破；第二個(gè)“總”是教學(xué)的結(jié)果要能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化掌握、大概念發(fā)展。

(2) 層次性原則

一方面基于對(duì)知識(shí)內(nèi)在結(jié)構(gòu)的理解，設(shè)置的挑戰(zhàn)性任務(wù)、問題串、學(xué)生活動(dòng)要有層次性并與教學(xué)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，使學(xué)生通過對(duì)知識(shí)由淺入深的學(xué)習(xí)，達(dá)到思維的不斷進(jìn)階；另一方面基于對(duì)知識(shí)本質(zhì)的多維解讀，使學(xué)生把握知識(shí)背后的思想方法、邏輯、意義和價(jià)值，超越知識(shí)本身，提升其核心素養(yǎng)。

(3) 沉浸性原則

沉浸性原則要求學(xué)生經(jīng)歷還原與下沉、經(jīng)驗(yàn)與探究、反思與上浮的“U”型的學(xué)習(xí)過程，還原與下沉是把符號(hào)知識(shí)具體化、情景化，變?yōu)榕c學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)相符的學(xué)習(xí)材料；經(jīng)驗(yàn)與探究是通過體驗(yàn)、展示和對(duì)話等活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解、自我整合和內(nèi)化；反思與上浮則是通過自我反省，將科學(xué)共同體的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的個(gè)人知識(shí)。

2.2 “法拉第電磁感應(yīng)定律”的層進(jìn)式設(shè)計(jì)

依據(jù)以上原則，筆者針對(duì)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)進(jìn)行了層進(jìn)式設(shè)計(jì)(表1)。

表1

3 指向物理深度學(xué)習(xí)的層進(jìn)式教學(xué)實(shí)施

3.1 模擬發(fā)電地板，提出問題

首先播放發(fā)電地板的視頻(圖1)，人站在上面跳動(dòng)就能使得燈泡發(fā)光，發(fā)電地板也被稱為“城市發(fā)電站”。

圖1

圖2

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，揭秘發(fā)光原理，教師自制了一個(gè)模擬裝置，其原理如圖2所示，將圓柱形磁鐵的一端和一個(gè)塑料板固定在一起，另一端吸住一個(gè)彈簧，將彈簧和磁鐵一起插入一個(gè)放在桌面的線圈中，上課時(shí)為了增強(qiáng)神秘性，可以將螺線管和磁鐵隱藏在黑箱中，向下壓塑料板時(shí)彈簧發(fā)生形變，磁鐵在線圈中向下運(yùn)動(dòng)，撤去外力后，彈簧恢復(fù)形變，磁鐵在線圈中向上運(yùn)動(dòng)，可以觀察到與線圈相連的檢流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

讓學(xué)生猜測黑箱中的裝置，然后展示內(nèi)部構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)其中沒有電池等電源，說明：磁鐵在螺線管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)裝置就相當(dāng)于電源，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

教師提出問題：(1) 檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)有什么特點(diǎn)？說明了什么？(2) 這個(gè)電流大小能不能反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大??？為什么？

3.2 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，定性感知

為了讓學(xué)生提出合理猜想，引導(dǎo)學(xué)生通過小組合作實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)、定性感知影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的因素。給每個(gè)小組提供了以下實(shí)驗(yàn)器材：兩根條形磁鐵、一個(gè)螺線管、一個(gè)檢流計(jì)和導(dǎo)線，讓學(xué)生利用盡可能多的方式，產(chǎn)生大小不同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

方案1：用一根磁鐵在螺線管中插入或拔出，快慢不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不同。

方案2：用一根磁鐵在靠近螺線管上方來回水平移動(dòng)，移動(dòng)的快慢不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不同。

方案3：第一次用一根磁鐵，第二次用同名磁極綁在一起的兩根磁鐵，在螺線管中插入或拔出，快慢不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不同。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化量ΔΦ、磁通量變化所用的時(shí)間Δt有關(guān)。

3.3 利用DIS進(jìn)行半定量探究

為了檢驗(yàn)學(xué)生的結(jié)論是否正確，可以用DIS的微電流傳感器代替檢流計(jì)，接入電腦將i-t圖像直接展示出來。

第一次教師用一根磁鐵慢速拔出，得到圖3中的圖線a，比較小。

圖3

師：哪位同學(xué)可以產(chǎn)生更大的電流？上來試一試。

一位同學(xué)用一根磁鐵從螺線管中快速拔出，得到了圖線b，發(fā)現(xiàn)比剛才大。

師：對(duì)比以上兩種情形，說明了什么？

縱觀《倚天屠龍記》，正派與魔教的爭端貫穿全書，有人堅(jiān)持正邪有別，有人覺得正邪之分看的是人，而非身份，但全書中被正邪立場問題傷得最深的，非武當(dāng)莫屬。

生：當(dāng)磁通量變化量相同時(shí)，所用時(shí)間越短，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

師：哪位同學(xué)還可以產(chǎn)生更大的電流？請(qǐng)來試一試。

另一位同學(xué)用同名磁極綁在一起的兩根磁鐵，從螺線管中快速拔出，得到了圖線c，發(fā)現(xiàn)比剛才更大。

師：這一現(xiàn)象說明了什么？

生：在時(shí)間相同的情況下，磁通量變化量越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

接下來教師將兩根磁鐵的異名磁極吸在一起，從螺線管中快速拔出，發(fā)現(xiàn)沒有感應(yīng)電流。再用同名磁極綁在一起的三根磁鐵，從螺線管中慢慢拔出，得到了圖線d，發(fā)現(xiàn)比剛才小。

師：這一現(xiàn)象又說明了什么？

生：說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)該和ΔΦ與Δt的比值有關(guān)。

3.4 運(yùn)用控制變量法進(jìn)行定量探究

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小具體是與ΔΦ/Δt的一次方，還是二次方、三次方相關(guān)呢？采用什么方法進(jìn)行探究？

方案1：控制時(shí)間Δt不變，成倍增加ΔΦ，研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的變化。

方案2：控制磁通量變化量ΔΦ不變，成倍增加時(shí)間Δt，研究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的變化。

師：如何控制Δt不變，成倍增加ΔΦ呢？

生：第一次用一根磁鐵從某一高度釋放，讓其做自由落體運(yùn)動(dòng)穿過線圈，第二次用兩根磁鐵從同一高度釋放，讓其做自由落體運(yùn)動(dòng)穿過相同線圈，則時(shí)間相同，磁通量變化量ΔΦ加倍。

由于在具體操作中，不好控制線圈自由落體的運(yùn)動(dòng)軌跡和線圈中心在同一豎直線上?？梢赃\(yùn)用逆向思維，將一根磁鐵、同名磁極綁在一起的兩根磁鐵分別固定在木桿上，并同時(shí)拔出，觀察兩檢流計(jì)的示數(shù)(圖4)。在實(shí)際操作中不易同時(shí)讀出兩個(gè)檢流計(jì)的示數(shù)，可以將實(shí)驗(yàn)過程拍成視頻，在電腦上逐幀播放，發(fā)現(xiàn)：在任一時(shí)刻兩根磁鐵產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似是一根磁鐵產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的2倍。

圖4

師：如何控制ΔΦ不變，成倍增加Δt呢？

生：使一根磁鐵分別從4h、h高度自由釋放，磁通量變化量ΔΦ相同，時(shí)間Δt加倍。

學(xué)生設(shè)計(jì)的方案很好，但操作比較困難，可以采用圖5所示的改進(jìn)方案。將一磁鐵以不同速度從較遠(yuǎn)處水平移到線圈的上方，就可以實(shí)現(xiàn)磁通量變化量ΔΦ相同，而時(shí)間Δt不同。

圖5

自制的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，木桿的一端與同步電動(dòng)機(jī)連接，在另一端上固定磁鐵，單匝線圈與微電流傳感器相連，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁鐵在線圈下方移動(dòng)，調(diào)節(jié)變頻器就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，頻率依次調(diào)節(jié)為5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz,則磁鐵通過線圈的時(shí)間依次減半，測量感應(yīng)電流變化，得到的感應(yīng)電流的圖像如圖7所示，其中在t軸上方表示磁鐵靠近線圈，在t軸下方表示磁鐵遠(yuǎn)離線圈，由于感應(yīng)電流是變化的，可以用t軸上方部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算平均值。最后采用作圖法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到在磁通量變化量ΔΦ相同時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E對(duì)應(yīng)Δt倒數(shù)的圖像為一條過原點(diǎn)的直線，說明ΔΦ一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與Δt成反比。

圖6

圖7

師：當(dāng)線圈為n匝時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為多少呢？

師：為什么？

生：多匝線圈相當(dāng)于多個(gè)單匝線圈的串聯(lián)，串聯(lián)后匝數(shù)成倍增加，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也應(yīng)該成倍增加。

接下來用圖6實(shí)驗(yàn)裝置，成倍增加匝數(shù)，驗(yàn)證剛才的結(jié)論。

3.5 解決實(shí)際問題，遷移應(yīng)用

3.5.1 導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)

問題：如圖8所示，兩平行金屬導(dǎo)軌間距為L，處于勻強(qiáng)磁場中，兩導(dǎo)軌左端連接阻值為R的電阻，一導(dǎo)體棒ab以速度v向右勻速運(yùn)動(dòng)，求其產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)大小。

圖8

學(xué)生應(yīng)用前面得出的法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出E=BLv。

3.5.2 復(fù)雜問題的解決

高鐵已經(jīng)成為我國新時(shí)代發(fā)展的一張“名片”，一種電磁式的高鐵信號(hào)定位系統(tǒng)原理如圖9所示，教師對(duì)此提出兩個(gè)課后問題：(1) 信號(hào)中心是如何對(duì)高鐵進(jìn)行定位和測速的？(2) 如何提高定位和測速的精度，以免發(fā)生交通事故？

圖9

學(xué)生通過課外探究，靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際的復(fù)雜問題，達(dá)成了深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)。