指向深度學習的高中物理實驗教學策略
——以“探究影響感應(yīng)電動勢大小的因素”教學為例

劉 玲

(江蘇省太倉高級中學 江蘇 蘇州 215411)

1 深度學習的內(nèi)涵

深度學習是對學習狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學習的投入程度、思維層次和認知體驗等維度，強調(diào)對知識本質(zhì)的理解和對學習內(nèi)容的批判性吸收與利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認知活動的高投入意義性學習[1].

2 實驗探究是促進深度學習的有效路徑

首先，實驗探究過程中學生通過自己體驗、探索、分析、合作、展示、交流、歸納和反思得出結(jié)論，實驗探究教學能充分促進學生全身心參與學習過程，幫助學生深度理解和把握知識的本質(zhì)，在自我建構(gòu)的過程中獲得模型建構(gòu)、批判反思、抽象概括等科學思維方法，有效促進學生高階思維能力提升和思維品質(zhì)發(fā)展[2].

其次，實驗探究教學往往需要學生小組合作和溝通交流，這將有助于培養(yǎng)學生團隊合作和表達能力，另外在實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析過程中有助于培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度，因此，實驗探究教學是促進高中物理深度學習和培育物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑[3].

本文以人教版《物理·選修3-2》中第四章第4節(jié)“探究影響感應(yīng)電動勢大小的因素”教學為例，進行實踐探索，提升學生實驗探究能力，促進學生深度思維.

3 指向深度學習的高中物理實驗教學策略

3.1 自制實驗教具激發(fā)深度思考

深度學習“深”在學生的思維層次維度，也就是要能促進學生高階思維發(fā)展，這需要在課堂教學中創(chuàng)設(shè)恰當?shù)那榫骋l(fā)學生深度思考,通過自制教具激發(fā)認知沖突是促進學生深層次學習動機和深層參與的有效策略.

教學片斷1：教師展示自制實驗教具，如圖1所示，接下來進行具體教學.

圖1 自制實驗教具

實驗演示：單刀雙擲開關(guān)撥向右邊，右側(cè)電路構(gòu)成回路.觀察到實驗現(xiàn)象,二極管發(fā)光.

繼續(xù)演示：單刀雙擲開關(guān)撥向左邊，此時開關(guān)、二極管、線圈構(gòu)成回路，讓一根磁鐵從上方做自由落體運動從線圈中穿過，觀察到實驗現(xiàn)象，二極管也發(fā)光.

此時有效地激發(fā)了認知沖突，單刀雙擲開關(guān)撥向左邊沒有和干電池聯(lián)接，二極管為什么可以發(fā)光呢？

引導學生回顧前面所學知識：只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體中就有感應(yīng)電流.

教師根據(jù)學生提出的方法繼續(xù)演示實驗：讓磁鐵從距離線圈較低位置釋放穿過線圈.觀察到實驗現(xiàn)象，二極管沒有發(fā)光.

師：這又是為什么呢？是不是回路中沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

生：從高一點的位置釋放，觀察到現(xiàn)象，二極管發(fā)光，表明回路中有電流.

師：根據(jù)以上現(xiàn)象，猜想影響感應(yīng)電動勢大小的因素可能是哪些呢？你能否設(shè)計實驗進行驗證呢？

教學意圖：通過自制教具引入，并借助有效層次性問題的驅(qū)動，一方面幫助學生回顧前面學習的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，另一方面有效激發(fā)認知沖突，增強探究的熱情和積極性，促進學生深度思考.進一步啟發(fā)學生通過左、右電路的對比，總結(jié)出右側(cè)電路中產(chǎn)生的電流是由電源提供的，左側(cè)電路中產(chǎn)生的是感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導體(線圈)相當于電源.

3.2 小組合作探究 誘發(fā)深度建構(gòu)

作為學生主體參與的社會化活動，深度學習的真實發(fā)生需要學生相互啟發(fā)、相互鼓勵、相互評價和相互建構(gòu).小組合作探究中學生能全身心投入，是促進思維深度加工和意義建構(gòu)的有效策略[4].

教學片斷2：基于教師演示實驗的啟發(fā)和對實驗現(xiàn)象的思考，學生小組進行初步探究實驗， 把線圈、靈敏電流計用導線連成回路.將相同的磁鐵以不同的速度從同一高度插入同一個線圈中，觀察并比較電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況.

初步得出結(jié)論：電流計的指針偏角大，說明產(chǎn)生的電流大，而電流大的原因是電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大.由于兩次穿過磁通量變化相同，穿過越快，時間越短，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，說明感應(yīng)電動勢大小與發(fā)生磁通量變化所用的時間有關(guān)，且在磁通量變化相同的情況下，所需時間越短，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大.

引導學生繼續(xù)探究，用磁性強弱不同的條形磁鐵分別從同一位置以相同的速度插入同一個線圈中，觀察并比較電流計指針的偏轉(zhuǎn)情況.

歸納總結(jié)：本次實驗兩種情況所用時間相同，但穿過線圈的磁通量變化不同，電流表的偏轉(zhuǎn)角不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小不同.說明感應(yīng)電動勢的大小還與磁通量的變化量有關(guān)，即在相同的情況下，ΔΦ越大，產(chǎn)生的E越大.

教學意圖：通過學生探究實驗，讓學生自己在實驗中建立對影響感應(yīng)電動勢大小的因素的初步理解，有助于加深學生的理解記憶，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，促進思維的深度建構(gòu).

3.3 改進實驗方案促進深度生成

教學片斷3：教師提出如下兩個改進要點.

改進要點1：改變ΔΦ成倍數(shù)關(guān)系時，如何控制Δt相同？

只靠手憑感覺控制提起的速度，顯然是不夠嚴謹?shù)?這里可以借助于長木棍固定條形磁鐵，如圖2所示，左邊固定兩個相同磁鐵(同名磁極綁在一起)，右邊固定一個相同磁鐵，保持水平提起木棍，可以控制條形磁鐵通過線圈所用的時間相同.

圖2 倍增法改變ΔΦ

這個時候讓學生觀察兩靈敏電流計的讀數(shù)，但由于電流計讀數(shù)變化太快，不好同時記錄兩個表的讀數(shù)，可以將兩個電流計的讀數(shù)拍成視頻，逐幀播放，觀察每一時刻兩個表的瞬時電流關(guān)系，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個時刻與左邊線圈相連的檢流計讀數(shù)是與右邊線圈相連檢流計的2倍，說明感應(yīng)電動勢的大小在時間相同的情況下與磁通量的變化量成正比.

改進要點2：ΔΦ相同，如何Δt成倍數(shù)關(guān)系呢？

這里可以借助一根直尺，在刻度為“0”的位置用大鐵釘做了個支點，在刻度為40 cm和80 cm的位置上固定了相同的條形磁鐵，當把木棒繞過支點轉(zhuǎn)動起來，如圖3所示，就能保證在80 cm和40 cm的位置上磁鐵通過線圈所用的時間是1∶2的關(guān)系.

圖3 倍增法改變Δt

同樣可以將兩個靈敏電流計的讀數(shù)拍成視頻，逐幀播放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)左右兩個靈敏電流計的讀數(shù)為2∶1，說明感應(yīng)電動勢的大小在磁通量的變化量相同的情況下與時間成反比.

教學意圖：學生探究實驗，只是讓學生對探究影響感應(yīng)電動勢大小的因素有初步的定性的理解，教師的定量探究，更是引導學生通過控制變量法，進一步得出感應(yīng)電動勢與磁通量的變化及所用時間的定量關(guān)系，再通過引導學生類比如何建立加速度的表達式，引入一個新的物理量——磁通量的變化率，用比值法定義，引導學生歸納總結(jié)得出法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容和基本公式.

3.4 解決實際問題促進深度應(yīng)用

能靈活應(yīng)用所學知識解決生活中的實際問題是判斷深度學習發(fā)生的重要標志，應(yīng)用實驗探究的方法和結(jié)論解決實際問題，一方面是對本節(jié)課教與學的反饋評價，另一方面有助于提升學生的遷移能力[5].

教學片斷4：高鐵已經(jīng)成為我國新時代發(fā)展的一張“名片”，一種電磁式的高鐵信號定位系統(tǒng)原理

如圖4所示.

圖4 電磁式定位系統(tǒng)原理圖

課后問題1：信號中心是如何對高鐵進行定位和測速的？

課后問題2：如何提高定位和測速的精度？以免發(fā)生交通事故.

筆者通過自制實驗教具、有效問題的驅(qū)動，并借助上述4個教學策略，發(fā)現(xiàn)學生在學習過程中的參與積極性很高，思維活躍，對物理學科核心知識的理解也很深刻，不再是機械記憶的學習，而是實現(xiàn)了深刻理解和靈活遷移，進入到了深度學習層次.