合理拉長知識鏈 構建體驗式學習——以《自感》的兩個教學片段為例

●王俊

物理概念、 規律和經典的物理實驗都是被壓縮了的知識鏈。 筆者認為：不能因為有了現成的結論，也不能因為課堂時間緊而忽視概念的建構過程、規律的發現過程、實驗方案的設計過程，必須合理拉長知識鏈，教師要科學地處理教材。

一、經歷實驗設計過程，體驗物理思想方法

教材上，通電、斷電自感實驗都是演示實驗，通常情況下， 教師會直接把如圖1 所示的電路呈現給學生， 并要求學生注意觀察開關閉合瞬間兩只燈泡的發光情況，然后引導學生分析現象產生的原因，得到自感電動勢方向與原電流方向之間的關系。 這樣的教學僅僅達成了“知識與技能”的目標，明顯欠缺“過程與方法”的體驗。因而，部分學生會產生這樣的疑惑：老師怎么會想到用如圖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驗的教學過程，創設問題鏈，引導學生設計并逐步優化實驗方案，讓學生經歷“亞研究”過程，從中體驗重要的思想方法——類比和比較。設計思路是：利用斷電自感設計“電擊實驗”→自主建構自感概念→粗略分析斷電自感電路不能產生明顯通電自感現象的原因→通電自感實驗方案的設計與優化。 課堂實錄如下：

圖1

教學片段1：建構自感概念并設計通電自感電路

實驗器材：線圈（日光燈用鎮流器）、1.5V 干電池2 節、開關、導線若干。

實驗演示：如圖2 所示，讓學生（約10 位）手拉手，與線圈并聯后接在干電池的兩端。 閉合開關時，學生沒有任何感覺，但開關斷開時，學生都有了被電擊的感覺。

問題1-1：同學們有被電擊的感覺，這是誰“惹的禍”？

學生猜測：線圈。

問題1-2：如果把同學們換成燈泡，如圖3 所示，燈泡會被電擊嗎？

圖2

圖3

學生回答：會的。

實驗演示：開關斷開瞬間，小燈泡閃亮一下。

問題1-3：開關斷開，電源停止供電，讓小燈泡閃亮一下的電流是從何而來的？

學生活動：開關斷開，電流應該立即消失。然而，實驗現象產生了強烈的認知沖突。 沖突激發思考——為什么線圈能夠讓電路中產生電流？ 學生會聯想到法拉第電磁感應定律，進而自主建構“自感”概念。

問題1-4：如圖3 所示，開關斷開瞬間，線圈會產生自感電動勢。 那么，開關閉合瞬間，線圈會產生自感電動勢嗎？ 為什么？

學生回答：會的。 開關閉合瞬間，線圈中電流突然變大。

問題1-5：既然這樣，開關閉合瞬間，為什么沒有發生明顯的自感現象？

學生回答：開關閉合，線圈與燈泡并聯；開關斷開，線圈與燈泡串聯。

問題1-6：設計怎樣的電路就可以觀察到開關閉合瞬間的自感現象？

學生回答：電源、開關、線圈與燈泡串聯，如圖4所示。

實驗演示：閉合開關時，能夠觀察到燈泡延遲發光，但很不明顯。

問題1-7：如何改進電路才可以觀察到明顯的自感現象呢？

教師引導：同學們，我們先來思考這樣一個問題：有兩位運動員都說自己跑得快，我們該怎么辦？

學生活動：可以用“比賽”的方法判斷運動員跑的快慢，類似地，就可以用“比較”的方法判斷燈泡發光快慢。 自然就會提出如圖5 所示的實驗方案。

圖4

圖5

教師引導：同學們，采用圖5 所示的方案進行實驗，這樣“比較”，“公平”嗎？

學生回答：在A2 支路中串聯一個滑動變阻器，如圖1 所示。

實驗演示：閉合開關瞬間，燈泡A2 立即變亮，燈泡A1 延遲變亮。

學生活動：體驗成功探究帶給自己的快樂。

二、經歷規律探究過程，體驗科學研究方法

根據法拉第電磁感應定律推導出自感電動勢的表達式是教材內容， 教師通常只是從理論探究的角度，引導學生推導出自感電動勢的表達式，得到影響自感電動勢大小的因素以及自感系數的物理意義。筆者認為如此教學是有所偏頗的，物理課堂教學中，教師既不能注重理論，輕視實驗，也不能注重實驗，輕視理論，而應該對教材進行合理的拓展和重組，創設恰當的問題情境，將實驗探究和理論探究有機結合，讓學生經歷科學研究的一般過程。鑒于此，筆者增設了實驗探究階段。設計思路是：觀察現象→合理猜想→實驗驗證→理論推導→得出結論。 課堂實錄如下：

教學片段2：探究自感電動勢的大小

問題2-1：在圖1 和圖3 所示的實驗中，所用的線圈分別是1600 匝和800 匝，而且都要加一個大鐵芯，這是為什么呢？

學生猜測：自感電動勢的大小與匝數、有無鐵心有關。

問題2-2：請同學們設計實驗驗證自己的猜想。

學生活動：經過交流討論，給出圖6（自感電動勢與有無鐵芯的關系）和圖7（自感電動勢與匝數的關系）所示的實驗方案，可以根據燈泡延遲發光的時間長短判斷自感電動勢的大小。

圖6

圖7

實驗演示：教師利用“自制實驗裝置”展示自感電動勢與有無鐵心的關系（如圖8 所示）、自感電動勢與匝數的關系（如圖9 所示）。 進而發現：有鐵芯、匝數越多，自感電動勢越大。

圖8

圖9

問題2-3：前面實驗中，通過開關的閉合、斷開改變電流，為何不用滑動變阻器呢？

學生猜測：自感電動勢的大小與電流變化的快慢有關。

實驗演示：利用如圖10 所示的電路展示自感電動勢與電流變化快慢的關系。 開關斷開瞬間，小燈泡會閃亮一下。 移動滑片時，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，自感電動勢越大。

圖10

問題2-4：自感電動勢也是感應電動勢，請利用法拉第電磁感應定律推導出自感電動勢的表達式。

問題2-5：自感系數L 的大小跟哪些因素有關？

學生回答：線圈的匝數、橫截面積以及有無鐵芯。

教師引導：這些因素都是線圈本身的屬性，因而自感系數L 由線圈本身決定。

問題2-6：自感系數L 越大，表示的物理意義是什么？

學生回答：在電流變化快慢一定的情況下，自感系數L 越大，產生的自感電動勢越大。

教師引導：由此可見，自感系數L 反映了線圈產生自感電動勢的本領。

問題2-7：自感系數L 的單位是什么？

學生回答：亨利，簡稱亨，符號是H。

物理教學不僅要讓學生掌握知識， 更要讓學生體驗知識的形成過程， 領悟認識發展的螺旋式上升和探究過程的價值。 這是因為， 真正的知識來自于“探索”，因而獲得知識的秘密就是返回到“探索的過程”，并在那里去尋找、發現和感悟。