一堂好課的“失敗”

張 殷,羅星凱

(廣西師范大學 物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

2002年，《人民教育》發表了《一堂“失敗”的好課》[1]一文，引發熱烈而持久的討論. 既然失敗了，怎么還是好課？如果說是好課，好在哪里？人們自然而然的困惑，觸及的正是教學評價這個教育的難點和痛點. 3年后，一堂讓教者自我感覺非常滿意，看似無懈可擊的“好課”，卻最后不得不承認失敗，又是為何呢？

這是發生在15年前的課堂故事. 故事的主人公L教授當時已有25年教齡，2年后他獲得了全國高校教學名師獎. 那天課堂上的學生來自物理學(師范)專業，他教這樣的學生已有18個年頭. 更關鍵的是那天他所教的內容源自他20年前碩士論文的研究成果，是他最得心應手的內容.

1 未知的問題

教室里，L老師面前的桌子上擺滿了實驗儀器. “今天，我們的課從物理演示實驗開始. 我們先看圖1對應的實驗裝置，A1和A2是2個相同的小燈泡，A1連著線圈L，A2連著可調電阻R. 開關S接通時，可看到A2立刻變亮，而A1延遲一下才變得和A2的亮度一樣. 此時，若將開關S斷開，兩燈泡會如何熄滅呢？”

課堂中靜默片刻，“A1和A2一起慢慢熄滅.”一名女同學打破沉默.

“A2先熄滅，A1后熄滅.”另一名學生馬上提出不同見解.

“A1閃亮一下再慢慢熄滅，A2先熄滅再亮，隨后再慢慢熄滅.”

“A1和A2先閃亮一下，然后再慢慢熄滅.”

“A1馬上熄滅，A2閃一下再慢慢熄滅.”

“A1和A2先閃一下，然后A1先熄滅，A2隨后再熄滅.”

……

圖1 演示通電自感現象電路

學生紛紛發表自己的觀點，L老師將這些觀點一一歸類后寫到黑板上.

圖1是高中物理教材中用來演示通電自感現象的實驗電路：當S接通時，A2幾乎立即變亮，A1逐漸變亮，說明在接通電源時，線圈中有自感電流產生，阻礙通電時電流的增加. 學生對此非常熟悉，但問到S斷開時兩盞燈是如何熄滅的，學生的回答卻五花八門. 因為演示斷電時的自感現象，教材里沒有用圖1，而是采用圖2所示的電路. 一場精彩的課堂論辯就此拉開序幕.

圖2 演示斷電時自感現象的電路

2 競爭性的觀點

L老師：“大部分同學認為， A1，A2的熄滅是有區別的，少部分同學認為沒有區別. 大家能不能說出道理來？”

“我認為沒有區別，因為開關斷開后，A1，A2處在同一串聯電路中.”

“不一樣！”有學生立即提出不同觀點，“開關斷開后，A1的支路上有自感線圈，自感線圈有阻礙電流變化的作用，所以產生的電流會比原來的電流大一點. 而燈泡A2在斷開的瞬間就沒有電流通過了，所以要先滅一下. 但又跟A1組成回路，又會亮起來.”

L老師：“你的意思是A1近水樓臺先得月,自感線圈產生的感生電流先流經A1，然后才流經A2？”

“老師，我要反駁！電磁場的運動速度等于光速，因此感生電流幾乎同時流經A1和A2.”

“光速確實非常快，但再快也是需要時間的.”前面的學生還是堅持自己的見解.

“不需要時間！因為電場的建立是瞬間的.”

L老師點點頭說，“我贊同你的觀點，電場的建立是瞬間的，在這樣的電路里，時間差別太微弱了. 我們再把另外一種觀點歸納一下：有同學認為燈泡會突然比原來更亮一下，也就是說會閃亮一下，也有同學認為燈泡不會閃. 你們所說的閃一下，就意味著電流……”

“比原來的大.”這一點同學們沒有不同意見.

“但閃與不閃是對立的兩種觀點. 下面就請持有這兩種觀點的同學來說說你們的理由.”課堂順其自然地轉入下一個問題的討論.

“我認為不會閃. 因為自感線圈的電流不會大于原來的電流，只是對電流變化起阻礙作用.”這位學生迫不及待地道出自己的觀點.

“我認為會閃. 當電流變小時，線圈產生阻礙電流變化的自感電流與原來電流方向相同，疊加在一起后，就比原來電流大. ”一名男同學堅定地說道.

另一名男生質疑道：“不！不可能增大！開關斷開后，整個電路沒有其他電源提供能量，整個電路是消耗電路，怎么會變大呢？”

通過有依據地推理得出對現象的預測，是檢驗學生是否真的理解某一問題的有效辦法. 在這個片段中，學生提出了2種不同的觀點：一種觀點認為2個小燈泡的熄滅是有區別的，原因是A1所在支路上有自感線圈，提出了“電流疊加觀點”；另一種觀點認為2個小燈泡的熄滅是沒有區別的，原因是它們在1個串聯電路上，并提出了“阻礙觀點”和“耗散觀點”. 激烈的爭論說明這是2個有競爭性的觀點，在進一步的探究之前，很難一下子駁倒對方.

3 “煽風點火”的老師

聽到這里， L老師忍不住說“但我們開始做了實驗，在圖2所示的電路中，開關斷開時，燈泡是會閃一下的，這又是為什么呢？”

“因為在圖2中，通過自感線圈的電流就比原來通過燈泡A3的電流大，所以斷開開關時，產生比原來更大的電流流過A3，肯定會閃！”這位同學把握十足，“而圖1中2個燈泡的規格是一樣的，穩定后亮度一樣，通過電流一樣. 開關斷開時，相當于供電電源變成了自感線圈，通過A1的電流一開始就不比A2原來的電流大，所以A2肯定不會閃.”

L老師緊接著提出：“但前面有同學認為開關斷開時，自感線圈要阻礙電流減小，會產生感生電流，這個感生電流與原來的電流方向一樣，疊加起來就會比原來更大……”

“那就不一定了.”學生的想法動搖了.

L老師興奮地反問：“不一定？你剛才很肯定啊？”(學生笑)

“開關斷開時，自感線圈要阻礙電流的減小，但阻礙減小，不一定就要增大……” 這名男生接著爭辯道. 然后突然提高嗓音：“阻礙減小怎么會是增加呢！總不會把水龍頭關掉后，水流還突然變大再減小吧？”

L老師：“很多同學說，在圖1電路中，斷電時燈泡會閃一下，是不是由圖2電路演示的現象推斷而來？圖2電路中，燈泡在斷電時閃亮，到底能不能說明線圈中產生的自感電流一定比原來的大呢？”

“不一定.”不少同學的想法動搖了.

為了推進思考的深入，L老師一直在“煽風點火”. 一旦有不同的觀點出現，他就異常興奮. 甚至一些同學由于不確定，只敢小聲質疑，也被他敏銳地捕捉到，并鼓勵學生大膽說出來. 在這場辯論中，老師不是“正確答案的提供者”，學生成了“競爭性觀點的積極提出者和評估者”. 學生思維的真正卷入，才使這節課“活”起來，這為后面的講解做了很好的輔墊.

4 理論分析與實驗結果的沖突

“同學之間的討論，有猜想、有反駁還有辯護，非常精彩！這些討論涉及到對自感本質的理解. 下面進一步分析這個問題. 圖3是圖1的等效電路，我們取L→R1→R2→L為正方向，當開關S斷開時，電路中電流隨時間變化的圖像應該是怎樣的？”

圖3 圖1的等效電路

L老師稍作停頓后，繼續說，“我在大學的物理系做過測試. 大學生所得到的圖像都是如圖4所示，沒有如圖5所示的. 但換用前面圖1所示的電路作為測試題，對于開關斷開后燈泡會怎樣熄滅的問題，有2/3的同學也像你們剛才多數同學回答的那樣，認為通電線圈在斷電時，線圈中的電流在消失前反而會有突然增大的過程. ”

“從前面的分析可看出，學過大學物理課程的大學生，懂得暫態過程，對帶有線圈的電路斷電過程中電流變化的規律似乎是掌握了，畫出的電流變化曲線都是呈指數衰減，不會突然增大. 但換用燈泡亮度來問，難道道理就變了嗎？”接著，L老師從理論上對圖3兩支路的電流變化規律進行分析，并結合數學公式和圖像的表達將暫態過程一一講透.

圖4 正確的i-t曲線 圖5 錯誤的i-t曲線

L老師走向實驗臺. “為什么我們在圖2電路中會看到有燈泡閃亮的現象呢？” 當L老師把開關閉合后再斷開時，可看到明顯的燈泡閃亮現象. “開關斷開，通過燈泡的自感電流比原來通過它的電流大，注意這個“它”是燈泡而不是自感線圈. 弄清楚原因后，想讓燈泡不閃亮，也就容易了.”L老師邊講邊在自感線圈所在支路上串聯可變電阻. 當把電阻逐漸調大時，可觀察到燈泡閃亮效果越來越不明顯，直到最后，完全看不到閃亮現象.

在這段授課中，L老師用到了自己對于自感現象的教學研究：絕大多數大學生，能正確作出圖1所示電路斷電時電流的變化曲線，但在對燈泡亮度的預測上，表現與中學生無異[2]. 顯然，課堂上同學們的爭論并不出乎他的意料. 針對爭論的焦點，他設計的巧妙實驗為做出判決提供了確鑿的證據.

5 直擊本質的精彩比喻

“剛才很多同學認為自感阻礙電流減小就是使電流增大，但實際上自感的本質是延緩.”L老師提高聲音，“在純電阻電路中，電流是可以突變的，但在有自感線圈的電路里，電流是不能突變的. 由于自感系數不為零，當原電流變化時，線圈就要激發出感生電流阻礙它的變化. 其中，阻礙電流減小并不意味著增大，它只是延緩變化的過程，使之不會突變為0. 大物理學家費曼把自感的這種本質屬性稱為電磁慣性. 就像物體因質量而具有的慣性一樣，你跑100 m，目標是終點，但不可能立刻就停在終點，因為慣性，還會往前沖一段距離才能停下. 這個慣性就是阻礙速度變慢，但不是速度不變，更不是越跑越快！”

聽到這里，學生情不自禁地笑起來，或許是因為L老師比喻的精彩，也可能是因為意識到自己原來想法的錯誤.

6 令人嘆服的實驗改進分享

接著，L老師介紹他改進后的實驗裝置，并連接如圖6所示的實驗電路. 其中K為特制的開關，可以在斷開0和1的同時接通0和2.

圖6 改進裝置電路圖

實驗表明：接通0和1時，靈敏電流計顯示在開關接通電源時，回路電流緩慢地增加到穩定值，并且越接近穩定值，電流增加越慢；但當開關斷開電源，同時接通0與2使回路短接時，電流是從穩定值逐漸減小為0，且越接近0電流變化越慢. 將電感線圈L換成純電阻，這時觀察到的現象是：靈敏電流計指針的變化是迅速而干脆的.

當L老師完成總結，下課時間就到了. 但教室里卻異常熱鬧：有的學生陷入沉思，更多的學生則三五成群地討論起來，還有部分學生更是跑到實驗臺前要再探個究竟. 看到這樣的情景，L老師欣慰地笑了.

坐在教室后排聽課的我被深深地打動. 由真問題引發學生各種競爭性的觀點；老師不但沒有立即給出正確的結論，還不斷“煽風點火”，讓沖突愈演愈烈，暴露出學生的前概念和對問題本質的不理解；一一解惑的精彩實驗，直擊本質的精彩比喻，最后令人嘆服的實驗改進，不但讓學生學到科學知識，還將批判性思維培養、科學探究、學科教學研究成果應用演繹得淋漓盡致.

7 出乎意料的挫敗

1周后，L老師也許想鞏固教學效果，開始上課時就把同樣的問題拋出來，并隨機請3名同學來回答.

學生1：“我覺得A1是先閃一下再熄滅. 因為斷開開關后，自感線圈會阻礙電流的減小，而產生自感電流.”

學生2：“我不知道怎么解釋，但2個燈泡是同時熄滅的. 如果有差別，肉眼也觀察不到.”

學生3：“A1會閃一下再滅. 因為電感會釋放能量.”

3名同學的回答都是錯誤的，并沒有因為上周L老師的精彩授課有絲毫改變. 這樣的結果令L老師陷入深思. 第2天，他發博客[3]寫道：“昨天下午的課堂上，幾位同學對我提問的回答，使我對有關課堂講授有效性問題的理解，升華到刻骨銘心體驗的層次……”

8 從講授式學習(LBL)到基于項目的科技探究學習(PBL)

早在1969年，Dale就在研究中發現學生在聽完講座3天后，就只能回憶起不到20%的內容. 2000年，Bligh的研究發現這個比例低于10%[4]，學生的遺忘率是驚人的. 2014年，Freeman等人在225項關于本科STEM教育的元分析中發現，在科學、工程和數學課程上不及格的學生中，依靠講授式學習(Lecture-based learning)的學生遠遠多于主動學習(Active Learning)的學生[5]，也就是說講授式教學給學生帶來更大的失敗概率. 而以證據為基礎的教學，讓學生積極主動地參與學習，其效果比傳統的授課更好[6].

二十多年課堂教學實踐中，L老師早已對老師講、學生聽的教學模式不怎么看好，早在大學剛畢業時就喜歡上了物理演示實驗，后來從師知名物理實驗教學專家周中權先生、劉炳昇先生，自主研發低成本、高智慧和高教育價值的實驗探究資源成了他樂此不疲、堅持至今的研究方向. 這使得他后來面對基礎教育課程改革重大需求時，不僅能沉下心來專注于植根基礎教育實際的研究，而且能在培養教師的教學能力中身體力行地踐行科學探究的理念[7]. 而這一堂好課的失敗，猶如當頭一棒，讓他痛下決心一定要撤離課堂授課的中心. 在此后的課程中，他放棄了作為主角的名師展示，而是讓學生分成小組合作探究學習，將這些疑難實驗作為項目，讓學生們在課前進行基于項目的小組合作探究學習(Project-based inquiry learning). 課堂上，學生小組占據了講臺的位置，教師成了交流中的質疑者和點評者. 學習后的產出往往會讓人眼前一亮，可能是1個出色的自制教具，1份探究教學設計，1篇關于疑難實驗的教學研究論文,等等.

9 后 記

此后的15年里，“創新實踐”成了L老師團隊使用頻度越來越高的關鍵詞. 從開始在師資培養課程實施中，讓師范生“從‘教’中學‘教’”，到2008年開啟直面師范生教學能力發展“臨床實踐”供給難題的“興華創新實踐”，再到2012年開始的廣西普通高中“通用技術”新課程的創新實施，頂層設計基于科學與工程技術實踐的“探究科技”項目化實施模式，并于2015年開始創辦興華青少年科技運動會，為落實學生創新精神和實踐能力培養開發出系列新型科技體育項目，為基于項目的科技探究學習落地，提供了自帶評價的項目化教學資源[8]. 這15年中，L老師團隊越來越堅定地將課程實施和教學改革的聚焦點指向創新實踐育人，為從根本上突破傳統的“學科中心”課程體系和“教師中心”教學模式，進行著不懈的努力[9].