合理拉长知识链 构建体验式学习——以《自感》的两个教学片段为例

●王俊

物理概念、 规律和经典的物理实验都是被压缩了的知识链。 笔者认为：不能因为有了现成的结论，也不能因为课堂时间紧而忽视概念的建构过程、规律的发现过程、实验方案的设计过程，必须合理拉长知识链，教师要科学地处理教材。

一、经历实验设计过程，体验物理思想方法

教材上，通电、断电自感实验都是演示实验，通常情况下， 教师会直接把如图1 所示的电路呈现给学生， 并要求学生注意观察开关闭合瞬间两只灯泡的发光情况，然后引导学生分析现象产生的原因，得到自感电动势方向与原电流方向之间的关系。 这样的教学仅仅达成了“知识与技能”的目标，明显欠缺“过程与方法”的体验。因而，部分学生会产生这样的疑惑：老师怎么会想到用如图1 所示的电路来观察、研究通电自感的？ 为了避免疑惑， 笔者合理拉长了通电自感实验的教学过程，创设问题链，引导学生设计并逐步优化实验方案，让学生经历“亚研究”过程，从中体验重要的思想方法——类比和比较。设计思路是：利用断电自感设计“电击实验”→自主建构自感概念→粗略分析断电自感电路不能产生明显通电自感现象的原因→通电自感实验方案的设计与优化。 课堂实录如下：

图1

教学片段1：建构自感概念并设计通电自感电路

实验器材：线圈（日光灯用镇流器）、1.5V 干电池2 节、开关、导线若干。

实验演示：如图2 所示，让学生（约10 位）手拉手，与线圈并联后接在干电池的两端。 闭合开关时，学生没有任何感觉，但开关断开时，学生都有了被电击的感觉。

问题1-1：同学们有被电击的感觉，这是谁“惹的祸”？

学生猜测：线圈。

问题1-2：如果把同学们换成灯泡，如图3 所示，灯泡会被电击吗？

图2

图3

学生回答：会的。

实验演示：开关断开瞬间，小灯泡闪亮一下。

问题1-3：开关断开，电源停止供电，让小灯泡闪亮一下的电流是从何而来的？

学生活动：开关断开，电流应该立即消失。然而，实验现象产生了强烈的认知冲突。 冲突激发思考——为什么线圈能够让电路中产生电流？ 学生会联想到法拉第电磁感应定律，进而自主建构“自感”概念。

问题1-4：如图3 所示，开关断开瞬间，线圈会产生自感电动势。 那么，开关闭合瞬间，线圈会产生自感电动势吗？ 为什么？

学生回答：会的。 开关闭合瞬间，线圈中电流突然变大。

问题1-5：既然这样，开关闭合瞬间，为什么没有发生明显的自感现象？

学生回答：开关闭合，线圈与灯泡并联；开关断开，线圈与灯泡串联。

问题1-6：设计怎样的电路就可以观察到开关闭合瞬间的自感现象？

学生回答：电源、开关、线圈与灯泡串联，如图4所示。

实验演示：闭合开关时，能够观察到灯泡延迟发光，但很不明显。

问题1-7：如何改进电路才可以观察到明显的自感现象呢？

教师引导：同学们，我们先来思考这样一个问题：有两位运动员都说自己跑得快，我们该怎么办？

学生活动：可以用“比赛”的方法判断运动员跑的快慢，类似地，就可以用“比较”的方法判断灯泡发光快慢。 自然就会提出如图5 所示的实验方案。

图4

图5

教师引导：同学们，采用图5 所示的方案进行实验，这样“比较”，“公平”吗？

学生回答：在A2 支路中串联一个滑动变阻器，如图1 所示。

实验演示：闭合开关瞬间，灯泡A2 立即变亮，灯泡A1 延迟变亮。

学生活动：体验成功探究带给自己的快乐。

二、经历规律探究过程，体验科学研究方法

根据法拉第电磁感应定律推导出自感电动势的表达式是教材内容， 教师通常只是从理论探究的角度，引导学生推导出自感电动势的表达式，得到影响自感电动势大小的因素以及自感系数的物理意义。笔者认为如此教学是有所偏颇的，物理课堂教学中，教师既不能注重理论，轻视实验，也不能注重实验，轻视理论，而应该对教材进行合理的拓展和重组，创设恰当的问题情境，将实验探究和理论探究有机结合，让学生经历科学研究的一般过程。鉴于此，笔者增设了实验探究阶段。设计思路是：观察现象→合理猜想→实验验证→理论推导→得出结论。 课堂实录如下：

教学片段2：探究自感电动势的大小

问题2-1：在图1 和图3 所示的实验中，所用的线圈分别是1600 匝和800 匝，而且都要加一个大铁芯，这是为什么呢？

学生猜测：自感电动势的大小与匝数、有无铁心有关。

问题2-2：请同学们设计实验验证自己的猜想。

学生活动：经过交流讨论，给出图6（自感电动势与有无铁芯的关系）和图7（自感电动势与匝数的关系）所示的实验方案，可以根据灯泡延迟发光的时间长短判断自感电动势的大小。

图6

图7

实验演示：教师利用“自制实验装置”展示自感电动势与有无铁心的关系（如图8 所示）、自感电动势与匝数的关系（如图9 所示）。 进而发现：有铁芯、匝数越多，自感电动势越大。

图8

图9

问题2-3：前面实验中，通过开关的闭合、断开改变电流，为何不用滑动变阻器呢？

学生猜测：自感电动势的大小与电流变化的快慢有关。

实验演示：利用如图10 所示的电路展示自感电动势与电流变化快慢的关系。 开关断开瞬间，小灯泡会闪亮一下。 移动滑片时，灯泡不是闪亮一下，而是亮度逐渐变化。 这就说明：电流变化越快，自感电动势越大。

图10

问题2-4：自感电动势也是感应电动势，请利用法拉第电磁感应定律推导出自感电动势的表达式。

问题2-5：自感系数L 的大小跟哪些因素有关？

学生回答：线圈的匝数、横截面积以及有无铁芯。

教师引导：这些因素都是线圈本身的属性，因而自感系数L 由线圈本身决定。

问题2-6：自感系数L 越大，表示的物理意义是什么？

学生回答：在电流变化快慢一定的情况下，自感系数L 越大，产生的自感电动势越大。

教师引导：由此可见，自感系数L 反映了线圈产生自感电动势的本领。

问题2-7：自感系数L 的单位是什么？

学生回答：亨利，简称亨，符号是H。

物理教学不仅要让学生掌握知识， 更要让学生体验知识的形成过程， 领悟认识发展的螺旋式上升和探究过程的价值。 这是因为， 真正的知识来自于“探索”，因而获得知识的秘密就是返回到“探索的过程”，并在那里去寻找、发现和感悟。