基于STEM教育理念的高中物理教学设计——以“自感现象”为例

郑学旎 王笑君

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

1 “STEM教育”简介

STEM教育起源于美国.由于生活中发生的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决，于是就有了STEM教育的理念.“STEM”代表的是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engi-neering)和数学(Mathematics)，但STEM教育并不是4门学科的简单组合，而是将科学原理、技术手段、工程思想、数学工具整合到一起[1].在明确课程问题和课程任务后，学生通过经历工程设计的过程，学习多学科知识、运用技术手段和数学工具来解决课程问题、完成课程任务，达到“学以致用、用以促学”的完美结合.其中，课程任务可以是产生一个问题解决方案、一个模型、一个设备或一个计算机模拟等[2].因此，STEM教育也叫做“基于问题/项目的学习”，比起传统教育，STEM教育更接近实际生活中的工作模式，有助于为学生未来参与科学研究和社会生活奠定基础.

本文选取高中物理“自感现象”一节进行基于STEM理念的教学设计，涉及到的学科内容如表1所示.尽管传统的教学设计已经实现了科学、技术和数学的整合，但是在教学中整合工程思想的设计并不多见.本文的特点在于通过“设计日光灯电路”的活动，让学生经历工程设计的过程，思考并解决如何在电路中实现断电自感、如何发挥启辉器的功能等问题，使学生在学习自感知识的同时，提高工程素养[3].

表1 基于STEM教育理念的“自感现象”教学设计涉及到的学科内容

2 “自感现象”设计案例

2.1 情境引入 设置问题

教师给学生展示日光灯管，简单介绍日光灯管的发光原理.日光灯管内壁涂有荧光粉，灯管的两端是涂有电子粉的灯丝，管里充有氩气和少量水银.当灯管两端的电压达到一定值的时候，灯管中的气体就会被击穿，形成电流，最终使灯管发光[4].接着教师将灯管连接到220 V交流电压上，让学生观察灯管有没有亮起来.

现象：灯管没有亮起来.

师：为什么灯管没有亮？

生：可能是灯管两端的电压不够[5]，缺了其他零件.

师：如果是灯管两端的电压不够大，如何在电源电压只有220 V的情况下使日光灯发光？需要补充什么零件？

设计意图：传统教学设计将掌握“自感现象及其原理”作为学习任务，日光灯往往只是作为自感现象的生活应用被提及；而本文是将“设计日光灯电路”作为学习任务，自感现象及其原理只是解决这个学习任务的过程中需要学习的相关知识，体现了STEM教育从问题出发，学习路径随着问题的解决逐步推进的特点.

2.2 知识建构 理清思路

师：如何使灯管两端的电压升高？我们先来玩一个小游戏.

游戏：千人震

环节1：让几个学生手拉手，和电池、开关构成一个回路，如图1所示.闭合开关后，学生没有明显感觉.断开开关，学生也没有明显感觉.

图1 游戏环节1

环节2：将一个线圈和手拉手的几个学生并联，再和电池、开关构成一个回路，如图2所示.闭合开关后，学生没有明显感觉.断开开关后，几个学生都因为轻微的“电击”尖叫起来.

图2 游戏环节2

师：为什么和线圈并联以后，在断开开关时会被电击？

设计意图：STEM教育强调将基于探索和目标导向的学习嵌入游戏中，增加教学过程的趣味性，从而得到更理想的教育产出[6].千人震游戏激发了学生的兴趣，引起学生对“断电后仍然会有电流通过人体”现象的思考，为接下来探究自感现象做好铺垫.

演示实验：断电自感现象

教师连接好电路，如图3所示.闭合开关，灯泡发光，再断开开关，让学生观察现象.重复多次.

图3 断电自感电路

现象：电路断开时，灯泡闪亮一下再熄灭.

师：图3所示电路就相当于千人震游戏电路，只是将人换成了灯泡而已.开关断开时，电源不再供电，所以使灯泡闪亮的电流不是原来的电源产生的.

生：开关断开瞬间，通过线圈的电流减小→线圈产生的磁场快速减小→穿过线圈本身的磁通量从有到无，发生变化→根据楞次定律，线圈中产生感应电动势→其方向与原电流方向相同(阻碍电流的减小)[7].如图4所示，此时，线圈相当于一个电源，线圈产生的感应电流通过灯泡.

图4 断电自感电路分析

师：此时通过小灯泡的电流应该和原来的方向相同还是相反？

生：相反.

师：为什么灯泡会“亮”一下再熄灭？

猜想：可能说明断电时通过灯泡的电流(线圈的感应电流)比原来的电流要大.

教师引导学生将电流传感器接入电路中进行检验.

现象：断电瞬间通过小灯泡的电流反向，且断电后瞬间通过小灯泡的电流大于断电前的电流，I-t图像如图5所示.

图5 断电瞬间小灯泡I-t图

师：这就是断电时受到电击的原因，因为断电瞬间经过人体的感应电流比原来的电流要大.但并不是断电瞬间通过人体的感应电流一定会比原电流大，这跟线圈有关.

设计意图：通过提问的方式强调断电瞬间自感电动势可以很大，并引导学生分析断电时感应电动势的方向，为后续设计日光灯电路时判断利用通电自感还是断电自感起到铺垫作用.

建立概念：当线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势，这种现象称为自感.由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势.

师：既然线圈中的电流减小的时候会产生感应电动势，那线圈电流增大的时候是不是也会产生感应电动势？

演示实验：通电自感现象

连接好如图6所示电路，学生运用上述思路推测，闭合开关后灯泡会慢慢变亮，而不是马上变亮.闭合开关，让学生观察灯泡发光情况.

图6 通电自感电路

现象：灯泡立刻就亮了，并不像预想的那样慢慢变亮.

师：实验现象看起来似乎跟理论分析的不同.有没有可能是通电自感导致的延时时间太短了，看不出来呢？引导学生利用数据传感器(T)进行检验.

学生对上述实验稍加改进，检验通电时是否有自感现象，如图7所示.将电流传感器串联到电路中，闭合开关，观察电流随时间变化的图线，看到电流是逐渐增大的.为了更好地说明这一点，教师引导学生拆掉线圈再测一次，如图8所示.看看两次测得的电流-时间图像有什么不同，结果如图9所示.

图7 通电自感检验电路

图8 通电自感对照电路

图9 拆掉线圈前后的电流-时间图像对比

分析：教师邀请学生解释拆掉线圈前后，通电时电流-时间图像产生差异的原因.当电路中串联着线圈时，开关闭合瞬间，通过线圈的电流增大→线圈产生的磁场快速增大→穿过线圈本身的磁通量从无到有，发生变化→根据楞次定律，线圈中产生感应电动势→其方向与原电路的电流方向相反(阻碍电流的增大)[7]，因此开关闭合时通过小灯泡的电流并不像没有线圈时的情况一样陡增，而是逐渐增大.

设计意图：通电自感现象在传统的实验中往往难以分辨，学生容易对实验原理感到困惑，而使用传感器技术可以直观显示通电自感现象，体现了STEM教育中科学原理和技术手段相整合的价值.

2.3 分析问题 设计方案

总结：从自感现象中可以看到，当电路中含有线圈时，通电和断电的过程都出现了自感现象，线圈都会产生感应电动势.

师：可不可以利用自感现象来使灯管两端的电压升高？试着用自感的相关知识尝试设计一个方案.

设计意图：引导学生进行工程设计，培养工程素养.另外，学生在这个过程中可能会遇到许多问题，也有助于学生思维能力和动手能力的提升.

猜想：学生进行分组讨论，猜想如果能做到让自感电动势和电源电压都施加在灯泡两端，就能使电压足够大，让灯管发光.

细节1：如果要利用自感现象，先要给灯管连上一个线圈.线圈要和灯管串联还是并联[8]？

讨论：线圈要和灯管串联，如图10所示.如果和灯管并联，通电时对灯管不会产生影响，断电时只有线圈产生的自感电动势施加在灯管两端，达不到电源电压和线圈电压都施加在灯管两端，让灯管发光的作用.

图10 拆线圈前后的电流-时间图像对比

细节2：要利用通电自感还是断电自感？

讨论：通电时产生的自感电动势会阻碍电流的增大，因此会和电源电压的方向相反；而断电时产生的感应电动势会阻碍电流的减小，因此会和电源电压的方向相同，共同施加在灯管两端，电压达到一定值时就可以击穿灯管，使灯管发光.故应该利用断电自感.

细节3：可是开关闭合时是通电状态，线圈会发生通电自感，却不会发生断电自感.怎么在开关闭合后实现线圈的断电自感？

设计意图：让学生思考如何在开关闭合后实现线圈的断电自感，体现了本教学设计对工程思想(E)的渗透.传统教学往往只要求学生了解到“日光灯发光利用了断电自感的原理”这一点，而本文在这一点的基础上，让学生思考如何“实现”断电自感，“如何将原理付诸实践”是工程设计要考虑的问题.这就是基于STEM教育模式的教学设计和传统教学设计不同的地方.

教师给学生介绍日光灯中必不可少的零件——启辉器.启辉器是一个充有氖气的玻璃泡，包含着一个U形金属动触片和一个金属静触片，如图11所示.当电压加在启辉器两极之间的时候，氖气放电发出辉光，辉光产生的热量使U形触片膨胀伸长，跟静触片接触，使电路接通.当电路接通后，启辉器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩，两个接触片分离，电路就会自动断开.这样一来，启辉器就可以充当一个自动开关[4].

图11 启辉器

师：启辉器能否在这里发挥作用？

生：启辉器在电路接通以后会自动断开，就可以为断电自感创造条件.

师：启辉器如何连接在电路中？这里注意两个方面，启辉器和线圈串联还是并联？启辉器和灯管串联还是并联？

制定方案：学生讨论确定各部件的连接方式，最后设计好电路图.

第一步：设计启辉器和线圈串联.这样当启辉器电路断开时才会影响到线圈，使线圈发生断电自感.

第二步：设计启辉器和灯管并联.灯管未点亮前，两头灯丝是不连通的，如果灯管和启辉器串联，因为点亮前灯管和启辉器都相当于开关断开的状态，无法达到先通电后切断产生瞬间高压的目的[6].如果灯管和启辉器并联，当开关闭合，灯管由于达不到击穿电压不导通，电压加在启辉器两端，氖气放电发出辉光，U形触片受热膨胀伸长，跟静触片接触，使电路接通.

当电路接通后，氖气停止放电，电路自动断开.这时和启辉器串联的线圈两端就产生一个瞬时高压[3]，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的气体被击穿，接通日光灯管和线圈所组成的电路，最终使管壁上的荧光粉发光.制定好的电路图如图12所示.

图12 日光灯电路图

设计意图：在实际工程设计过程中需要考虑许多问题，包括“线圈和灯管串联还是并联”“开关闭合后如何实现断电自感”“启辉器如何发挥作用”等等.经历完整的日光灯电路设计过程可以促使学生将知识学深学透，并提高工程素养.

师：接下来大家按照设计好的电路图做实验，验证一下这个方案可不可行.

设计意图：学生在验证过程中会发现普通的线圈并不能使灯管发光的问题，为下面自感电动势的理论分析和数学推导做铺垫.

2.4 验证方案 数学推导

在学生动手实验的过程中，发现按照设计好的电路图连好实物之后，灯管并没有发光.在排查完各零件，确认没有故障后，教师引导学生思考：难道灯管两端的电压还不够大吗？是不是线圈产生的感应电动势不够大？自感电动势需要达到多大？怎么计算？

知识讲解：先搞清楚怎么计算自感电动势的大小.

设计意图：工程问题离不开计算.在检验方案的过程中，为了弄清楚灯管电压为什么不够，就得搞清楚线圈产生的自感电动势的大小，促使学生运用数学工具(M)推导出自感电动势大小的表达式，强化学生的数学推算能力，体现了STEM教育中科学原理和数学工具的整合.

教师进一步说明：L就称为自感系数，单位是亨利，符号H，常用单位有mH和μH.自感系数L跟线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关，是一个由线圈本身决定的物理量.普通的线圈自感系数是比较小的，为了增大线圈的自感系数，可以选择带有铁芯的线圈.

师：可是根据上节课的学习内容，如果把整块导体处于变化的磁场中，整块导体内部将会产生感生电流，也就是“涡流”，它会引起电能的消耗，使温度上升，加速镇流器的老化.如果你是工程师的话，要怎么解决这个问题？

学生以小组为单位，查阅资料，交流讨论，得到结论：为了减少涡流带来的损耗，不用整块铁芯，使用很薄的彼此绝缘的矽钢片叠压形成的铁芯，就可以解决这个问题.

师：市面上和日光灯配套使用的电感镇流器，就是这样设计来减少损耗的，如图13所示.

图13 镇流器

接着教师引导学生选购和灯管规格配套的镇流器，进行实验，检验方案是否可行.

3 教学总结

和传统教学相比，STEM教育的价值在于通过科学探究和工程设计的方式，提高学生综合运用科学原理、技术手段、工程思想、数学工具解决实际问题的能力，综合培养学生的科学、技术、工程、数学素养.对于高中物理“自感现象”这一节，传统教学设计往往止步于掌握自感现象及其原理，了解自感现象的生活应用(例如日光灯)，不会涉及到工程设计的内容.因此，本文借由“设计日光灯电路”的活动，让学生经历工程设计的过程，通过思考并解决如何在电路中实现断电自感、如何防止镇流器快速老化等问题，在教学设计中实现工程思想和科学原理、技术手段、数学工具的整合，不仅能让学生学深学透学扎实，还能得到工程素养的提升.为STEM教育理念融入高中物理教学提供一个可行的思路.