張 殷,羅星凱

(廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

2002年，《人民教育》發(fā)表了《一堂“失敗”的好課》[1]一文，引發(fā)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(xué)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(fā)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(xué)名師獎. 那天課堂上的學(xué)生來自物理學(xué)(師范)專業(yè)，他教這樣的學(xué)生已有18個年頭. 更關(guān)鍵的是那天他所教的內(nèi)容源自他20年前碩士論文的研究成果，是他最得心應(yīng)手的內(nèi)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(yīng)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(diào)電阻R. 開關(guān)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(guān)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(xué)打破沉默.

“A2先熄滅，A1后熄滅.”另一名學(xué)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(xiàn)象電路

學(xué)生紛紛發(fā)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(xiàn)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(chǎn)生，阻礙通電時電流的增加. 學(xué)生對此非常熟悉，但問到S斷開時兩盞燈是如何熄滅的，學(xué)生的回答卻五花八門. 因為演示斷電時的自感現(xiàn)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(xiàn)象的電路

2 競爭性的觀點

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

“我認為沒有區(qū)別，因為開關(guān)斷開后，A1，A2處在同一串聯(lián)電路中.”

“不一樣！”有學(xué)生立即提出不同觀點，“開關(guān)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(chǎn)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(chǎn)生的感生電流先流經(jīng)A1，然后才流經(jīng)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(jīng)A1和A2.”

“光速確實非?？?，但再快也是需要時間的.”前面的學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)來說說你們的理由.”課堂順其自然地轉(zhuǎn)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(xué)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(chǎn)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(xué)堅定地說道.

另一名男生質(zhì)疑道：“不！不可能增大！開關(guān)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(jù)地推理得出對現(xiàn)象的預(yù)測，是檢驗學(xué)生是否真的理解某一問題的有效辦法. 在這個片段中，學(xué)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(qū)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(qū)別的，原因是它們在1個串聯(lián)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(guān)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(guān)時，產(chǎn)生比原來更大的電流流過A3，肯定會閃！”這位同學(xué)把握十足，“而圖1中2個燈泡的規(guī)格是一樣的，穩(wěn)定后亮度一樣，通過電流一樣. 開關(guān)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(xué)認為開關(guān)斷開時，自感線圈要阻礙電流減小，會產(chǎn)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(xué)生的想法動搖了.

L老師興奮地反問：“不一定？你剛才很肯定??？”(學(xué)生笑)

“開關(guān)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(guān)掉后，水流還突然變大再減小吧？”

L老師：“很多同學(xué)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(xiàn)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(chǎn)生的自感電流一定比原來的大呢？”

“不一定.”不少同學(xué)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(xiàn)，他就異常興奮. 甚至一些同學(xué)由于不確定，只敢小聲質(zhì)疑，也被他敏銳地捕捉到，并鼓勵學(xué)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(xué)生成了“競爭性觀點的積極提出者和評估者”. 學(xué)生思維的真正卷入，才使這節(jié)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(jié)果的沖突

“同學(xué)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(zhì)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?nèi)→R1→R2→L為正方向，當開關(guān)S斷開時，電路中電流隨時間變化的圖像應(yīng)該是怎樣的？”

圖3 圖1的等效電路

L老師稍作停頓后，繼續(xù)說，“我在大學(xué)的物理系做過測試. 大學(xué)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(guān)斷開后燈泡會怎樣熄滅的問題，有2/3的同學(xué)也像你們剛才多數(shù)同學(xué)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(xué)過大學(xué)物理課程的大學(xué)生，懂得暫態(tài)過程，對帶有線圈的電路斷電過程中電流變化的規(guī)律似乎是掌握了，畫出的電流變化曲線都是呈指數(shù)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(guī)律進行分析，并結(jié)合數(shù)學(xué)公式和圖像的表達將暫態(tài)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?qū)嶒炁_. “為什么我們在圖2電路中會看到有燈泡閃亮的現(xiàn)象呢？” 當L老師把開關(guān)閉合后再斷開時，可看到明顯的燈泡閃亮現(xiàn)象. “開關(guān)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(lián)可變電阻. 當把電阻逐漸調(diào)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(xiàn)象.

在這段授課中，L老師用到了自己對于自感現(xiàn)象的教學(xué)研究：絕大多數(shù)大學(xué)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(yù)測上，表現(xiàn)與中學(xué)生無異[2]. 顯然，課堂上同學(xué)們的爭論并不出乎他的意料. 針對爭論的焦點，他設(shè)計的巧妙實驗為做出判決提供了確鑿的證據(jù).

5 直擊本質(zhì)的精彩比喻

“剛才很多同學(xué)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(zhì)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(shù)不為零，當原電流變化時，線圈就要激發(fā)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?yōu)?. 大物理學(xué)家費曼把自感的這種本質(zhì)屬性稱為電磁慣性. 就像物體因質(zhì)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(xué)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(guān)，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(guān)接通電源時，回路電流緩慢地增加到穩(wěn)定值，并且越接近穩(wěn)定值，電流增加越慢；但當開關(guān)斷開電源，同時接通0與2使回路短接時，電流是從穩(wěn)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(xiàn)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(jié)，下課時間就到了. 但教室里卻異常熱鬧：有的學(xué)生陷入沉思，更多的學(xué)生則三五成群地討論起來，還有部分學(xué)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(fā)學(xué)生各種競爭性的觀點；老師不但沒有立即給出正確的結(jié)論，還不斷“煽風點火”，讓沖突愈演愈烈，暴露出學(xué)生的前概念和對問題本質(zhì)的不理解；一一解惑的精彩實驗，直擊本質(zhì)的精彩比喻，最后令人嘆服的實驗改進，不但讓學(xué)生學(xué)到科學(xué)知識，還將批判性思維培養(yǎng)、科學(xué)探究、學(xué)科教學(xué)研究成果應(yīng)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(xué)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(xué)來回答.

學(xué)生1：“我覺得A1是先閃一下再熄滅. 因為斷開開關(guān)后，自感線圈會阻礙電流的減小，而產(chǎn)生自感電流.”

學(xué)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(xué)生3：“A1會閃一下再滅. 因為電感會釋放能量.”

3名同學(xué)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(jié)果令L老師陷入深思. 第2天，他發(fā)博客[3]寫道：“昨天下午的課堂上，幾位同學(xué)對我提問的回答，使我對有關(guān)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(xué)習(LBL)到基于項目的科技探究學(xué)習(PBL)

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

二十多年課堂教學(xué)實踐中，L老師早已對老師講、學(xué)生聽的教學(xué)模式不怎么看好，早在大學(xué)剛畢業(yè)時就喜歡上了物理演示實驗，后來從師知名物理實驗教學(xué)專家周中權(quán)先生、劉炳昇先生，自主研發(fā)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(chǔ)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(chǔ)教育實際的研究，而且能在培養(yǎng)教師的教學(xué)能力中身體力行地踐行科學(xué)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(xué)生分成小組合作探究學(xué)習，將這些疑難實驗作為項目，讓學(xué)生們在課前進行基于項目的小組合作探究學(xué)習(Project-based inquiry learning). 課堂上，學(xué)生小組占據(jù)了講臺的位置，教師成了交流中的質(zhì)疑者和點評者. 學(xué)習后的產(chǎn)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(xué)設(shè)計，1篇關(guān)于疑難實驗的教學(xué)研究論文,等等.

9 后 記

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