創(chuàng)新電磁學(xué)實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

李航

摘? ? 要：培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)是高中物理課程的重點(diǎn)目標(biāo)，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以幫助學(xué)生知其然，更知其所以然。文章介紹了高中物理電磁學(xué)的三個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版 2020 年修訂）》，論述了物理教學(xué)中如何開發(fā)運(yùn)用創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué)實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）5-0046-4

物理學(xué)作為實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，教師可依據(jù)放大法、替代法和轉(zhuǎn)換法對高中物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)，給予實(shí)驗(yàn)合理的情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

1? ? 物理電磁學(xué)教學(xué)中遇到的問題

1.1? ? 研究對象抽象

高中物理一部分電磁學(xué)知識的學(xué)習(xí)具有抽象性的特點(diǎn)，磁場、電場和其相互作用的理解要求有較高的空間想象能力，若沒有合適的實(shí)驗(yàn)情境作為載體，不利于學(xué)生對物理概念與規(guī)律的理解。

1.2? ? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯

教材有些實(shí)驗(yàn)缺乏直觀性，如課本中有關(guān)洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)不易觀察液體的旋轉(zhuǎn)和有氯氣產(chǎn)生的安全性問題，其中最重要的是沒有完善對洛倫茲力的控制變量法的研究，學(xué)生只知道最后結(jié)論，但對于為什么會這樣理解不透。

1.3? ? 實(shí)驗(yàn)缺少定量探究

教材實(shí)驗(yàn)受儀器限制很多只能得出定性結(jié)論，如安培力實(shí)驗(yàn)在直導(dǎo)線通電后會受到安培力作用，然后會擺動一個(gè)角度，以此來定性判斷安培力的大小和方向，然后直接得出結(jié)論，過程中不能定量證明，學(xué)生無法得出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢硪?guī)律。

2? ? 利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的策略

2.1? ? 利用放大法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)思維

學(xué)生物理概念與規(guī)律的形成，都依托于合理的情境。一方面，好的實(shí)驗(yàn)情境可以引導(dǎo)學(xué)生了解物理學(xué)歷史，學(xué)習(xí)科學(xué)家們的創(chuàng)新精神;另一方面，恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)情境能讓學(xué)生在問題活動中經(jīng)歷模型建構(gòu)、收集證據(jù)、推理分析、總結(jié)結(jié)論的科學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力[1-2]。

一些物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析有困難，可通過放大法直接呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可信度，以如下實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行分析。

在“洛倫茲力”的教學(xué)中常用的是陰極射線管的實(shí)驗(yàn)（圖1），將磁鐵的S極和N極分別靠近電子束，通過觀察電子束的偏轉(zhuǎn)情況，找出電子束偏轉(zhuǎn)與磁場之間的關(guān)系，進(jìn)而理論分析得出規(guī)律。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于洛倫茲力、磁場與電子移動速度的矢量關(guān)系與大小關(guān)系的理解還是不清晰，分析過程有困難，特別是難以建構(gòu)洛倫茲力與帶電粒子速度方向垂直的情境。

已知洛倫茲力對通電液體有作用，筆者依據(jù)旋轉(zhuǎn)液體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)情境（圖2、圖3），利用身邊常見的生活材料準(zhǔn)確放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)置一系列問題，讓學(xué)生思維層層推進(jìn)，進(jìn)而順利理解洛倫茲力。

問題1：靜置在管道中的液體為什么會“自己動”？

這個(gè)問題在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生思考“水為什么會聽老師命令流動”，為引出洛倫茲力做鋪墊。

問題2：已知實(shí)驗(yàn)儀器中電解液與電極板的位置，那電解液中的離子的運(yùn)動情況如何？

此問題是通過回顧電場對帶電離子作用的知識，讓學(xué)生討論后知道帶電離子運(yùn)動平移速度v可由外接電源控制，為后面控制變量思維的引出做鋪墊。

問題3：把磁鐵放置在電解液上，為什么液體會沿著管道流動？

引導(dǎo)學(xué)生從動力學(xué)角度分析，知道液體的運(yùn)動是因?yàn)槭艿搅Φ淖饔茫疫@個(gè)力需要在有磁場的情境下才會產(chǎn)生，初步建立洛倫茲力概念。

問題4：我們知道液體的流動與洛倫茲力有關(guān)，那么洛倫茲力與哪些因素有關(guān)？如何操作儀器驗(yàn)證猜想？

引導(dǎo)學(xué)生猜想，并結(jié)合控制變量的思想讓學(xué)生親自操作實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷模型建構(gòu)、收集證據(jù)、推理分析、總結(jié)結(jié)論的科學(xué)過程，總結(jié)出左手定則與洛倫茲力的公式F=Bqv。

通過管道中溶液的定向流動讓微觀離子所受的洛倫茲力被觀察到，用光影放大流動現(xiàn)象，讓學(xué)生更好地樹立相互作用的物理觀念;硫酸鈉溶液本身與反應(yīng)生成物都無毒無害，相比高壓電子槍更安全，且儀器制作簡單，材料耐用，更加符合培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、安全、可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任態(tài)度;利用數(shù)字化電表來形象定性判斷物理量的變化，更有利于學(xué)生在問題中收集實(shí)驗(yàn)證據(jù);最后可利用表格記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理，建構(gòu)洛倫茲力的物理模型。

2.2? ? 利用替代法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提升科學(xué)探究能力

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中四個(gè)方面之一，通過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，在問題、證據(jù)、解釋等環(huán)節(jié)讓學(xué)生有所感悟，提升學(xué)生的探究能力[1]。

替代法是指在物理實(shí)驗(yàn)中用一個(gè)物體替換另一個(gè)物體，進(jìn)而量化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)更具說服力，接下來以一案例進(jìn)行說明。

在“安培力”實(shí)驗(yàn)中，教材所用的儀器如圖4所示，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后對安培力的影響因素的定性理解是較為容易的，但無法經(jīng)歷嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄窟^程。筆者通過定量探究的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，讓學(xué)生在思考問題中獲取和處理數(shù)據(jù)，得出安培力的方向與大小規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

改進(jìn)1：用多匝線圈代替教材中的通電金屬棒，正方形線圈單邊長為L，則線圈受力邊的有效長度為nL，可以控制通電導(dǎo)線長度。在電子秤上放置線圈用以定量測量安培力，產(chǎn)生磁場的磁鐵放置在轉(zhuǎn)盤上（圖5），設(shè)置電路可改變線圈中的電流（圖6），從而獲得定量的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程可由學(xué)生代表來操作，并與全班互動共同完成實(shí)驗(yàn)。B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F

改進(jìn)2：由DIS傳感器替代電子秤，用霍爾元件測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，進(jìn)而簡化實(shí)驗(yàn)，得到安培力與B、L、I、θ的關(guān)系，即F=ILBsinθ。

本實(shí)驗(yàn)利用多匝線圈的疊加原理改變通電導(dǎo)線的有效長度，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維;利用電子秤巧妙、精準(zhǔn)地測量變化的安培力，利用變阻器調(diào)節(jié)電流大小，關(guān)鍵物理量的定量獲取能幫助學(xué)生建構(gòu)更加準(zhǔn)確的物理模型，形成正確的相互作用觀念;數(shù)字化電表與Excel圖像直觀反映物理規(guī)律，或者將傳感器測量的物理量傳至電腦終端處理數(shù)據(jù)，讓學(xué)生對獲取和處理信息并基于證據(jù)得出結(jié)論的過程記憶深刻;自制儀器架方便搬運(yùn)，隨走隨用，讓學(xué)生體會科學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)的融合，激勵(lì)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造[3]。

2.3? ? 利用轉(zhuǎn)換法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任在物理教學(xué)中是培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間關(guān)系的重要方面，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們在生產(chǎn)生活中對數(shù)字產(chǎn)品的使用越來越多，而在教育教學(xué)中數(shù)字化教學(xué)設(shè)備也得到了廣泛應(yīng)用，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器讓學(xué)生理解電磁感應(yīng)定律的同時(shí)關(guān)注學(xué)生在數(shù)字時(shí)代背景下的發(fā)展[1]。

利用轉(zhuǎn)換法開發(fā)實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵在于把原本難以測量的量轉(zhuǎn)化為易被測量的物理量，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)效果，下面以一案例進(jìn)行分析。

在“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)中，筆者對人教版高中物理教材選擇性必修二中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化（圖7），磁鐵下落過程中在每個(gè)線圈都會感應(yīng)出電動勢，電動勢大小由Arduino與LabVIEW處理并顯示，但每個(gè)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢各有不同[4]。

問題1：磁鐵下落過程中為什么會有感應(yīng)電動勢信號？

引導(dǎo)學(xué)生了解磁鐵的磁場空間分布（圖8），讓學(xué)生知道磁通量變化是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原因。

問題2：已知磁鐵下落越快線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越大，那么磁鐵下落高度與磁通量變化率有什么關(guān)系？

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自由落體運(yùn)動規(guī)律得到■∝v∝■的關(guān)系，從而巧妙地將磁通量變化率轉(zhuǎn)換為下落高度，實(shí)現(xiàn)了用容易測量的量替代了難測的量，訓(xùn)練學(xué)生的轉(zhuǎn)換思維。

問題3：已知磁通量定義Φ=BS，結(jié)合線圈的結(jié)構(gòu)（圖8），我們?nèi)绾卧趯?shí)驗(yàn)過程中控制線圈的有效面積？

引導(dǎo)學(xué)生建立磁場與等分環(huán)形線圈的立體模型，體會對稱性思想的巧妙之處。

問題4：一塊磁鐵周圍產(chǎn)生的磁場為B，那么多塊相同的磁鐵在空間產(chǎn)生的磁場發(fā)生了什么變化？

通過問題4讓學(xué)生體會倍增思想的應(yīng)用，同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)實(shí)中沒有完全相同的磁鐵，磁鐵疊放位置的差異也會讓空間磁場不嚴(yán)格倍增，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)誤差保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

問題5：利用儀器如何探究感應(yīng)電動勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系？

引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)問題，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，小組完成實(shí)驗(yàn)后分享結(jié)論。

利用數(shù)字化硬件與軟件對法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行了全面、定量且快速的分析，讓學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)今物理科學(xué)與軟件技術(shù)的融合，培養(yǎng)科學(xué)精神;利用自由落體運(yùn)動速度變化規(guī)律為學(xué)生自主設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)探究步驟提供了情境載體;實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)緊湊，方便攜帶，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更易讀數(shù)，讓學(xué)生感悟到科學(xué)技術(shù)的魅力，特別是數(shù)字化信息技術(shù)讓科技生活變得方便高效。

3? ? 反思提高

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是建立在科學(xué)的物理情境基礎(chǔ)上的，物理課堂基于觀察與實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行模型建構(gòu)，利用數(shù)形結(jié)合的數(shù)學(xué)知識，通過科學(xué)推理與論證，從而形成嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)的學(xué)科理論。而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科發(fā)展的基石，物理教學(xué)中開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)施好課堂教學(xué)，既能保持學(xué)生的好奇心，又能落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓他們樹立創(chuàng)新意識。因此，廣大物理教師要不斷學(xué)習(xí)，積極創(chuàng)新，用一個(gè)個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)物理的煙火。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]任振穎，張東林.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究——點(diǎn)燃思維的星星之火[J].物理教學(xué)探討，2021，39（6）：11-15.

[3]顧建元.基于核心素養(yǎng)的情境化實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理之友，2021，37（10）：37-39.

[4]胡博.利用Arduino和傳感器驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律[J].物理教學(xué)探討，2019，37（11）：46-48.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F