優化改進物理實驗 提升科學探究能力

［摘 要］“科學探究”是基于觀察和實驗提出物理問題、進行猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。如何在實驗探究中提升學生的科學探究能力是一個重要課題。文章以“探究影響感應電流方向的因素”實驗為例，分析實驗探究中發現的問題，并提出實驗探究的改進措施，讓學生經歷完整的科學探究過程，提升學生的科學探究能力。

［關鍵詞］科學探究能力；改進；實驗探究；感應電流

［中圖分類號］" " G633.7" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）17-0048-03

“探究影響感應電流方向的因素”是人教版（2019年版）高中物理選擇性必修第二冊第二章第1節“楞次定律”中較為抽象、難以理解的實驗 ，一直以來都是“楞次定律”新課教學的難點。為了突破教學難點，增強實驗探究效果，提升學生的科學探究能力，筆者根據新修訂的普通高中物理課程標準，在了解實驗探究思路的基礎上，分析實驗探究中發現的問題，并提出實驗的改進措施，讓學生經歷完整的探究過程，提升學生的科學探究能力。

一 、實驗探究思路

對于“探究影響感應電流方向的因素”實驗，教材首先安排學生根據“條形磁鐵的N極或S極插入、抽出閉合線圈，導致穿過線圈的磁通量發生變化而產生感應電流”初步猜想感應電流的方向與磁通量的變化之間的關系。為驗證猜想，要求學生利用如圖1所示的實驗裝置進行實驗探究，并在紙上畫出實驗草圖，根據實驗結果，記錄如圖2所示的磁極運動的四種情況。

結果發現，當穿過線圈的磁通量增大時，若磁場方向不同，則感應電流的方向并不相同（如圖2甲、乙）；當穿過線圈的磁通量減小時，感應電流的方向也不同（如圖2丙、丁），從而得出感應電流的方向與磁通量變化并無直接關系。于是轉換角度，聯想到磁體周圍存在磁場，感應電流也會產生磁場，便再次提出猜想：感應電流磁場的磁通量與磁體磁場的磁通量有關系。進一步分析發現，磁通量的變化可以用磁場的變化來體現，即感應電流的方向與磁場的方向有關，最后得出應該選擇磁體的磁場和感應電流的磁場這兩個物理量進行分析。于是探究得出如表1、表2所示的實驗結果，并根據實驗結果歸納出結論：當穿過線圈的磁通量增大時，感應電流的磁場與磁體的磁場方向相反，阻礙磁通量增加；當穿過線圈的磁通量減小時，感應電流的磁場與磁體的磁場方向相同，阻礙磁通量減小，進而總結出楞次定律。

學生首先根據觀察到的物理現象提出可探究的問題，并提出初步猜想，再作出有依據的假設，相互討論制定實驗探究方案，使用基本的器材進行實驗探究，獲得實驗結果，然后分析實驗結果，用學過的物理術語、圖表等交流實驗探究過程，發現規律并總結出楞次定律。

二、實驗探究中發現的問題

此次實驗探究按照“原磁場方向→原磁場（磁通量）的變化→感應電流方向（包含識別線圈繞向及電表指針偏轉方向）→感應電流的磁場方向（中間量）”這一思路來引導學生探究楞次定律。在實驗教學中，筆者發現學生的實驗探究效果不盡如人意，究其原因，一是該實驗探究過程需要理解、記憶、推理的東西較多，而且較抽象，致使學生不知如何進行實驗探究、怎樣確認感應電流的方向，影響了實驗探究的效率和成功率；二是在實驗探究過程中學生發現實驗器材、實驗操作等方面存在一些問題，這些問題影響了實驗探究效果。具體問題如下：

（一）感應電流流向與電流表指針偏轉方向的關系不清楚

在實驗探究方案中，一開始就讓學生畫出如圖3所示的實驗裝置簡圖，然后讓學生根據如圖2所示的磁極運動四種情況，分別標出線圈中感應電流的方向。然而，感應電流看不見摸不著，雖然可用電流表來觀察，但是學生不清楚電流表指針偏轉方向與線圈中感應電流方向的關系。原實驗探究方案并未明確總結出解決方法，這給實驗探究增加了難度。對此，教師可以將其作為問題拋給學生，讓他們思考、討論，以培養他們的解決問題能力。

（二）實際使用的螺旋管線圈繞向不易觀察

由學生畫的實驗裝置簡圖可以看出導線的繞向，然而實驗中實際使用的是如圖4所示的線圈，該線圈是立體的、匝數又多又密，盡管單獨標記了導線繞向，還是有很多學生分不清楚線圈的繞向，而且把兩個接線柱都放到了頂部，哪個接線柱接哪端導線也不夠直觀，使得一些學生很難準確畫出感應電流的流向，影響了探究實驗的成功率。

（三）磁鐵插入和抽出線圈的操作不精準

磁感線是閉合曲線，磁鐵外部的磁感線從N極指向S極，內部從S極指向N極。當磁鐵N極由線圈上方一定高度接近線圈時，穿過線圈的磁感線向下，磁通量增加；而當磁鐵N極繼續插入線圈內（如圖5），由于既有磁鐵內部向下的磁感線穿過線圈，又有磁鐵外部向上的磁感線穿過線圈，因此學生質疑磁鐵插入線圈的過程磁通量不一定增大，反之將磁鐵拔出線圈的過程磁通量也不一定就減少。

三、實驗改進措施

針對上述實驗探究中發現的問題，師生間、生生間展開了交流討論，最終提出了具體的解決措施。通過下面一系列改進和完善，使實驗探究得以順利進行，同時提升了學生的科學探究能力。

（一） 增加“感應電流流向與電流計指針偏轉方向關系”的探究環節

在正式進行實驗探究前，先進行“感應電流流向與電流計指針偏轉方向關系”的探究，即利用如圖6所示的電路圖和結合表3，探究感應電流流向與電流計指針偏轉方向的關系，為下一步根據電流計指針的偏轉方向判斷感應電流的方向做好準備。

（二）改進實驗器材，讓線圈的繞向變得直觀可視

把如圖4所示的線圈上端的黑色接線柱移到線圈底部，然后在兩個接線柱之間纏繞幾圈有顏色的導線（如圖7），以此來表示線圈的繞向，這樣學生便能直觀地看出導線繞向和電流流向，大幅度降低學生根據磁極運動畫線圈中感應電流方向的難度。這個線圈接線柱的小改進彰顯了學生發現問題并解決問題的能力，大大提升了學生的科學探究能力。

（三）將磁鐵插入和抽出線圈改為移近和遠離線圈

為了避免對磁鐵在線圈內運動時磁通量是增加還是減少產生困惑，有學生提出實驗操作時將條形磁鐵插入和抽出線圈改為移近和遠離線圈，即條形磁鐵只在線圈上方迅速移動，不插入線圈內，這樣就很容易判斷出穿過線圈的磁通量是增加還是減少了，同時讓磁通量的變化成為準確表述的物理量，從而形成正確的科學探究結論。這一改進體現了學生對科學探究的嚴謹態度。

（四）設計簡單明了的實驗方案

為了降低實驗探究的難度，讓學生很好地體驗科學探究過程，體會科學探究的快樂，本著“實驗器材、實驗原理、實驗過程及實驗現象越簡單越好”的原則，筆者與學生共同探討是否可以選用“楞次環”來進行該探究實驗。“楞次環”如圖8所示，A是閉合鋁環，B是不閉合鋁環，橫梁可以繞中間的支點轉動。實驗時，用條形磁鐵的任意一極移近、遠離A環，觀察A環的運動情況，并思考鋁環為什么會被磁鐵排斥和吸引。通過探究，歸納總結出如表4所示的實驗現象與結論。

通過教學對比發現，相較于教材中的實驗探究方案，用“楞次環”進行實驗探究的優勢在于：實驗儀器簡單、操作不復雜、成功率高、實驗現象直觀。學生觀察表4中第二列的實驗現象和第三列的磁通量變化，再通過獨立思考和小組討論得出鋁環在磁鐵作用下運動的原因——鋁環中的感應電流產生的磁場和磁鐵的磁場發生了相互作用。因此，可以根據“同極相斥、異極相吸”的原理，先判斷出感應電流的磁場方向，然后再由右手定則判斷出感應電流的方向，由此得出表4中第四列和第五列的規律。顯然，學生通過實驗探究結果很容易總結出“感應電流產生的磁場總是阻礙原磁通量的變化”這一核心規律，同時也能形成判斷感應電流方向的思路：先找出容易判斷的感應電流產生的磁場方向，再由右手定則判斷感應電流的方向。這樣省去了確定導線繞向、電流計指針偏向等煩瑣冗長的過程，體現了實驗探究的可操作性和直觀性，大幅度提高了實驗探究的效率。

四、反思與總結

如何讓科學探究落到實處并讓學生的科學探究能力得到提升，是每一個物理教師應當思考的問題。教師應充分挖掘教材資源，對教材資源進行合理、優化處理，做到既源于教材又不拘泥于教材。誠然，按照教材“原磁場方向→原磁場（磁通量）變化→感應電流方向→感應電流的磁場方向”這一思路進行實驗探究更能揭示電磁感應的本質與內涵；而利用“楞次環”，按照“原磁場方向→原磁場（磁通量）變化→感應電流的磁場方向→感應電流方向”這一思路進行實驗探究看似有些本末倒置，但通過結果反推原因、由現象反究其本質也是一種常用的物理研究方法，也能得出正確的探究結論。從教學本質來講，教學的目的在于使抽象知識具體化、煩瑣知識簡單化。因此，在科學探究實踐中，教師可以根據學生的探究情況完善和調整探究方案，讓學生真正經歷和體驗科學探究環節，切實提高學生的科學探究能力。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書" "物理" "選擇性必修" "第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]" 馮杰.高中物理探究實驗及案例教學設計[M].北京：北京大學出版社，2011.

[3]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯 黃春香）