開發失敗實驗價值 培養學生創新思維

收稿日期：2024-01-07

基金項目：2022年畢節市教育科學規劃立項課題“縣域中學科技創新教育校本課程開發實踐研究”（ 2022B131）；2022年畢節市教育規劃立項課題“農村中學物理學科自制教具開發應用的實踐研究”（2022B050）；2023年貴州省教育科學規劃重點課題“基于‘PBL’教學法初中物理跨學科教學的實踐研究”（2023A033）。

作者簡介：王乾軍（1973-），男，中學高級教師，研究方向為中學物理教學與實驗教學。

摘" "要：物理學是一門以實驗為基礎的自然科學。物理學中有豐富多彩的實驗現象，不僅能激發學生的學習興趣和熱情，還能在實驗過程中培養學生的科學探究能力。失敗的實驗也可以引發學生思考，培養創新思維。自制教具是中學物理課程資源的重要組成部分，利用自制教具在課堂教學中做演示實驗以完成課堂教學的課例屢見不鮮。在驗證“法拉第電磁感應定律”時，嘗試自制出一套實驗教具，實現電磁感應定律的定量測量驗證，達到有效完成本節課實驗教學的效果。

關鍵詞：物理實驗；自制教具；實驗教學；失敗實驗；定量測量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）3-0062-4

關于人教版普通高中教科書物理選擇性必修第二冊第二章第2節的“法拉第電磁感應定律”，在講解這堂課的內容時，現有物理教材中對法拉第電磁感應定律僅僅局限在對法拉第電磁感應現象的介紹；教材中也明確指出，感應電動勢與磁通量的變化率成正比［1］，如2019年版的物理教材直接給出法拉第電磁感應定律的概念及推導公式，并沒有相應的實驗儀器把實驗數據及現象展現在學生面前。于是，筆者嘗試設計出一套實驗教學儀器，通過實驗，能把抽象的理論用直觀的實驗現象展現在學生面前，讓學生觀察實驗現象，記錄實驗數據，并進行數據處理，有助于學生掌握物理知識的外延及內涵。實驗教學在物理教學中具有不可替代的作用，在日常實驗教學中，常常由于種種原因造成物理實驗效果不明顯，甚至實驗以失敗而告終的事例時有發生。然而，失敗的實驗結果何嘗不是課堂教學的點睛之筆呢？失敗的實驗可以引發學生思考，更能成為知識內化的強有力抓手。因此，開發失敗實驗價值，對失敗實驗的后續探究，可以激活創新思維，激勵創新實踐，提升創新能力，培養創新人才。本文將以“法拉第電磁感應定律”實驗為例，講述在課堂教學中如何將“失敗”化為“神奇”。

實踐是檢驗真理的唯一標準。當前的高中物理教學注重知識的傳授，對于物理規律的獲得過程并沒有重視，而新課程標準中強調實驗對學生科學思維能力的培養有潛移默化的作用［２］。在物理課堂教學中，教師應重視演示實驗，盡量用實驗說明問題、解決問題，同時讓學生在課堂實操中完成每一個分組實驗。從實驗中獲取新知、理解新知、掌握新知，真正做到從感性認識上升到理性認識。

筆者在教學過程中采用如圖1所示的演示實驗：線圈的兩端與電壓傳感器相連。將強磁體從長玻璃管上端由靜止下落，穿過線圈。分別使線圈從距離上管口20 cm，30 cm，40 cm和50 cm處由靜止開始下落，記錄每次下落時電壓傳感器測得的最大值。分別改變線圈的匝數、磁體的強度，重復上面的實驗，得出線圈的匝數越多，磁體下落的高度越高，產生的電壓越大。這只是一種定性的關系，無法得出“閉合電路中感應電動勢的大小跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比”的結論［1］。因此，不少學生產生疑問：感應電動勢究竟是與■成正比，還是與（■）2，（■）3成正比呢？因此，在教學過程中，從實驗演示到得出結論還存在較大的研究空間。面對質疑，筆者在教學中嘗試讓學生設計一套能定量研究“感應電動勢的大小與哪些因素有關”的實驗裝置。學生通過深入研究，設計了許多定量探究“感應電動勢的大小與哪些因素有關”的實驗裝置，其中“一款低成本定量探究法拉第電磁感應定律裝置”（圖2）是比較成功的案例。

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圖1" 法拉第電磁感應定律演示實驗示意圖

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圖 2" 一款低成本定量探究法拉第電磁感應定律裝置

1" " 實驗的難點分析

當前高中物理教材對該實驗沒有較好的突破，筆者認為導致實驗失敗的難點有兩個：第一，在電磁感應的實驗中往往產生的電流較小，并且不穩定，需要結合傳感器和電腦來進行測量和記錄；第二，感應電動勢與磁通量變化率成正比，但是如何產生一個變化的磁場并測量磁通量變化率呢？這里就需要一系列昂貴的設備，因此在高中階段不適合進行實驗演示；那么，有沒有一套價格低廉、使用方便而且能定量探究法拉第電磁感應定律的裝置呢？

2" " 實驗設計

根據感應電動勢公式E=N■得出，這個實驗關鍵是要測量感應電動勢和磁通量變化率。在電路電阻一定的前提下，電動勢可以通過測量感應電流來替代，但是在實驗設計中卻有以下兩個難點：一是產生感應電流的時間短，來不及測量；二是磁通量變化率無法定量測量。

2.1" " 針對產生感應電流的時間短的設計

感應電動勢與感應電流大小成正比，所以我們可以把測量電動勢轉換為測量感應電流。受到電腦光驅的啟發，學生在光盤上粘上磁鐵，然后利用電動機的轉動帶動光盤持續穩定轉動，這樣在線圈中就會產生持續穩定的感應電流，方便較長時間測量。在測量電流方面采用數字式電流表來測量，比指針式電流表更易操作和讀數。

2.2" " 針對磁通量變化率測量的設計

實驗的第二個難題是如何測量磁通量變化率。磁場的變化率依靠實驗室的儀器很難測量。學生利用倍增思維，通過按比例增加電動機的轉速，磁通量變化率必然也會按比例增加。因此，只需要驗證當電動機的轉速成倍增加時，產生的感應電流是否也成倍增加即可。這樣就能夠驗證感應電動勢是否與磁通量變化率成正比。

實驗儀器的使用與實驗論證邏輯：如圖3、圖4所示，接通電源，電動機開始旋轉，將線圈放到圓形橫梁上，用電流表測量產生的電流，然后不斷增加線圈的個數，觀察電流表的示數變化，這樣就完成了感應電動勢與線圈匝數關系的實驗。在探究感應電動勢與磁通量變化率關系的實驗中，由于磁通量變化率不好測量，因此我們采用了讓電動機轉速增加的方法，電動機轉速越快，磁通量變化率也就越快，通過測速儀測量電動機的轉速就可以觀察感應電動勢與磁通量變化率的關系。

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圖3" "實驗電路連接示意圖

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圖4" 電路實物圖

3" " 實驗器材

實驗所需的器材有廢舊光盤、木棒、電動機、轉速儀、數字電流表、學生電源、線圈三個、導線若干。

4" " 實驗裝置制作

4.1" " 支架的制作

用邊長分別為30 cm，25 cm，25 cm的木板做成n型支架，其中在邊長為30 cm的木板中央開了一個孔。

4.2" " 實驗的組裝

將三塊木板用直角固定鐵片進行連接做成支架，把電動機轉動軸穿過木板中央的孔，將粘有4塊強磁鐵的光盤固定在電動機轉動軸上，固定好電動機。這樣隨著電動機帶動磁鐵的轉動便能產生一個穩定的磁場變化，從而也就能夠產生一個穩定的電流，以方便我們進行觀察并測量。為了測量電動機的轉速，我們在光盤下方安裝轉速測速儀，通過轉速測速儀可以直接測量電動機的轉速。

4.3" " 橫梁的安裝

橫梁的安裝是一個很關鍵的設計，因為磁鐵隨著光盤勻速轉動，那么就在光盤的下方形成了一個均勻變化的磁場。為了讓每個線圈的磁通量變化率相同，在光盤下方設計了一個圓形的橫梁，橫梁的圓心和光盤的圓心在同一重垂線上，這樣就保證了放在橫梁上的每個線圈到光盤的距離相等，那么磁通量變化率也就相同了。

5" " 實驗方法和效果

在實驗教學過程中，我們采用控制變量法，通過控制單一變量，使得實驗數據真實有效，實驗現象明顯，效果較好。

5.1" " 感應電流與匝數的關系

保證光盤轉速不變，改變線圈的匝數，探究電流（i）與線圈匝數的關系（圖5）。為了便于記錄和分析，我們設計了表1記錄實驗數據。

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圖5" 實驗現象

表1" 光盤轉速不變情況下電流與線圈匝數的關系

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結論：磁通量變化率不變的情況下，在誤差允許的范圍內，感應電流的大小（i）與匝數（N）成正比。

經過測試發現電流穩定，符合我們設計的預期，并且當線圈的匝數成倍增加時，電流也會成倍增加。

另外，我們還進行了另一組測試，當改變電動機的轉速時，電流也會按照相應的比例增加。保證線圈的匝數不變，改變光盤的轉速，探究電流與磁通量變化率的關系。由于磁鐵固定在光盤上，隨著轉速的增加，磁通量變化率也會隨之增加，通過測量轉速增加倍率來替代磁通量變化率增加的倍率。實驗中電流變化記錄如表2所示，電流大小變化的過程如圖6所示。

表2" "匝數不變情況下電流i與轉速的關系

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圖6" 實驗現象

通過對數據的分析發現，當轉速由389.7 r/min增加到502.8 r/min時，轉速擴大了1.290倍，電流由0.53 mA增大到0.68 mA，電流擴大了1.283倍，在誤差允許的范圍內，兩者非常接近。同理，轉速增大到666.3 r/min時，電流也是按照十分接近的比例增大。

結論：匝數不變時，在實驗誤差允許的范圍內，感應電流與磁通量變化率成正比。

5.2" " 實驗改進帶來的思考

本實驗設計利用電機轉動代替以往演示實驗中用手移動磁鐵，有助于產生穩定的電流，便于測量。利用測量電機轉速的增加替代磁通量變化率的增加，改變了目前很難測量■的難題，解決了當前教材無法定量驗證法拉第電磁感應定律的現狀。

6" " 結束語

古人云“失敗是成功之母”，無論是老師、學生，還是科學家，每一次實驗都有失敗的可能性，我們只要把握實驗原理，遵循實驗步驟逐步進行實驗，分析、處理實驗數據，做到在每一次實驗中成長。把實驗從定性的驗證性實驗轉變為定量探究性實驗，是初中物理與高中物理的一個螺旋形的上升，從定量實驗得到的物理規律更利于學生理解和接受［３］。實驗失敗了，我們要和學生一起分析原因，提出假設，找出改進方法，利用失敗實驗激發學生的創新思維，鼓勵學生探索實踐，培養正確分析問題、解決問題的能力。正確運用失敗實驗的價值，在教學中能夠起到意想不到的效果，失敗實驗也許會成為教學的點睛之筆。于是在教學過程中，我們可以自制各類實驗教具，彌補當前實驗室內教具不足的問題，形成一套易復制、可推廣的實踐應用教學模式，切實有效地提升中學物理教育教學的質量［４］。

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，２０２０：３０－３３．

［2］陳斯鈿，李德安，黃大平，等.自制多功能光學實驗探究儀［Ｊ］．物理通報，２０１９（４）：７５-７９．

［３］高子義.基于物理學科核心素養的問題鏈設計策略研究——以“電磁感應”為例［Ｄ］．蘭州：西北師范大學，２０２１．

［４］陳顯灶.創新教具制作 突破“三線共面”［Ｊ］．物理教學，２０２３，45（１２）：３７－３９．

（欄目編輯" " 劉" "榮）