優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì) 提升物理核心素養(yǎng)

摘 要：從“互感和自感”一課的實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)入手，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，過(guò)程為主線，思維為中心，通過(guò)觀察生活中的物理現(xiàn)象，自制實(shí)驗(yàn)器具，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，重視演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程設(shè)計(jì).從“物理觀念”“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”“科學(xué)態(tài)度”幾個(gè)方面討論如何在物理教學(xué)中提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，把物理知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的個(gè)體知識(shí)和觀念，把物理思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力和思維方式，真正讓“物理教學(xué)”走向“物理教育”.

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；能量觀；實(shí)驗(yàn)探究；科學(xué)態(tài)度

新一輪高中課程改革，提出構(gòu)建學(xué)生的核心素養(yǎng)，以讓學(xué)生具備能夠適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.對(duì)于高中物理學(xué)科，抓住物理學(xué)科核心素養(yǎng)，才能抓住物理學(xué)科教育的根本，才能使我們物理教學(xué)具有獨(dú)特的重要育人價(jià)值.作為高中一線物理教師，在平時(shí)教學(xué)中如何定位物理學(xué)科價(jià)值？如何以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，將物理觀、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等要求始終貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，讓物理教學(xué)過(guò)程成為學(xué)生核心素養(yǎng)的形成過(guò)程，讓教育本質(zhì)真正地全面回歸呢？下面以“互感和自感”中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)為例談幾點(diǎn)思考.

一、通過(guò)物理現(xiàn)象設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，樹(shù)立能量守恒觀點(diǎn)

現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-2第四章第6節(jié)《互感和自感》中，介紹了收音機(jī)中的“磁性線圈”，它是利用電磁感應(yīng)把廣播電臺(tái)的信號(hào)從一個(gè)線圈傳送到另外一個(gè)線圈.但是現(xiàn)在學(xué)生大多不使用收音機(jī)，對(duì)其很陌生，更何況其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以可以根據(jù)收音機(jī)的接收和轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)以上物理現(xiàn)象進(jìn)行還原和重演.

（一）設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)：自制簡(jiǎn)單收音機(jī)[1]

我們結(jié)合教室中現(xiàn)成的器材，從教室的平板電腦中引出音頻線連在一個(gè)大線圈（約為600匝）上，將一個(gè)小線圈（約為100匝）與音箱構(gòu)成閉合回路，為直觀顯示平板電腦的聲音電流信號(hào)通過(guò)互感使小線圈中產(chǎn)生了電流，小線圈和音箱的閉合回路中再串聯(lián)一個(gè)G表（如圖1）[2].

現(xiàn)象：在電腦中播放音樂(lè)，當(dāng)小線圈插入大線圈中（如圖2），讓學(xué)生震撼的一刻出現(xiàn)，音箱中竟傳出相同的音樂(lè).

分析：當(dāng)沒(méi)有用導(dǎo)線相連的大小線圈靠在一起，其中一個(gè)線圈的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做互感，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì).在剛才的教學(xué)中，根據(jù)收音機(jī)接收原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)發(fā)生過(guò)程后，再引入互感概念，兩個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)了把信號(hào)從一個(gè)線圈傳播到另一個(gè)線圈，把能量守恒觀點(diǎn)滲透到概念教學(xué)中.

（二）互感的實(shí)際應(yīng)用：變壓器

圖3是我們生活中常見(jiàn)的變壓器，其作用是電壓變換和能量輸送，圖4是對(duì)應(yīng)的教學(xué)用變壓器，簡(jiǎn)化成變壓器示意圖（如圖5）.圖5左右分別是由銅導(dǎo)線繞制而成沒(méi)有相連的線圈，左線圈（約為200匝）通入220V交流電，右線圈（約為5匝）與額定電壓2.5V的小燈泡相連.

現(xiàn)象：當(dāng)左線圈中某段時(shí)間電流改變時(shí)，沒(méi)有用導(dǎo)線相連的右線圈回路中小燈泡“莫名”地亮了起來(lái)，這個(gè)現(xiàn)象對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊.

分析：當(dāng)左線圈中某段時(shí)間電流增大，穿過(guò)右線圈的磁通量增大，根據(jù)電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件，右端線圈產(chǎn)生如圖6的等效電源，所以此時(shí)小燈泡發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了能量從一個(gè)線圈轉(zhuǎn)移到另一個(gè)線圈，使學(xué)生嘗試用能量觀來(lái)分析互感現(xiàn)象.

（三）互感的防止

互感現(xiàn)象不但發(fā)生在兩個(gè)線圈之間，還可以發(fā)生在兩個(gè)相互靠近的電路間，在電工和電子技術(shù)的電路中，互感有時(shí)會(huì)影響電路的正常工作，我們可以通過(guò)屏蔽電纜減小互感的影響，在電路板的刻制時(shí)就要設(shè)法減小電路之間的互感現(xiàn)象（如圖7）.

有意義的學(xué)習(xí)活動(dòng)總是從物理現(xiàn)象開(kāi)始的，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程中，讓學(xué)生與原有的生活經(jīng)驗(yàn)相沖突，通過(guò)回憶電磁感應(yīng)現(xiàn)象，聽(tīng)到音響傳出相同的音樂(lè)，看到小燈泡發(fā)光三種不同的感官體驗(yàn)，讓學(xué)生真正體會(huì)到現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.這不僅有助于掌握互感知識(shí)點(diǎn)，還利于學(xué)生把物理應(yīng)用到生活中來(lái).作為客觀存在的磁場(chǎng)，其能量通過(guò)互感現(xiàn)象從一個(gè)線圈傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)線圈，讓學(xué)生從物理學(xué)視角形成對(duì)互感現(xiàn)象中能量的基本認(rèn)識(shí)，加深理解電磁感應(yīng)的本質(zhì)，樹(shù)立學(xué)生的能量觀.

二、通過(guò)自感演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程設(shè)計(jì)，提升實(shí)驗(yàn)探究能力

互感既是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)例，又為自感的引入起到了承上啟下的作用，當(dāng)一個(gè)線圈中磁通量發(fā)生變化，在另一個(gè)線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).如果把另一個(gè)線圈撤去，只考慮一個(gè)線圈（如圖8），當(dāng)這個(gè)線圈的電流發(fā)生變化，它本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)嗎？

分析：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，顯然線圈本身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，我們把自身激發(fā)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為自感電動(dòng)勢(shì).

學(xué)生對(duì)知識(shí)的感悟和物理素養(yǎng)的提升只有在與情境的互動(dòng)中才能達(dá)成，從而使物理教學(xué)拓深到教育形態(tài)中去.在以物理素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理教學(xué)中，以情境引出問(wèn)題，以問(wèn)題引導(dǎo)探究，通過(guò)學(xué)生的思維參與自感演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程設(shè)計(jì)，將物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等要求，自始至終貫穿到教學(xué)活動(dòng)中來(lái).

情境1：如圖8，當(dāng)左線圈中某段時(shí)間電流增大時(shí)，通過(guò)左側(cè)線圈的磁通量增加，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢(shì).

探究1：

問(wèn)題：設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)自感電動(dòng)勢(shì)的存在，并觀察到自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流增大時(shí)的影響？[3]

分析：檢驗(yàn)這個(gè)自感現(xiàn)象的存在需要老師和同學(xué)們的智慧，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案去探究，逐步引導(dǎo)學(xué)生去經(jīng)歷自感知識(shí)的發(fā)生過(guò)程.對(duì)于圖8，為了安全起見(jiàn)我們可以把220V交流電改成干電池，用開(kāi)關(guān)S的閉合使電流從0開(kāi)始增大，從而使線圈中的磁通量增大，這樣圖8等效為圖9.但是圖9中沒(méi)有檢測(cè)自感電動(dòng)勢(shì)的設(shè)備，是否可以讓小燈泡充當(dāng)檢測(cè)設(shè)備呢？把小燈泡串聯(lián)到回路中（如圖10），顯然還是無(wú)法檢測(cè)自感電動(dòng)勢(shì)的存在.進(jìn)一步思考，能否通過(guò)直觀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)呢？鼓勵(lì)學(xué)生科學(xué)推理，如果線圈L電路中能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，另外相同條件的電路中不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)對(duì)結(jié)果的比較分析，問(wèn)題就迎刃而解.最終同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)出了檢測(cè)電流增大時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響的電路（如圖11）.兩個(gè)燈泡A1，A2規(guī)格相同，線圈L和燈泡A1串聯(lián)后接到電源上，可變電阻和燈泡A2串聯(lián)后接到電源上，這就是課本中圖4.6-2電路閉合時(shí)觀察自感現(xiàn)象的典型電路.

現(xiàn)象：當(dāng)閉合電鍵時(shí)，燈泡A2馬上亮，而燈泡A1較慢地亮起來(lái).

問(wèn)題：從現(xiàn)象分析，電流增大時(shí)，線圈L的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流增大，使電流增大的過(guò)程延遲了，那么如何應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來(lái)分析解釋這個(gè)現(xiàn)象？

分析：圖11中的線圈L放大如圖12，線圈中電流方向向右，線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0向右，且增強(qiáng)（如圖13），感應(yīng)電流的磁場(chǎng)B感向左，感應(yīng)電流向左流入線圈，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正極在左端（如圖14），所以自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流增大，使電流增大的過(guò)程延遲了.

問(wèn)題：以上探究了電流增大時(shí)線圈自感的影響，那么當(dāng)閉合電路中斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，左線圈中某段時(shí)間電流減小時(shí)，這時(shí)燈泡的亮度會(huì)怎么變化呢？

探究2：

問(wèn)題：同學(xué)們還應(yīng)設(shè)計(jì)怎么樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)當(dāng)電流減小時(shí)的自感電動(dòng)勢(shì)情況呢？教師自然而然引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)相關(guān)電路來(lái)探究自感電動(dòng)勢(shì)的存在.

與探究一類似，圖15這個(gè)電路無(wú)法探測(cè)電動(dòng)勢(shì)的存在，同樣采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用燈泡和線圈L兩個(gè)支路并聯(lián)做比較（如圖16），先閉合電鍵使燈泡正常發(fā)光，然后電鍵斷開(kāi)，觀察燈泡的變化.

現(xiàn)象：通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)小燈泡突然變亮，然后逐漸暗下來(lái)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象馬上引起了同學(xué)們的好奇心和興趣.

問(wèn)題：從現(xiàn)象分析，這樣的電流會(huì)是原來(lái)的電源產(chǎn)生的嗎？

分析：電鍵斷開(kāi)，電源不再供電，這樣的電流不是原來(lái)的電源產(chǎn)生的.電源斷開(kāi)瞬間，電流減小，線圈L的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙了電流的減小，它與燈泡構(gòu)成閉合回路，閉合瞬間線圈L中的電流比原來(lái)閉合前燈泡中的電流大，所以出現(xiàn)了燈泡突然變亮的現(xiàn)象.

問(wèn)題：如何應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來(lái)分析解釋這個(gè)現(xiàn)象？

分析：圖16中的L放大如圖17，線圈中電流方向向右，電流逐漸減小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)B0方向向右，且逐漸減?。ㄈ鐖D18），感應(yīng)電流的磁場(chǎng)B感向右，感應(yīng)電流向右流入線圈，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正極在右端（如圖19）.

以上探究過(guò)程以通過(guò)線圈的電流發(fā)生變化的具體情境入手，以電流增大或減小時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響設(shè)置問(wèn)題，兩種不同情境中發(fā)現(xiàn)并提出探究的物理問(wèn)題，邊推理邊設(shè)計(jì)電路檢測(cè)自感電動(dòng)勢(shì)的存在，并應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來(lái)探究這個(gè)現(xiàn)象.這樣的教學(xué)讓學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)自感知識(shí)，通過(guò)情境、問(wèn)題、設(shè)計(jì)電路方案、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析推理，保留了從現(xiàn)象到結(jié)論的一段極具教育價(jià)值的過(guò)程[4]，鼓勵(lì)學(xué)生重蹈科學(xué)探究中最關(guān)鍵的步子，以使他們從中理解自感知識(shí)的本質(zhì)，運(yùn)用物理知識(shí)和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

三、理論推理與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，彰顯科學(xué)態(tài)度

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)電流增大和減小時(shí)，線圈中產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢(shì)阻礙了原來(lái)電流的變化.

問(wèn)題：那么自感電動(dòng)勢(shì)的大小可能與哪些因素有關(guān)？

分析：科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn).有時(shí)這條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面，但是只有兩條腿走路才能前進(jìn)，也就是說(shuō)我們可以采取理論推理和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的方法研究物理問(wèn)題.

（一）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

從自感演示實(shí)驗(yàn)可以得出自感電動(dòng)勢(shì)的大小應(yīng)該與線圈本身有關(guān).

（二）理論分析

自感電動(dòng)勢(shì)本質(zhì)就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小遵循法拉第電磁感應(yīng)定律E=n[ΔφΔt]，對(duì)于確定的線圈L，磁通量的變化[Δφ]決定于磁場(chǎng)的變化[ΔB]，而磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生，磁場(chǎng)的變化決定于電流的變化[ΔI]，所以磁通量的變化率正比于電流的變化率，即[ΔφΔt∝ΔIΔt]，則自感電動(dòng)勢(shì)[E][∝nΔIΔt]，寫成等式為[E=LΔIΔt]，其中L稱為自感系數(shù).

問(wèn)題：那么L與什么因素有關(guān)？

分析：猜想L應(yīng)該由匝數(shù)等線圈本身因素決定.

（三）與自感系數(shù)有關(guān)的因素和單位

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、匝數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關(guān)（如圖20），它是一個(gè)由線圈本身決定的物理量.自感系數(shù)的單位是亨利，符號(hào)H，常用單位還有mH、μH.

（四）簡(jiǎn)單介紹自感的應(yīng)用與防止

煤氣灶的點(diǎn)火裝置、油浸開(kāi)關(guān)等.

通過(guò)對(duì)自感系數(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，理論推導(dǎo)，猜想假設(shè)，進(jìn)一步精確實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)方法，讓學(xué)生嘗試用證據(jù)和推理發(fā)表自己的見(jiàn)解，充分發(fā)揮物理學(xué)科的育人價(jià)值，彰顯科學(xué)態(tài)度.

四、小結(jié)

“物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路.”這告訴我們讓學(xué)生終身受益的不是具體的物理知識(shí)，而是所學(xué)的知識(shí)忘掉之后剩下的東西，這就是物理學(xué)科核心素養(yǎng).物理學(xué)科活動(dòng)才是形成物理學(xué)科素養(yǎng)的渠道，新課改讓我們教師思考和踐行如何使學(xué)習(xí)過(guò)程成為素養(yǎng)發(fā)展過(guò)程，再轉(zhuǎn)化為解決問(wèn)題的能力與智慧？教師們?cè)谔嵘龑W(xué)生的核心素養(yǎng)的道路上不斷探索前行.

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫坤鵬.重視自主探究 掌握物理規(guī)律[J] .中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（23）：138.

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[4]吳加澍.核心素養(yǎng)視域下的物理教學(xué)[EB/OL]http：//www.doc88.com/p-5136375363047.html . 2016.09.