物理核心素養(yǎng)視閾下基于自制實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

李勇 楊培軍

摘? ?要：物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)不可或缺的部分。交變電流的產(chǎn)生過程復(fù)雜，學(xué)生探究其規(guī)律存在困難。教師通過自制實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察變化過程，構(gòu)建理論模型，推導(dǎo)變化規(guī)律，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對理論探究結(jié)果加以驗(yàn)證。文章闡述了在物理教學(xué)過程中如何培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);交變電流;自制實(shí)驗(yàn);構(gòu)建模型;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0030-5

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面的要素構(gòu)成[1]。物理核心素養(yǎng)視閾下的 “交變電流”教學(xué)凸顯實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維，自制實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境形成物理觀念、滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用。

1? ? “交變電流”教材及學(xué)情分析

1.1? ? 教材分析

“交變電流”是普通高中人教版物理選修3-2第五章第一節(jié)的內(nèi)容，是電磁感應(yīng)的具體應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容是通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解交變電流的特點(diǎn)，理解正弦式交變電流的產(chǎn)生過程，掌握其變化規(guī)律。因此，正弦式交變電流產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)是本節(jié)課的點(diǎn)睛之筆。

然而，若按照人教版物理教材圖5.1-2的實(shí)驗(yàn)裝置來演示實(shí)驗(yàn)[2]，由于裝置過小、變化不明顯等原因，不利于學(xué)生觀察正弦式交變電流產(chǎn)生的具體過程;另外，若按照教材提供的圖5.1-3 進(jìn)行分析，得出正弦式交變電流的變化規(guī)律，缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.2? ? 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過電磁感應(yīng)的相關(guān)知識，這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了理論基礎(chǔ)，學(xué)生對交流電早有耳聞，這也為學(xué)習(xí)本節(jié)課做好了心理準(zhǔn)備。但交變電流的相關(guān)知識點(diǎn)多，產(chǎn)生過程較為復(fù)雜，學(xué)生很難構(gòu)建模型，如果只重視理論分析、結(jié)論陳述，會導(dǎo)致很多學(xué)生一知半解。因此，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究正弦式交變電流的變化規(guī)律是最為直接和有效的教學(xué)方式。基于此，在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化和創(chuàng)新，使之更方便于正弦式交變電流現(xiàn)象與規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究的品質(zhì)。

2? ? 學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)如表1所示。

3? ? 教學(xué)重難點(diǎn)

3.1? ? 教學(xué)重點(diǎn)

通過實(shí)驗(yàn)探究交變電流，讓學(xué)生理解和掌握交變電流的產(chǎn)生過程及其變化規(guī)律。

3.2? ? 教學(xué)難點(diǎn)

在探究交變電流規(guī)律實(shí)驗(yàn)過程中，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，通過對實(shí)驗(yàn)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4? ? 教學(xué)思路（如圖1所示）

圖1? 教學(xué)思路圖

5? ? 教學(xué)過程

5.1? ? 實(shí)驗(yàn)初探，認(rèn)識交變電流

（1）認(rèn)識實(shí)驗(yàn)裝置，明確原理[3]

師：這是自制手搖發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2所示），上下是兩個(gè)大條形磁鐵，中間是個(gè)閉合矩形線圈，轉(zhuǎn)軸一端連接手搖轉(zhuǎn)盤，另一端連接兩個(gè)電刷。當(dāng)手搖轉(zhuǎn)盤，帶動矩形線圈轉(zhuǎn)動切割磁場，進(jìn)而產(chǎn)生電流[3]。請問本裝置的工作原理是什么？

生：法拉第電磁感應(yīng)定律。

（2）接通電路，點(diǎn)亮發(fā)光二極管

師：如圖3所示，接通控制二極管開關(guān)，搖動轉(zhuǎn)輪，觀察紅藍(lán)二極管的發(fā)光情況。

生：紅藍(lán)兩個(gè)二極管交替發(fā)光。

師：此現(xiàn)象說明了該裝置產(chǎn)生的電流方向有何特點(diǎn)？

生：電流方向發(fā)生周期性■

圖2? 自制手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

（3）接入靈敏電流計(jì)，觀察指針變化

師：按照圖3所示，將靈敏電流計(jì)接入電路，搖動轉(zhuǎn)輪，觀察靈敏電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況。

生：靈敏電流計(jì)的指針在“0”左右來回?cái)[動。

師：表明該裝置產(chǎn)生的電流大小有何特點(diǎn)？

生：電流大小發(fā)生周期性變化。

（4）放慢過程，觀察特殊位置

師：如圖3所示，接通靈敏電流計(jì)，緩慢勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪，分別觀察一個(gè)周期內(nèi)電流的變化規(guī)律，觀察線圈與磁場方向滿足什么關(guān)系時(shí)，電流方向發(fā)生改變。

圖3? 手搖發(fā)電機(jī)演示電路

生：線圈平面與磁場方向垂直時(shí)，電流方向發(fā)生改變。

師：能用我們學(xué)過的哪個(gè)定律解釋原因呢？怎么解釋？

生：楞次定律。磁場方向不變，假定線圈平面從與磁場平行開始計(jì)時(shí)，在線圈轉(zhuǎn)到與磁場垂直前，磁通量一直在增大，當(dāng)線圈平面與磁場垂直后，磁場從線圈另一面穿過線圈，相當(dāng)于磁通量變反向，而且磁通量在減小，故線圈輸出的電流方向發(fā)生變化。

師：繼續(xù)緩慢勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪，觀察一個(gè)周期內(nèi)電流的變化規(guī)律，觀察線圈與磁場方向滿足什么關(guān)系時(shí)，電流最小。

生：線圈平面與磁場方向垂直時(shí)，電流最小。

師：繼續(xù)緩慢勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪，觀察一個(gè)周期內(nèi)電流的變化規(guī)律，觀察線圈與磁場方向滿足什么關(guān)系時(shí)，電流最大。

生：線圈平面與磁場方向平行時(shí)，電流最大。

師：能用我們學(xué)過的哪個(gè)定律解釋原因呢？怎么解釋？

生：法拉第電磁感應(yīng)定律。磁場方向不變，線圈轉(zhuǎn)動過程中其各邊一直在切割磁場，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到與磁場方向垂直時(shí)，線圈運(yùn)動方向與磁場平行，電動勢為零;當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到與磁場方向平行時(shí)，線圈運(yùn)動方向與磁場垂直，此時(shí)電動勢最大，輸出的電流也最大。

【設(shè)計(jì)意圖】

（1）通過借助生活中的大磁鐵和漆包線等自制手搖發(fā)電機(jī)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，拉近了學(xué)生與知識的距離;自制的手搖發(fā)電機(jī)裝置大，磁場更強(qiáng)，匝數(shù)更多，方便拆卸，更有利于學(xué)生觀察，增加了實(shí)驗(yàn)裝置的可視性。

（2）實(shí)驗(yàn)過程先演示二極管交替發(fā)光，說明電流方向變化，再到靈敏電流計(jì)顯示電流變化，最后放慢過程，有目的地觀察，實(shí)驗(yàn)過程層層遞進(jìn)，體現(xiàn)了教學(xué)過程的進(jìn)階性，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。

（3）通過緩慢轉(zhuǎn)動線圈，讓學(xué)生觀察電流方向發(fā)生改變時(shí)線圈的位置，以及電流大小為極值時(shí)線圈的位置，能幫助學(xué)生正確理解中性面等概念，突破不易觀察的教學(xué)難點(diǎn)。

5.2? ? 理論探究，探究交變電流的變化規(guī)律

（1）自制教具，構(gòu)建模型

師：如圖4所示，自制磁感線模型，兩個(gè)磁極間的磁場用細(xì)線模擬，用一個(gè)矩形硬紙片代替線圈在磁場中轉(zhuǎn)動[4]，矩形硬紙片在磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)，哪些邊在切割磁場？

圖4? 自制磁感線模型

生：圖中4個(gè)邊轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于只有2個(gè)邊在切割，而且它們產(chǎn)生的電動勢方向相同。

師：請同學(xué)們嘗試著將磁場和線圈畫在同一個(gè)平面區(qū)域內(nèi)，畫圖時(shí)思考主視圖、俯視圖、側(cè)視圖以及磁場和線圈呈現(xiàn)的狀態(tài)。

（2）明確概念，理論推導(dǎo)

師：由剛才定性分析可知，線圈平面與磁場垂直時(shí)，電流最小，電流方向在此處發(fā)生變化，物理學(xué)中將該位置稱為中性面。線圈在一個(gè)周期內(nèi)幾次經(jīng)過中性面，電流方向改變幾次？

生：一個(gè)周期內(nèi)線圈兩次經(jīng)過中性面，電流方向改變兩次。

師：假定從中性面計(jì)時(shí)，繞中心軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時(shí)間為t，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，線圈面積為S，線圈匝數(shù)為N。利用法拉第電磁感應(yīng)定律等知識推導(dǎo)電動勢的表達(dá)式。

課件展示問題鏈：①轉(zhuǎn)動過程哪些邊在切割磁感線;②t時(shí)刻速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的夾角怎么表示;③N匝線圈同時(shí)切割，總的電動勢與每一匝產(chǎn)生電動勢是什么關(guān)系。

生：（自主探究，如圖5所示）

圖5? 學(xué)生理論探究交變電流的電動勢流程圖

（3）驗(yàn)證結(jié)論，感受成果

師：我們將自制發(fā)電機(jī)連接DIS電壓傳感器，并接入計(jì)算機(jī)，盡量勻速轉(zhuǎn)動線圈，觀察電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律（如圖6所示）。思考電壓隨時(shí)間是否按正弦規(guī)律變化。

圖6? 自制實(shí)驗(yàn)輸出的交變電流電動勢變化規(guī)律圖

生：電壓隨時(shí)間的變化圖大概像正弦圖，但很不標(biāo)準(zhǔn)。

師：是不是我們的理論探究存在問題呢？請大家發(fā)表自己的看法。

生：我們推導(dǎo)時(shí)，建立的模型是線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動，而該實(shí)驗(yàn)裝置的磁場不是勻強(qiáng)磁場，線圈也不是勻速轉(zhuǎn)動的，所以，圖像不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦圖，理論推導(dǎo)應(yīng)該沒有問題。

【設(shè)計(jì)意圖】

自制磁感線模型，化抽象為具體，展示線圈轉(zhuǎn)動切割磁感線的過程，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生畫出平面圖，有利于學(xué)生將立體問題轉(zhuǎn)化為平面問題，促進(jìn)學(xué)生建立模型;充分利用自制實(shí)驗(yàn)，及時(shí)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證交變電流正弦式變化規(guī)律，讓學(xué)生享受探究成果，增強(qiáng)探究信心，同時(shí)引發(fā)學(xué)生更加深入地思考，將課堂推向深度探究之中。

5.3? ? 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證交變電流電動勢峰值的決定因素

（1）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提升效果

師：我們還可以怎么改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

生A：可以用機(jī)器帶動線圈轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動。

生B：改換磁鐵，尋找能夠提供勻強(qiáng)磁場的裝置。

師：大家請看改進(jìn)后的裝置，如圖7所示。

圖7? 自制定量探究交變電流實(shí)驗(yàn)裝置

利用亥姆霍茲線圈提供磁場，可以獲得勻強(qiáng)磁場，并可根據(jù)需要改變磁場的強(qiáng)弱;利用直流電動機(jī)帶動線圈轉(zhuǎn)動，可實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動，并可根據(jù)需要通過電壓改變轉(zhuǎn)速;利用滑環(huán)代替電刷，可根據(jù)需要改變切割磁場的線圈匝數(shù);更換線圈，改變線圈面積[5]。這樣我們就實(shí)現(xiàn)了手搖發(fā)電機(jī)的改進(jìn)升級。我們再一次來觀察電壓隨時(shí)間變化的圖像（如圖8所示）。

生：集體自發(fā)熱烈鼓掌。

（2）深入探討，定量研究

師：科學(xué)探究要有證據(jù)意識。我們已經(jīng)證明了線圈在勻強(qiáng)磁場轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的是符合正弦變化規(guī)律的電壓，由e=NBSWsinωt可知，電動勢的峰值與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈面積S、線圈匝數(shù)N以及線圈轉(zhuǎn)動的角速度ω有關(guān)，且均成正比關(guān)系，能不能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下呢？

圖8? 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)輸出的電壓變化規(guī)律圖

生：可以，我們可以采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，用控制變量法進(jìn)行定量研究。

師：具體是什么樣的呢？

生：探究電動勢的峰值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系。保持匝數(shù)N、線圈面積S、角速度ω不變，通過勵(lì)磁電流成倍改變B，記錄Em，并作出Em-B變化關(guān)系圖。其他因素也按照這樣的方法探究。

師：課堂演示?？刂破渌麠l件不變，探究線圈電動勢峰值與勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系。直流電動機(jī)U調(diào)到12 V，成倍增大勵(lì)磁電流的工作電壓U。觀察線圈穩(wěn)定后輸出的最大電壓值Um。如表2、圖9所示。

表2? 探究交變電流電動勢的峰值與

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系（U'=12 V）

圖9? ?線圈最大電壓與勵(lì)磁電流電壓的關(guān)系圖

師：線圈最大電壓與勵(lì)磁電流電壓圖像是一條傾斜直線，又知磁感應(yīng)強(qiáng)度B與勵(lì)磁電流電壓成正比關(guān)系，由此可得出什么結(jié)論？

生：在誤差允許的范圍內(nèi)，電動勢的峰值Em與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比關(guān)系。

（3）課堂留白，意味深遠(yuǎn)

因上課時(shí)間有限，課堂上教師按照原理圖簡單操作幾組數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生課后繼續(xù)探究，將課堂延伸到課外。

【設(shè)計(jì)意圖】

采用改進(jìn)后的裝置可以觀察到比較標(biāo)準(zhǔn)的正弦圖像，增強(qiáng)學(xué)生的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究習(xí)慣;通過定量探究電動勢的峰值Em的幾個(gè)決定因素的討論，開闊學(xué)生的視野，發(fā)散學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的證據(jù)意識，提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

6? ? 教學(xué)反思

本節(jié)課采用“探究進(jìn)階式”教學(xué)，即實(shí)驗(yàn)初探—構(gòu)建模型—理論推導(dǎo)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本課是以培養(yǎng)學(xué)生思維為中心、以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以巧設(shè)問題為導(dǎo)向的進(jìn)階式教學(xué)。通過讓學(xué)生動手操作、動眼觀察、動腦質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、不斷創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，同時(shí)提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力。

借助自制手搖發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性，實(shí)現(xiàn)放慢變化過程，有利于學(xué)生理解交變電流的變化，為定量推導(dǎo)交變電流電動勢表達(dá)式奠定了心理基礎(chǔ);自制線圈模型，化抽象為具體，有利于學(xué)生構(gòu)建理論模型，促進(jìn)理論探究;及時(shí)驗(yàn)證，讓學(xué)生享受探究成果，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的信心;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)由定性到定量的探究，發(fā)散學(xué)生思維，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的證據(jù)意識，提升學(xué)生科學(xué)探究的能力。

通過一系列實(shí)驗(yàn)活動，讓學(xué)生經(jīng)歷情感體驗(yàn)和知識探究的過程，通過有效改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新的科學(xué)思維，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度，不怕困難的科學(xué)探究精神。教學(xué)中定量探究正弦交變電流的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在操作困難等一些缺陷，仍需進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）