創(chuàng)新電磁學實驗 培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)

李航

摘? ? 要：培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)是高中物理課程的重點目標，設(shè)計符合學生認知特點的實驗教學，可以幫助學生知其然，更知其所以然。文章介紹了高中物理電磁學的三個創(chuàng)新實驗，結(jié)合《普通高中物理課程標準（2017 年版 2020 年修訂）》，論述了物理教學中如何開發(fā)運用創(chuàng)新物理實驗，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電磁學實驗;創(chuàng)新實驗;核心素養(yǎng)

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

物理學作為實驗科學，是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(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實驗進行創(chuàng)新開發(fā)，給予實驗合理的情境，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)。

1? ? 物理電磁學教學中遇到的問題

1.1? ? 研究對象抽象

高中物理一部分電磁學知識的學習具有抽象性的特點，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，若沒有合適的實驗情境作為載體，不利于學生對物理概念與規(guī)律的理解。

1.2? ? 實驗現(xiàn)象不明顯

教材有些實驗缺乏直觀性，如課本中有關(guān)洛倫茲力的實驗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? ? 實驗缺少定量探究

教材實驗受儀器限制很多只能得出定性結(jié)論，如安培力實驗在直導線通電后會受到安培力作用，然后會擺動一個角度，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，學生無法得出嚴謹?shù)奈锢硪?guī)律。

2? ? 利用創(chuàng)新實驗培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的策略

2.1? ? 利用放大法設(shè)計實驗，培養(yǎng)科學思維

學生物理概念與規(guī)律的形成，都依托于合理的情境。一方面，好的實驗情境可以引導學生了解物理學歷史，學習科學家們的創(chuàng)新精神;另一方面，恰當?shù)膶嶒炃榫衬茏寣W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)論的科學過程，培養(yǎng)學生的科學思維能力[1-2]。

一些物理實驗現(xiàn)象分析有困難，可通過放大法直接呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，增強實驗的可信度，以如下實驗為例進行分析。

在“洛倫茲力”的教學中常用的是陰極射線管的實驗（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，進而理論分析得出規(guī)律。但在教學中發(fā)現(xiàn)，學生對于洛倫茲力、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)液體的實驗設(shè)計了如下的實驗情境（圖2、圖3），利用身邊常見的生活材料準確放大實驗現(xiàn)象，設(shè)置一系列問題，讓學生思維層層推進，進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”？

這個問題在于激發(fā)學生的學習興趣，讓學生思考“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：已知實驗儀器中電解液與電極板的位置，那電解液中的離子的運動情況如何？

此問題是通過回顧電場對帶電離子作用的知識，讓學生討論后知道帶電離子運動平移速度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？

引導學生從動力學角度分析，知道液體的運動是因為受到力的作用，而且這個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)？如何操作儀器驗證猜想？

引導學生猜想，并結(jié)合控制變量的思想讓學生親自操作實驗，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)學生科學、安全、可持續(xù)發(fā)展的責任態(tài)度;利用數(shù)字化電表來形象定性判斷物理量的變化，更有利于學生在問題中收集實驗證據(jù);最后可利用表格記錄數(shù)據(jù)進行科學推理，建構(gòu)洛倫茲力的物理模型。

2.2? ? 利用替代法改進實驗，提升科學探究能力

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

替代法是指在物理實驗中用一個物體替換另一個物體，進而量化實驗數(shù)據(jù)，使得實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)更具說服力，接下來以一案例進行說明。

在“安培力”實驗中，教材所用的儀器如圖4所示，學生在實驗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)歷嚴謹?shù)奶骄窟^程。筆者通過定量探究的實驗改進，讓學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，促進學生深度學習。

改進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)。實驗過程可由學生代表來操作，并與全班互動共同完成實驗。B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F

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

本實驗利用多匝線圈的疊加原理改變通電導線的有效長度，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維;利用電子秤巧妙、精準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生建構(gòu)更加準確的物理模型，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，隨走隨用，讓學生體會科學與工業(yè)生產(chǎn)的融合，激勵學生發(fā)明創(chuàng)造[3]。

2.3? ? 利用轉(zhuǎn)換法優(yōu)化實驗，樹立科學態(tài)度與責任

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

利用轉(zhuǎn)換法開發(fā)實驗，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，進而提升實驗效果，下面以一案例進行分析。

在“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學中，筆者對人教版高中物理教材選擇性必修二中的實驗進行了優(yōu)化（圖7），磁鐵下落過程中在每個線圈都會感應(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？

引導學生了解磁鐵的磁場空間分布（圖8），讓學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？

引導學生結(jié)合自由落體運動規(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，實現(xiàn)了用容易測量的量替代了難測的量，訓練學生的轉(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)绾卧趯嶒炦^程中控制線圈的有效面積？

引導學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讓學生體會倍增思想的應(yīng)用，同時要引導學生認識到現(xiàn)實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格倍增，從而導致實驗誤差，讓學生對實驗誤差保持嚴謹?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？

引導學生依據(jù)前面的實驗問題，自主設(shè)計實驗，小組完成實驗后分享結(jié)論。

利用數(shù)字化硬件與軟件對法拉第電磁感應(yīng)定律進行了全面、定量且快速的分析，讓學生認識到現(xiàn)今物理科學與軟件技術(shù)的融合，培養(yǎng)科學精神;利用自由落體運動速度變化規(guī)律為學生自主設(shè)計出實驗探究步驟提供了情境載體;實驗儀器結(jié)構(gòu)緊湊，方便攜帶，比傳統(tǒng)實驗更易讀數(shù)，讓學生感悟到科學技術(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)是建立在科學的物理情境基礎(chǔ)上的，物理課堂基于觀察與實驗，進行模型建構(gòu)，利用數(shù)形結(jié)合的數(shù)學知識，通過科學推理與論證，從而形成嚴謹、系統(tǒng)的學科理論。而創(chuàng)新實驗是物理學科發(fā)展的基石，物理教學中開發(fā)創(chuàng)新實驗，實施好課堂教學，既能保持學生的好奇心，又能落實核心素養(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習，積極創(chuàng)新，用一個個創(chuàng)新實驗點燃學生學習物理的煙火。

參考文獻：

[1]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）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]任振穎，張東林.基于物理學科核心素養(yǎng)的實驗教學實踐研究——點燃思維的星星之火[J].物理教學探討，2021，39（6）：11-15.

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

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

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