指向核心素養(yǎng)的初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究

方一穎　叢小涵　肖瑩瑩　鄭淵方

摘? ?要：文章通過自制教具“電磁演示儀”，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究，以核心素養(yǎng)作為指向標(biāo)，幫助學(xué)生建立電和磁之間相互轉(zhuǎn)換的聯(lián)系，提高學(xué)生科學(xué)實(shí)踐探究與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：自制教具；物理核心素養(yǎng)；電生磁；磁生電

2022年版《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)了義務(wù)教育物理課程是一門“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的自然科學(xué)課程，強(qiáng)化課程綜合性和實(shí)踐性[ 1 ]。在物理課程中，實(shí)驗(yàn)研究是體現(xiàn)物理課程實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容之一。在初中物理的學(xué)習(xí)過程中，中學(xué)生精力充沛，但接觸物理時(shí)間不長(zhǎng)，科學(xué)方法和抽象思維還沒有形成。基于學(xué)生的思維發(fā)展階段特點(diǎn)，教師可以通過一些有趣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生觀察到不易察覺的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有效地培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去探尋規(guī)律的科學(xué)探究能力。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行合理的理論推理的過程中，發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象和規(guī)律之間的區(qū)別和聯(lián)系，以達(dá)到深化物理規(guī)律的理解和應(yīng)用這一目的。所以筆者決定利用身邊常見物品，以自制教具“電磁演示儀”為例，闡述如何通過實(shí)驗(yàn)探究來提升學(xué)生的思維品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1? 物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和意義

劉炳升和馮容士在《中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具》中指出“物理實(shí)驗(yàn)”是在受控的條件下，物理研究者使用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備等，重現(xiàn)物理現(xiàn)象進(jìn)行有目的地觀測(cè)研究的方法[ 2 ]。物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)里所認(rèn)為的“創(chuàng)新”，不同于科學(xué)家、藝術(shù)家的創(chuàng)新，而是指對(duì)作為獨(dú)立個(gè)體的中學(xué)生施以系統(tǒng)的教育影響，使其在這一教育過程中發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、認(rèn)識(shí)新思想、掌握新方法，發(fā)揮自身潛能、利用所學(xué)新事物構(gòu)造全面知識(shí)體系，最終達(dá)到提高相應(yīng)能力這一目的，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)奠定良好基礎(chǔ)。中學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并不僅僅是在學(xué)校教育中引入一些類似“小設(shè)計(jì)、小發(fā)明、小制作”等具體學(xué)科性質(zhì)的競(jìng)賽活動(dòng)，而是應(yīng)開展科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，在課堂教學(xué)中對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)造性改進(jìn)。即教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生特點(diǎn)來制作不同教具，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力這一效果。

中學(xué)生物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中解決問題，歸納總結(jié)物理規(guī)律，并在實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行質(zhì)疑創(chuàng)新，不但使學(xué)生獲得了豐富的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的引入也將枯燥無趣的教學(xué)活動(dòng)變成吸引學(xué)生注意力的趣味探究過程，奠定了學(xué)生的主體地位。而物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的最終目的是發(fā)散學(xué)生的思維和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新欲望，豐富學(xué)生的創(chuàng)新熱情，提高學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力。

2? 物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)制作與創(chuàng)新之處

2.1 電磁演示儀的制作過程以及實(shí)物圖

電磁秋千部分利用木板、漆包線制作出一個(gè)簡(jiǎn)易秋千模型，掛上一根長(zhǎng)約40 cm粗漆包線當(dāng)做秋千繩，與秋千木板相連接，并制作一個(gè)電磁線圈，下面放下磁性較強(qiáng)的圓形汝鐵硼磁鐵，而磁生電部分要通過不斷試錯(cuò)挑選合適的靈敏電流計(jì)和強(qiáng)磁鐵；之后進(jìn)行教具電路原理圖設(shè)計(jì)（如圖1所示），連接電路，制作好電磁演示儀（如圖2所示）。

2.2 電磁演示儀在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新之處

（1）可以進(jìn)行磁生電、電生磁、磁生電電生磁組合回路三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的展示，既可以分別演示電生磁、磁生電的現(xiàn)象，方便學(xué)生橫向?qū)Ρ龋挥挚梢詫刹糠趾隙橐?，幫助學(xué)生建立電和磁之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系；

（2）分別以靈敏電流計(jì)的示數(shù)和電磁秋千的搖擺來實(shí)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象和電生磁現(xiàn)象可視化；

（3）本教具外觀美觀大方，現(xiàn)象有一定的趣味性，能夠吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3? 創(chuàng)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)落實(shí)物理核心素養(yǎng)

在課堂教學(xué)中，學(xué)生利用電磁演示儀進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究。將實(shí)驗(yàn)裝置組裝好，分別閉合電生磁、磁生電、磁生電電生磁組合回路的開關(guān)，為學(xué)生展示相對(duì)應(yīng)現(xiàn)象（如圖3所示），在教授物理知識(shí)的同時(shí)，不但要讓學(xué)生親歷探究，理解物理規(guī)律的形成和發(fā)展過程，而且還要挖掘隱藏在知識(shí)背后的科學(xué)思維，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，適時(shí)滲透，讓學(xué)生加強(qiáng)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

3.1? 通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，凝練學(xué)生的物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量等內(nèi)容的總體認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)[ 1 ] 4。在初中階段，教師的主要任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中獲取知識(shí)點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)過程的多個(gè)角度去認(rèn)識(shí)相關(guān)物理知識(shí)體系，并同化成自身知識(shí)體系，從而逐漸升華凝練成物理觀念，而物理觀念形成這一過程也為高中系統(tǒng)性知識(shí)的學(xué)習(xí)做好全面的鋪墊。

在“電與磁”章節(jié)中主要是培養(yǎng)學(xué)生相互作用觀念。在電磁演示儀中，學(xué)生通過閉合開關(guān)S1時(shí)，電磁秋千開始搖擺，初步感受到磁場(chǎng)這一看不見摸不著的物質(zhì)；斷開開關(guān)S1，電磁秋千立即停止搖擺，學(xué)生思考并猜想電和磁之間的關(guān)系，進(jìn)而得到通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)這一物理規(guī)律，說明了“各種自然現(xiàn)象之間應(yīng)該存在著相互聯(lián)系”?！按派姟睂?shí)驗(yàn)的成果，即閉合開關(guān)S3，改變磁鐵在線圈中的運(yùn)動(dòng)方向，靈敏電流計(jì)有明顯變化，充分說明了電、磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性，同時(shí)也強(qiáng)化了電和磁相互作用的物理觀念。

3.2? 通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同信息、觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判，予以檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力[ 1 ] 4。初中學(xué)生處于從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)化的過程，而物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，基于學(xué)生所處階段的思維特點(diǎn)以及物理學(xué)科的性質(zhì)，初中教學(xué)的目標(biāo)之一是為了促進(jìn)學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中如何去歸納總結(jié)相應(yīng)的物理概念和物理規(guī)律；如何在實(shí)驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上獲取更多的數(shù)據(jù)與結(jié)論所要培養(yǎng)的發(fā)散性多角度的思考能力。

在磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用這一規(guī)律探尋過程中，由于磁極間存在相互作用，而這個(gè)作用是通過磁場(chǎng)發(fā)生的，學(xué)生在操作電磁演示儀中“電生磁”部分已經(jīng)證實(shí)通電直導(dǎo)線周圍也存在著磁場(chǎng)，所以磁場(chǎng)應(yīng)該對(duì)通電直導(dǎo)線具有力的作用，學(xué)生在一定的事實(shí)基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)的證據(jù)形成清晰的思維鏈條，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的論證能力。

在磁生電需要的條件相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生小組合作操作2013年人教版初中物理教科書電生磁實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就產(chǎn)生了電流”這一規(guī)律，繼而觀察現(xiàn)象提出質(zhì)疑：當(dāng)導(dǎo)體不動(dòng)，回路也能產(chǎn)生電流嗎？需要什么條件才能產(chǎn)生電流？讓學(xué)生利用電磁演示儀來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，只閉合開關(guān)S3，通過線圈匝數(shù)、更換磁性不同的磁鐵、改變磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)方向等實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到當(dāng)線圈靜止時(shí)，磁鐵上下運(yùn)動(dòng)也在切割磁感線運(yùn)動(dòng)，回路中產(chǎn)生了電流。讓學(xué)生在已有電生磁知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)電磁關(guān)系重新認(rèn)識(shí)、掌握，促使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣，拓寬了學(xué)生思維的深度。

3.3? 通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親歷科學(xué)探究

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力[ 1 ] 5。物理是一門“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的自然科學(xué)課程，同時(shí)也是形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)化的重要途徑，科學(xué)探究無疑是初中階段學(xué)生所要倍加重視的素養(yǎng)內(nèi)容。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中，親身體驗(yàn)，親自參與，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題，小組討論交流解決問題。在這一學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的問題解決能力得到有效提高，同時(shí)交流合作技巧和科學(xué)素養(yǎng)的形成也得到相應(yīng)加強(qiáng)。

（1）提出猜想?；谄胀ㄇ锴枰肆Σ拍軗u擺這一自然現(xiàn)象，思考電磁秋千搖擺的原因，提出問題：電磁秋千的力是如何產(chǎn)生的？形成猜想為可能是同名磁極相互排斥產(chǎn)生的。

（2）驗(yàn)證猜想。閉合開關(guān)S1，電磁秋千不斷搖擺，在觀察這一結(jié)構(gòu)中，學(xué)生結(jié)合工作原理（如圖4所示）分析電流方向：電源正極—電刷—擺桿—線圈—支架—電源負(fù)極，此時(shí)通電線圈產(chǎn)生磁性。利用安培定則來分析線圈的極性（如圖5所示），線圈和下面的磁鐵由于同名磁極相互排斥，擺桿就會(huì)被推向一邊。保持電刷的位置不動(dòng)，因擺桿移動(dòng)了，電路也就斷開了，線圈中沒有了電流，失去了磁性，也就不再排斥電磁線圈下面的電磁鐵，于是擺桿在重力的作用下回到原先的平衡位置。

（3）排除故障。閉合開關(guān)S1，電磁秋千不工作，小組討論分析原因：①從電路連接分析：檢查電路是否接通、漆包線上的絕緣漆是否刮干凈、鱷魚夾是否與導(dǎo)線接觸良好，檢查完畢，觀察秋千運(yùn)動(dòng)情況；②從工作原理分析：交換電源的電極。因?yàn)橥ㄟ^線圈的電流方向相反，線圈磁極方向也隨之改變，它就會(huì)與磁鐵異性相吸，擺桿保持不動(dòng)。

（4）得出結(jié)論。①通電導(dǎo)體周圍有力的作用；②通電線圈和磁鐵同性相斥促使秋千不斷擺動(dòng)。

4? 總結(jié)

電磁演示儀對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)電與磁相關(guān)知識(shí)大有裨益，它不僅讓學(xué)生鞏固電生磁和磁生電之間的關(guān)系，還將兩者緊密聯(lián)系，電和磁之間相互轉(zhuǎn)換這一規(guī)律深入人心，實(shí)驗(yàn)的器材來自生活，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，興趣可以給學(xué)生以持續(xù)的動(dòng)力去學(xué)習(xí)物理，從而達(dá)到“知行合一”，同時(shí)在使用過程中結(jié)合核心素養(yǎng)來教學(xué)，親歷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，深化學(xué)生對(duì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的問題解決能力，形成相應(yīng)的物理觀念，逐漸培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維品質(zhì)，凸顯物理學(xué)科的育人功能。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：1.

［2］ 劉炳升，馮容士.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具[M].上海：上海教育出版社，2000：9-12.