從一次實驗設計改革談物理學方法的創新運用

物理，是一門以觀察和實驗為基礎的自然科學。新課程標準在物理實驗教學中尤其要重視科學探究，借助這些方法幫助學生對物理知識透徹理解、牢固掌握和靈活運用。通過創新性的實驗設計和對教材已有實驗的改進，可以解決個別實驗取材不易、操作不便、實驗效果不明顯等弊端，對學生的科學探究能力、實踐能力和創新意識的培養大有裨益。以“感應電流的方向”的教學為例，師生共同努力，改革了原有的實驗設計，取得了很好的學習成效。

一、楞次定律原有的實驗方案

“感應電流的方向”這節課重點就是讓學生對楞次定律進行探究、理解和應用。一般情況下，對“楞次定律探究”的教學是這樣設計的：

1.創設情境，復習引入

問題一：電流計指針偏轉方向與通入電流的關系？

【實驗一】探索電流計指針偏轉方向與通入電流的關系。

師：如何才能知道指針偏轉方向與電流進入方向之間的關系？是否可以通過實驗來確定呢？

【學生實驗1】學生按圖接好電路，探究指針偏轉方向與電流進入方向之間的關系，并完成下表。

[電流進入方向＼電流從“+”（右）接線柱進入＼電流從“-”（左）接線柱進入＼指針偏轉方向＼向右＼向左＼]

結論：電流從何方流入指針就向何方偏轉。

問題二：感應電流產生的條件？

【實驗二】感應電流產生的條件：

師：在上述實驗中，我們已經得出感應電流產生的條件是什么？

生：只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流產生。

師：磁鐵插入與抽出時，指針偏轉的方向相同嗎？指針左偏與右偏意味著什么呢？

生：不同。指針偏轉不同，表明電路中的電流方向不同。

問題三：怎樣判斷通電螺線管中的電流方向？

師：怎樣判斷通電螺線管中的電流方向呢？

生：根據電流計指針的偏轉方向和螺線管上的導線繞向來判斷。

問題四：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向？

師：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向呢？

生：根據通電螺線管中的電流方向用安培定則判斷。

師：那么感應電流的方向是否遵循什么規律呢？本節課讓我們通過實驗來進一步探究。

2.確定課題，分組探究

【學生實驗2】學生按圖接好電路，做實驗并填附表。

3.分組總結，難點依舊

描述實驗現象，填表。討論回答：

師：穿過閉合回路的磁通量的增減會導致什么結果？

生：有感應電流產生。

師：感應電流又會產生什么？

生：會產生感應磁場。

師：那么這兩個磁場的方向之間有什么關系呢？請大家分成兩組來回答。

【小組一】條形磁鐵插入螺線管的過程。

（1）N級向下插入→原磁場方向 向下→磁通量 增加→產生的感應電流的磁場方向 向上→二者方向 相反 →感應磁場的作用：阻礙原磁場 增加。

（2）S級向下插入→原磁場方向 向上→磁通量 增加→產生的感應電流的磁場方向 向下→二者方向 相反 →感應磁場的作用：阻礙原磁場 增加。

【小組二】條形磁鐵拔出螺線管的過程。

（1）N級向下拔出→原磁場方向 向下→磁通量 減小→產生的感應電流的磁場方向 向下→二者方向 相同 →感應磁場的作用：阻礙原磁場 減小。

（2）S級向下拔出→原磁場方向 向上→磁通量減小→產生的感應電流的磁場方向 向上→二者方向 相同 →感應磁場的作用：阻礙原磁場 減小。

結論：“增反減同”，即：

師：俄國物理學家楞次通過研究，早在1833年就總結出判定感應電流方向的方法，其內容為“感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化”，由此得出了楞次定律。

在這個教學過程中，學生的學習效果如何呢？實際教學中，學生共分成八個小組，其中有三個小組的實驗表格不清楚怎么填而求助于教師，三個小組的表格填了一部分，而只有兩個小組在參照課本的情況下填得比較好。這說明，雖然在教學中運用了各種物理學方法，但并沒有有效地幫助學生理解物理學知識。可想而知，之后楞次定律的得出也就比較困難，對定律理解也就不夠透徹。如何“有效”運用這些物理學的方法呢？關鍵還是要結合學生學習的實際情況，合理地運用物理學方法。于是，教師帶領學生對這一實驗設計進行了如下的改革，取得了很好的學習成效。

二、改革后的實驗設計方案

1.實驗法

所謂實驗教學法，是指學生在教師的指導下，使用一定的設備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實驗對象的某些變化，從觀察這些現象的變化中獲取新知識或驗證知識的教學方法。實驗法是學生做好實驗的前提和基礎，教師耐心細致地做好這一步，才能幫助學生順利進行后面的分組實驗。于是，教師帶領學生對實驗教學過程做了如下改進：

（1）創設情境，復習引入

【實驗一】產生感應電流的演示實驗。

教師演示分步連好電路，由學生上講臺操作，全體學生觀察。

問題一：怎樣做能夠產生感應電流？

生：將條形磁鐵不斷插入或拔出螺線管。

問題二：為什么產生了感應電流？（感應電流產生的條件）

生：閉合回路中磁通量發生了變化。

問題三：靈敏電流計的指針偏轉與螺線管中的電流方向有什么關系？

生：電流從哪邊流入靈敏電流計，指針就向哪邊偏。根據指針的偏轉情況就能判斷出螺線管中的電流方向。

問題四：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向？

師：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向呢？

生：根據通電螺線管中的電流方向用安培定則判斷。

師：那么感應電流的方向是遵循什么規律呢？本節課讓我們通過實驗來進一步探究。

（2）確定課題，互動探究

【實驗二】探究感應電流的方向。

教師實驗：N極向下插入螺線管中，請學生記錄實驗現象，把電流方向標在下圖中。

學生分組：N極向下從螺線管中拔出，S極向下插入螺線管中，S極向下從螺線管中拔出，分別記錄實驗現象，并把電流方向標在下圖中：

由于有教師在【實驗一】中的電路連接演示及在【實驗二】中的實驗操作演示，學生的實驗做得很順利，實驗現象的記錄也很準確，可以說又快又好，有效地完成了這一教學環節。那么接下來，如何由實驗現象整理和歸納出所要得出的結論，這就要看歸納法運用得是否有效了。

2.歸納法

所謂歸納法是指從個別元素中概括出一般結論的思維方法，也可以指學科學習中具體的一種科學方法。由實驗現象歸納得出物理規律，在學生的學習過程中具有重要作用。于是，教師進一步對教學中的歸納過程做了如下改進：

首先，降低填表難度。整個表中對每一個實驗現象分析所需要填寫的空格被縮減為兩個，如下所示：

其次，設置問題，引發學生的思考。

師：通過實驗，我們知道了在不同情況下感應電流的方向（已畫在圖上），那么請大家分析一下，感應電流的方向與什么因素有關呢？

生甲：可能與磁感應強度B的方向有關。

生乙：可能與條形磁鐵的運動方向有關。

生丙：可能與磁通量的變化有關。

分析：由過程一、二判斷感應電流的方向與磁感應強度B的方向無關。由過程一、三判斷感應電流的方向與與條形磁鐵的運動方向無關。同樣，由過程一、三判斷感應電流的方向與磁通量的變化無關。那么，到底與什么因素有關呢？最后，難點由教師引導學生突破。

師：感應電流會產生磁場嗎？

生：會。

師：請大家畫出感應電流的磁場方向，并分析原磁場方向與感應電流的磁場方向有什么關系？分成兩組來回答。

【小組一】條形磁鐵插入螺線管的過程

（1）N級向下插入→原磁場方向 向下→磁通量增加→產生的感應電流的磁場方向 向上→二者方向 相反→感應磁場的作用：阻礙原磁場 增加。

（2）S級向下插入→原磁場方向 向上→磁通量增加→產生的感應電流的磁場方向 向下→二者方向 相反→感應磁場的作用：阻礙原磁場 增加。

【小組二】條形磁鐵拔出螺線管的過程。

（1）N級向下拔出→原磁場方向 向下→磁通量減小→產生的感應電流的磁場方向 向下→二者方向 相同→感應磁場的作用：阻礙原磁場 減小。

（2）S級向下拔出→原磁場方向 向上→磁通量減小→產生的感應電流的磁場方向 向上→二者方向 相同→感應磁場的作用：阻礙原磁場 減小。

得出結論：“增反減同”即

這樣設計的實驗和學習課程，實際的實驗過程順暢了，學生幾乎都能認真完成實驗，記錄下觀察到的現象，并經過分析討論得出了自己的結論，為楞次定律的進一步理解和應用打好了基礎。

由此可見，在教學過程中，關鍵是要保證讓學生理解相應的知識。所以，任何教學過程都應當按理解的要求進行整體設計；任何教學方法的應用，都是為實現這一目的而服務的。因此，教學實驗設計必須考慮讓學生透徹理解的有哪些內容，怎樣才能有效地幫助或引導學生理解這些內容，這些內容的理解過程應當運用哪些物理學方法最適合，在理解這些內容的各個階段應分別達到什么要求，等等。假如我們對這些問題搞得比較清楚，在教學過程中恰當而有效地運用好物理學的方法，教學質量就會有大幅度提高，學生的學習也會有較大突破。

三、結論

本次實驗設計改革，在高中物理實驗演示實驗改進上作了一定的改進與創新，包括演示儀器的改進、實驗方式的改進創新、實驗改進規律的總結等，使教師可以更好地說明一些抽象的物理規律和較難的知識點，有效地創設問題情境，使物理實驗與教學實際更緊密地結合，同時又增強了實驗的趣味性、直觀性、形象性和科學性，使學生學得更有勁。