用實驗探究來培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)*
——以“探究感應電流產(chǎn)生的條件”教學為例

孫春成 戴元峰

(江陰市青陽中學 江蘇 無錫 214401)

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，學生具備的物理學科核心素養(yǎng)之一應該是實驗探究素養(yǎng)．該素養(yǎng)包含：讓學生經(jīng)歷真實的物理實驗探究過程，能使用常見的實驗儀器，能獨立完成物理實驗，并學會運用物理規(guī)律來設計相關(guān)實驗并解釋生活中的常見問題．

筆者在進行“探究感應電流產(chǎn)生的條件”的教學時，設置了4個探究活動，設計了多個探究實驗，力圖體現(xiàn)用實驗探究來培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)這一教學思想．

探究活動一：趣味實驗，引發(fā)探究

實驗過程：筆者自制了一個裝置(圖1)，該裝置由多匝線圈繞制而成，并與電流表連接，當線圈中有電流產(chǎn)生的時候，電流表指針將發(fā)生偏轉(zhuǎn)．筆者請一名同學握拳，拳頭穿過線圈中心，指針沒有偏轉(zhuǎn)——沒有電流；筆者也握拳，拳頭穿過線圈中心，指針偏轉(zhuǎn)——有電流．

圖1 自制磁生電實驗裝置

提出問題：為什么這位同學不能使線圈產(chǎn)生電流，而老師可以呢？老師有什么特別之處呢？(學生議論紛紛，思考)

引發(fā)探究：筆者舒展拳頭，學生發(fā)現(xiàn)手掌中有塊狀物，它能吸引鐵片——該物為磁鐵．提出問題：看來，線圈中產(chǎn)生的電流與磁鐵有關(guān)，那么，磁在什么條件下能夠產(chǎn)生電呢？筆者引導學生回憶初中學過的知識，學生回答：閉合回路中，部分導體切割磁感線．深入追問：不切割，能否產(chǎn)生感應電流呢？

筆者提供了3種不同的實驗器材，要求學生們充分嘗試，通過自己的實驗探究，總結(jié)出產(chǎn)生感應電流的條件．

探究活動二：自主實驗，深入探究

方案一 實驗器材[圖2(a)]：條形磁鐵，螺線管，電流計，導線若干．

方案二 實驗器材[圖2(b)]：大螺線管，小螺線管(含有一根鐵芯)，滑動變阻器，電源，開關(guān)，電流計，導線若干．

方案三 實驗器材[圖2(c)]：兩塊平行的薄磁體(中間的磁場可以近似認為是勻強磁場)，電流計，小線圈，導線若干．

圖2

在學生動手探究之前，筆者先提出了實驗要求：根據(jù)器材，設計方案(體現(xiàn)在大家如何連接電路的過程中)；觀察實驗，記錄現(xiàn)象(記錄下本組實驗怎樣操作有感應電流，怎樣操作無感應電流)；分析現(xiàn)象，歸納條件(分析本組的實驗現(xiàn)象，歸納出本組產(chǎn)生感應電流的條件是什么)．

在學生實驗過程中，筆者分別巡視這3組，指導學生進行探究實驗．學生實驗結(jié)束后，請3組學生派代表分別講述觀察到的實驗現(xiàn)象和得出的實驗結(jié)論．

方案一：

過程與現(xiàn)象.將螺線管與電流計通過導線連接組成閉合回路.磁鐵插入螺線管時，有感應電流；磁鐵靜止在螺線管中時，無感應電流，磁鐵從螺線管中拔出時，有感應電流．

分析與結(jié)論.磁鐵上下運動的時候，磁鐵的磁感線被螺線管的線圈給切割了，產(chǎn)生了感應電流．即閉合回路中，部分導體切割磁感線，會產(chǎn)生感應電流．

方案二：

過程與現(xiàn)象.將小線圈與電源連接構(gòu)成一個閉合回路，將大線圈與電流計連接，也構(gòu)成一個回路．斷開和閉合開關(guān)，有電流產(chǎn)生；快速移動滑動變阻器的觸頭，有電流產(chǎn)生；抽拔鐵芯，有電流產(chǎn)生．

分析與結(jié)論.開關(guān)斷開和閉合時，小線圈的磁場變強和變?nèi)酰换瑒幼冏杵髯柚蹈淖儯瑫鹦【€圈磁場的強弱變化；抽拔鐵芯，也會影響小線圈磁場的強弱變化．即閉合回路中，磁場的強弱發(fā)生改變，會產(chǎn)生感應電流．

方案三：

過程與現(xiàn)象.將小線圈與電流計連接，構(gòu)成一個閉合回路．線圈在磁場中上下運動時，無感應電流；線圈在磁場中左右平動，無感應電流；線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，有感應電流；線圈進出磁場，有感應電流；線圈面積變化，有感應電流產(chǎn)生．

分析與結(jié)論.這5種情況有一個共性，均改變了線圈在磁場中的有效面積，因此，改變線圈的面積，可以產(chǎn)生感應電流．即勻強磁場中，改變線圈的有效面積，閉合回路中會產(chǎn)生感應電流．

筆者引導學生反思這3個實驗.

第一個實驗：線圈面積沒有改變，磁鐵靠近或者遠離——磁場的強弱在變化！即S不變，B變化．

第二個實驗：大線圈的面積沒有改變，當小線圈中的電流發(fā)生變化的時候，小線圈的磁場發(fā)生了變化！即S不變，B變化．

第三個實驗：由于是勻強磁場，所以，磁場的強弱不變，但線圈的各種運動引起了線圈有效面積S的變化，即B不變，S變化．

筆者引導學生思考：從上面3個實驗中我們發(fā)現(xiàn)，磁感應強度B和線圈有效面積S，只要有一個變化，閉合回路中就會產(chǎn)生感應電流．那么，如果B變化，S也變化，會不會產(chǎn)生感應電流呢？由此引出第三階段的實驗探究．

探究活動三：演示實驗，持續(xù)探究

該裝置(圖3)系筆者自己制作，取名為“探究感應電流產(chǎn)生條件演示儀”．筆者在平板玻璃上用鐵粉模擬出該圓柱形磁鐵磁感線的分布，然后根據(jù)磁感線的分布，應用繪圖軟件在數(shù)控機床上加工出該裝置．

圖3 自制探究感應電流產(chǎn)生條件演示儀

筆者先用導線與電流計組成閉合回路，然后引導學生思考：我們將此導線的一部分圈成的線圈緊貼著該裝置從位置1平移到位置2，如圖4所示.

圖4 移動線圈

在這個過程中，距離磁鐵越遠，磁場就越弱，而面積就越大；距離磁場越近，磁場就越強，而面積就越小．那么，從位置1平移到位置2的過程中，線圈中會不會產(chǎn)生電流呢？(學生紛紛討論，并猜測結(jié)論)

筆者將線圈從位置1多次(快速、緩慢)平移到位置2，學生觀察發(fā)現(xiàn)，電流計未偏轉(zhuǎn)！即該過程中沒有感應電流產(chǎn)生．筆者引導學生繼續(xù)思考：在這個過程中，磁感應強度B變化了，線圈面積S也變化了，但是沒有感應電流，這就給我們一個感覺，如果把B與S割裂開來看，不足以解釋這個現(xiàn)象，必須將B與S看成是一個整體．

由此，引出了磁通量的概念，并進一步總結(jié)出產(chǎn)生感應電流的根本條件：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化．

探究活動四：設計實驗，自主探究

筆者進一步引導學生運用剛才總結(jié)的條件，來解釋第一個探究實驗中，為什么老師能使線圈中產(chǎn)生感應電流，而那位同學不能？學生紛紛回答，因為老師手里的磁鐵通過線圈的時候，線圈里面的磁通量發(fā)生了變化，產(chǎn)生了感應電流．筆者順勢引導學生自主探究：我們是否可以自己設計實驗，將這個物理規(guī)律運用到實踐中去呢？

實驗一：探雷器(尋寶儀)

筆者提供一塊強磁鐵以及3個不透明的紙杯(圖5)，將3個紙杯倒置，并將強磁鐵置于其中一個杯子下，要求學生運用今天所學知識確定出磁鐵在哪個杯子下．很快，有學生提出方案并開始操作：學生將線圈與小燈泡連接組成閉合回路，用該線圈分別從上方快速套入這3個杯子，并在使小燈泡發(fā)光的那個杯子下找出了磁鐵．

圖5 自制“尋寶儀”

實驗二：“搖式”電筒

筆者提供了電筒外殼、小燈泡、小線圈、圓柱形強磁鐵等，要求學生制作出不用電池的手電筒(圖6)．有學生很快就制作完成，在前后搖動手電筒的時候，圓柱形強磁鐵來回穿過線圈，產(chǎn)生了感應電流，成功地使燈泡一閃一閃地發(fā)光．

圖6 自制“搖式”電筒

實驗三：搖繩實驗

筆者提問：我們所處的地球表面，存在地磁場，那么，我們是否可以想辦法，來檢測出這微弱的地磁場呢？

學生經(jīng)過一番討論，提出了“搖繩實驗”，并有學生指出，由于地磁場十分微弱，因此，該實驗需要用到“放大”思想．他們提出的實驗策略有：搖繩要比較長；繩子中要有多匝線圈(通電螺線管的啟示)；使用靈敏電流計(最好使用傳感器)；站位要恰當(東西方向站位)．實驗時，兩個學生在走廊中搖繩，其他學生運用蘋果手機信號轉(zhuǎn)換器，將靈敏電流計示數(shù)放大并實時傳到大屏幕上，順利地觀察到了指針的偏轉(zhuǎn)．

在本節(jié)內(nèi)容的教學中，筆者通過設計多個探究性實驗，引導學生親身經(jīng)歷了探究的整個過程，通過操作、討論、反思、總結(jié)等方式，在實驗中逐步建構(gòu)了對物理規(guī)律的完整認識，并將物理規(guī)律應用到實踐中去，有效地避免了學生被動地接受知識而導致的知其然而不知其所以然的現(xiàn)象，取得了良好的教學效果．教學過程中，學生的優(yōu)異表現(xiàn)也多次令筆者感到欣喜和震撼，也許，我們一直低估了學生的主動性和創(chuàng)造力，也許，這樣的教學方式才的確符合學生的認知規(guī)律．如果我們在物理教學中能夠始終把探究性實驗放在重要位置，讓物理教學過程回歸物理學科研究的本質(zhì)，那么，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的教學目標就一定能夠順利達成．