優化實驗過程設計 提升物理核心素養

摘 要：從“互感和自感”一課的實驗過程設計入手，以實驗為基礎，過程為主線，思維為中心，通過觀察生活中的物理現象，自制實驗器具，設計實驗方案，重視演示實驗的過程設計.從“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態度”幾個方面討論如何在物理教學中提高學生物理學科核心素養，把物理知識轉化為學生的個體知識和觀念，把物理思想、方法轉化為學生的認識能力和思維方式，真正讓“物理教學”走向“物理教育”.

關鍵詞：實驗設計；能量觀；實驗探究；科學態度

新一輪高中課程改革，提出構建學生的核心素養，以讓學生具備能夠適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力.對于高中物理學科，抓住物理學科核心素養，才能抓住物理學科教育的根本，才能使我們物理教學具有獨特的重要育人價值.作為高中一線物理教師，在平時教學中如何定位物理學科價值？如何以物理核心素養為導向，將物理觀、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等要求始終貫穿整個教學過程，讓物理教學過程成為學生核心素養的形成過程，讓教育本質真正地全面回歸呢？下面以“互感和自感”中的實驗過程設計為例談幾點思考.

一、通過物理現象設計實驗方案，樹立能量守恒觀點

現象是物理學的根源.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2第四章第6節《互感和自感》中，介紹了收音機中的“磁性線圈”，它是利用電磁感應把廣播電臺的信號從一個線圈傳送到另外一個線圈.但是現在學生大多不使用收音機，對其很陌生，更何況其內部結構，所以可以根據收音機的接收和轉換原理，設計探究實驗，對以上物理現象進行還原和重演.

（一）設計演示實驗：自制簡單收音機[1]

我們結合教室中現成的器材，從教室的平板電腦中引出音頻線連在一個大線圈（約為600匝）上，將一個小線圈（約為100匝）與音箱構成閉合回路，為直觀顯示平板電腦的聲音電流信號通過互感使小線圈中產生了電流，小線圈和音箱的閉合回路中再串聯一個G表（如圖1）[2].

現象：在電腦中播放音樂，當小線圈插入大線圈中（如圖2），讓學生震撼的一刻出現，音箱中竟傳出相同的音樂.

分析：當沒有用導線相連的大小線圈靠在一起，其中一個線圈的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢，這種現象叫做互感，所產生的感應電動勢叫互感電動勢.在剛才的教學中，根據收音機接收原理，設計實驗，讓學生經歷知識發生過程后，再引入互感概念，兩個線圈實現了把信號從一個線圈傳播到另一個線圈，把能量守恒觀點滲透到概念教學中.

（二）互感的實際應用：變壓器

圖3是我們生活中常見的變壓器，其作用是電壓變換和能量輸送，圖4是對應的教學用變壓器，簡化成變壓器示意圖（如圖5）.圖5左右分別是由銅導線繞制而成沒有相連的線圈，左線圈（約為200匝）通入220V交流電，右線圈（約為5匝）與額定電壓2.5V的小燈泡相連.

現象：當左線圈中某段時間電流改變時，沒有用導線相連的右線圈回路中小燈泡“莫名”地亮了起來，這個現象對學生產生了強烈的視覺沖擊.

分析：當左線圈中某段時間電流增大，穿過右線圈的磁通量增大，根據電磁感應的產生條件，右端線圈產生如圖6的等效電源，所以此時小燈泡發光，實現了能量從一個線圈轉移到另一個線圈，使學生嘗試用能量觀來分析互感現象.

（三）互感的防止

互感現象不但發生在兩個線圈之間，還可以發生在兩個相互靠近的電路間，在電工和電子技術的電路中，互感有時會影響電路的正常工作，我們可以通過屏蔽電纜減小互感的影響，在電路板的刻制時就要設法減小電路之間的互感現象（如圖7）.

有意義的學習活動總是從物理現象開始的，觀察實驗現象的過程中，讓學生與原有的生活經驗相沖突，通過回憶電磁感應現象，聽到音響傳出相同的音樂，看到小燈泡發光三種不同的感官體驗，讓學生真正體會到現象是物理學的根源.這不僅有助于掌握互感知識點，還利于學生把物理應用到生活中來.作為客觀存在的磁場，其能量通過互感現象從一個線圈傳輸到另外一個線圈，讓學生從物理學視角形成對互感現象中能量的基本認識，加深理解電磁感應的本質，樹立學生的能量觀.

二、通過自感演示實驗的過程設計，提升實驗探究能力

互感既是電磁感應現象的實例，又為自感的引入起到了承上啟下的作用，當一個線圈中磁通量發生變化，在另一個線圈會產生感應電動勢.如果把另一個線圈撤去，只考慮一個線圈（如圖8），當這個線圈的電流發生變化，它本身會產生感應電動勢嗎？

分析：根據法拉第電磁感應定律，顯然線圈本身會產生感應電動勢，我們把自身激發的感應電動勢稱為自感電動勢.

學生對知識的感悟和物理素養的提升只有在與情境的互動中才能達成，從而使物理教學拓深到教育形態中去.在以物理素養為導向的物理教學中，以情境引出問題，以問題引導探究，通過學生的思維參與自感演示實驗教學的過程設計，將物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等要求，自始至終貫穿到教學活動中來.

情境1：如圖8，當左線圈中某段時間電流增大時，通過左側線圈的磁通量增加，根據法拉第電磁感應定律分析產生了自感電動勢.

探究1：

問題：設計怎樣的實驗，來檢驗自感電動勢的存在，并觀察到自感電動勢對電流增大時的影響？[3]

分析：檢驗這個自感現象的存在需要老師和同學們的智慧，我們應該設計恰當的實驗方案去探究，逐步引導學生去經歷自感知識的發生過程.對于圖8，為了安全起見我們可以把220V交流電改成干電池，用開關S的閉合使電流從0開始增大，從而使線圈中的磁通量增大，這樣圖8等效為圖9.但是圖9中沒有檢測自感電動勢的設備，是否可以讓小燈泡充當檢測設備呢？把小燈泡串聯到回路中（如圖10），顯然還是無法檢測自感電動勢的存在.進一步思考，能否通過直觀的對比實驗來進行檢測呢？鼓勵學生科學推理，如果線圈L電路中能產生感應電動勢，另外相同條件的電路中不能產生感應電動勢，通過對結果的比較分析，問題就迎刃而解.最終同學們設計出了檢測電流增大時自感電動勢對電路的影響的電路（如圖11）.兩個燈泡A1，A2規格相同，線圈L和燈泡A1串聯后接到電源上，可變電阻和燈泡A2串聯后接到電源上，這就是課本中圖4.6-2電路閉合時觀察自感現象的典型電路.

現象：當閉合電鍵時，燈泡A2馬上亮，而燈泡A1較慢地亮起來.

問題：從現象分析，電流增大時，線圈L的自感電動勢會阻礙電流增大，使電流增大的過程延遲了，那么如何應用電磁感應規律來分析解釋這個現象？

分析：圖11中的線圈L放大如圖12，線圈中電流方向向右，線圈中電流產生的磁場B0向右，且增強（如圖13），感應電流的磁場B感向左，感應電流向左流入線圈，線圈中產生的感應電動勢正極在左端（如圖14），所以自感電動勢會阻礙電流增大，使電流增大的過程延遲了.

問題：以上探究了電流增大時線圈自感的影響，那么當閉合電路中斷開開關，左線圈中某段時間電流減小時，這時燈泡的亮度會怎么變化呢？

探究2：

問題：同學們還應設計怎么樣的實驗來檢測當電流減小時的自感電動勢情況呢？教師自然而然引導學生設計相關電路來探究自感電動勢的存在.

與探究一類似，圖15這個電路無法探測電動勢的存在，同樣采用對比實驗，用燈泡和線圈L兩個支路并聯做比較（如圖16），先閉合電鍵使燈泡正常發光，然后電鍵斷開，觀察燈泡的變化.

現象：通過觀察發現小燈泡突然變亮，然后逐漸暗下來，實驗現象馬上引起了同學們的好奇心和興趣.

問題：從現象分析，這樣的電流會是原來的電源產生的嗎？

分析：電鍵斷開，電源不再供電，這樣的電流不是原來的電源產生的.電源斷開瞬間，電流減小，線圈L的自感電動勢阻礙了電流的減小，它與燈泡構成閉合回路，閉合瞬間線圈L中的電流比原來閉合前燈泡中的電流大，所以出現了燈泡突然變亮的現象.

問題：如何應用電磁感應規律來分析解釋這個現象？

分析：圖16中的L放大如圖17，線圈中電流方向向右，電流逐漸減小，產生的磁場B0方向向右，且逐漸減小（如圖18），感應電流的磁場B感向右，感應電流向右流入線圈，線圈中產生的感應電動勢正極在右端（如圖19）.

以上探究過程以通過線圈的電流發生變化的具體情境入手，以電流增大或減小時自感電動勢對電路的影響設置問題，兩種不同情境中發現并提出探究的物理問題，邊推理邊設計電路檢測自感電動勢的存在，并應用電磁感應規律來探究這個現象.這樣的教學讓學生主動建構自感知識，通過情境、問題、設計電路方案、觀察實驗現象、分析推理，保留了從現象到結論的一段極具教育價值的過程[4]，鼓勵學生重蹈科學探究中最關鍵的步子，以使他們從中理解自感知識的本質，運用物理知識和方法解釋自然現象和解決實際問題的能力.

三、理論推理與實驗分析相結合，彰顯科學態度

根據以上實驗現象，當電流增大和減小時，線圈中產生了自感電動勢阻礙了原來電流的變化.

問題：那么自感電動勢的大小可能與哪些因素有關？

分析：科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗.有時這條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但是只有兩條腿走路才能前進，也就是說我們可以采取理論推理和實驗探究相結合的方法研究物理問題.

（一）實驗現象分析

從自感演示實驗可以得出自感電動勢的大小應該與線圈本身有關.

（二）理論分析

自感電動勢本質就是感應電動勢，其大小遵循法拉第電磁感應定律E=n[ΔφΔt]，對于確定的線圈L，磁通量的變化[Δφ]決定于磁場的變化[ΔB]，而磁場是由電流產生，磁場的變化決定于電流的變化[ΔI]，所以磁通量的變化率正比于電流的變化率，即[ΔφΔt∝ΔIΔt]，則自感電動勢[E][∝nΔIΔt]，寫成等式為[E=LΔIΔt]，其中L稱為自感系數.

問題：那么L與什么因素有關？

分析：猜想L應該由匝數等線圈本身因素決定.

（三）與自感系數有關的因素和單位

進一步實驗表明，自感系數與線圈的大小、形狀、匝數以及是否有鐵芯等因素有關（如圖20），它是一個由線圈本身決定的物理量.自感系數的單位是亨利，符號H，常用單位還有mH、μH.

（四）簡單介紹自感的應用與防止

煤氣灶的點火裝置、油浸開關等.

通過對自感系數的學習，學生經歷了實驗現象分析，理論推導，猜想假設，進一步精確實驗探究的科學方法，讓學生嘗試用證據和推理發表自己的見解，充分發揮物理學科的育人價值，彰顯科學態度.

四、小結

“物理學不只是圖表和數據，它能帶給你很多更珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學和人生的道路.”這告訴我們讓學生終身受益的不是具體的物理知識，而是所學的知識忘掉之后剩下的東西，這就是物理學科核心素養.物理學科活動才是形成物理學科素養的渠道，新課改讓我們教師思考和踐行如何使學習過程成為素養發展過程，再轉化為解決問題的能力與智慧？教師們在提升學生的核心素養的道路上不斷探索前行.

參考文獻：

[1]阮傳志.“互感”與“自感”兩個演示實驗的設計[J].中學物理：高中版，2016，34（12）：54.

[2]孫坤鵬.重視自主探究 掌握物理規律[J] .中國教育技術裝備，2016（23）：138.

[3]葉晟波.物理實驗教學中的過程設計[J] .物理教學，2013（1）：17.

[4]吳加澍.核心素養視域下的物理教學[EB/OL]http：//www.doc88.com/p-5136375363047.html . 2016.09.