基于核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略探討
——以“互感”實(shí)驗(yàn)為例

(安徽省滁州市第十中學(xué)，安徽 滁州 239050)

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不足之處分析

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果,不注重實(shí)驗(yàn)過程,導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)注結(jié)果,對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解不深刻。

(2) 不注重分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、評(píng)析實(shí)驗(yàn)及誤差來源,實(shí)驗(yàn)草草了事,虎頭蛇尾,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理不清楚,對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)不夠,無法使學(xué)生的創(chuàng)新能力得以展現(xiàn)。

(3) 實(shí)驗(yàn)中忽視學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),沒有創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)過程,使得學(xué)生思維跳躍過大,實(shí)驗(yàn)顯得突兀。

(4) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只是機(jī)械的羅列、累加,只停留在表面現(xiàn)象,對(duì)同一類實(shí)驗(yàn)沒有深究,實(shí)驗(yàn)探究不到位。

2 提升學(xué)生核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略

心理學(xué)研究表明：越奇妙、獨(dú)特的現(xiàn)象越能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)注意,進(jìn)而產(chǎn)生極大的學(xué)習(xí)熱情。引入生動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn),能夠引導(dǎo)學(xué)生深入探究現(xiàn)象背后的原因,帶著強(qiáng)烈的疑問學(xué)習(xí),當(dāng)然會(huì)事半功倍。所以教師應(yīng)巧設(shè)實(shí)驗(yàn)、巧做實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、有趣生動(dòng)，才會(huì)深深打動(dòng)學(xué)生,吸引學(xué)生,教學(xué)效果不言而喻。筆者以互感實(shí)驗(yàn)為例，提出以下設(shè)計(jì)策略。

2.1 優(yōu)選實(shí)驗(yàn)方案，引發(fā)學(xué)生好奇心

互感是在一個(gè)線圈中輸入變化的電流信號(hào),在彼此靠近的另一個(gè)閉合回路的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流信號(hào)。在法拉第的實(shí)驗(yàn)中,兩個(gè)線圈之間并沒有導(dǎo)線相連,但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí),它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如何檢驗(yàn)到感應(yīng)的電流信號(hào)呢?

方案一：產(chǎn)生的感應(yīng)電流可以用電流表來檢驗(yàn)。通過電流表的示數(shù)變化可以知道是否產(chǎn)生感應(yīng)電流以及電流的大小。如圖1所示,開關(guān)閉合或者斷開的瞬間在線圈BB′中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

圖1

圖2

方案二：如圖2所示，把電流表換成小燈泡,通過小燈泡是否發(fā)光可以判斷是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生。為讓小燈泡持續(xù)發(fā)光,原線圈輸入信號(hào)可以換成交流信號(hào),通過小燈泡的亮暗可以判斷感應(yīng)電流的強(qiáng)弱。

圖3

方案三：如圖3所示，把原線圈用數(shù)據(jù)線插入手機(jī)耳機(jī)插孔中,副線圈與擴(kuò)音器相連，手機(jī)并沒有直接與擴(kuò)音器直接相連,手機(jī)播放歌曲時(shí)，通過互感從擴(kuò)音器可聽到。

顯然上述第三種方案中互感現(xiàn)象最為明顯,最能打動(dòng)學(xué)生,學(xué)生帶著強(qiáng)烈的好奇和疑問來學(xué)習(xí),接下來關(guān)于互感定義知識(shí)的教學(xué)就可以輕松完成。

2.2 同一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象設(shè)計(jì)懸疑化,增加思維深度,激起學(xué)生的探究熱情

對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn),但若沒有認(rèn)真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)演示的細(xì)節(jié),沒有充分利用實(shí)驗(yàn)來增加學(xué)生的思維含量，那培養(yǎng)學(xué)生的觀察、思考能力的效果就會(huì)大打折扣。因此巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，曲徑通幽總比一眼望穿更能促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中深度思考,增強(qiáng)學(xué)生探究欲望,提高探究效果。

比如上面互感實(shí)驗(yàn)的方案三中,雖然是同一個(gè)實(shí)驗(yàn),如果采用魔術(shù)的手段，把擴(kuò)音器和副線圈都藏在箱子里,如圖4所示,原線圈的孔為圖中笑臉的眼睛,手機(jī)打開,讓學(xué)生隨機(jī)選一首歌曲,教師通過“秘密武器”把學(xué)生所選的歌曲播放出來。這樣無異于用一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)把學(xué)生的注意力全都牢牢吸引過來,學(xué)生的思維會(huì)立即激活,對(duì)于神秘的箱子學(xué)生則是急切想一探究竟,學(xué)生會(huì)大膽猜測(cè)、異想天開。魔術(shù)一般不揭開謎底,而課堂教學(xué)是必須揭開謎底,不僅如此,還要揭開得全面、透徹。面對(duì)望眼欲穿的學(xué)生,教師把握火候,打開箱子,適時(shí)揭開謎底，顯露其中實(shí)驗(yàn)器材,再介紹互感原理就輕松多了。既有實(shí)驗(yàn)器材為依據(jù),又有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為支撐,最主要的還有學(xué)生的求知欲望作為內(nèi)驅(qū)力,外因和內(nèi)因的有效結(jié)合使教學(xué)效果發(fā)生質(zhì)的飛躍。這種加入魔術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果遠(yuǎn)比用常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材好得多，更能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)大的好奇心,使學(xué)生的思維空前活躍。

圖4

2.3 以實(shí)驗(yàn)為依托,設(shè)計(jì)問題鏈,逐步深挖實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵,讓學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)的原理,培養(yǎng)學(xué)生縝密思維的習(xí)慣

當(dāng)教師揭開謎底,學(xué)生了解真相和互感原理知識(shí)后,教師適時(shí)提出一系列的問題。

(1) 互感的條件是什么?怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明?這里有可選的實(shí)驗(yàn)器材：不同的信號(hào)源、燈泡、電流表、原副線圈等。

學(xué)生選取實(shí)驗(yàn)器材,分組探究實(shí)驗(yàn),很快得出正確的結(jié)論。

(2) 互感的強(qiáng)弱與那些因素有關(guān)?

對(duì)于聲音的互感實(shí)驗(yàn),還是讓學(xué)生去探究,當(dāng)原、副線圈靠得比較近時(shí),喇叭聲音強(qiáng),說明什么?學(xué)生回答：互感強(qiáng)。

當(dāng)兩者比較遠(yuǎn)時(shí),聲音弱,說明什么?學(xué)生回答：互感弱。

當(dāng)副線圈插入原線圈時(shí),喇叭傳出的聲音更強(qiáng),說明什么?學(xué)生回答：互感更強(qiáng)。

(3) 如何用“電磁感應(yīng)原理”從理論上分析互感現(xiàn)象?

有了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,理論分析也有了可靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ),學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)原理,教師適時(shí)引導(dǎo)不難得出結(jié)論：互感的強(qiáng)弱與兩線圈的擺放、遠(yuǎn)近有關(guān)。

(4) 互感的強(qiáng)弱除了跟兩線圈的遠(yuǎn)近有關(guān),還跟哪些因素有關(guān)?

教師拿出竹筷、塑料棒、鐵棒、磁棒等。同樣是學(xué)生探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生根據(jù)自己的猜想,然后用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證,學(xué)生讓副線圈插入原線圈,然后依次試插上述物體,體驗(yàn)互感的效果：有鐵芯時(shí)喇叭的聲音變大,說明互感強(qiáng)。通過分析并得出結(jié)論：互感的強(qiáng)弱還與有無鐵芯有關(guān),有鐵芯比沒有鐵芯的互感要強(qiáng)。

有效的問題引領(lǐng),使得學(xué)生的探究有方向,使得實(shí)驗(yàn)探究逐步深入,使得探究結(jié)果更加明了,使得學(xué)生充分體驗(yàn)探究過程，并樂在其中。這種有效問題的引領(lǐng)使得學(xué)生從被動(dòng)接受到積極主動(dòng)參與、思考,通過多問、多探提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)其觀察能力、理論分析能力。

2.4 一物多用,巧設(shè)“陷阱”,激發(fā)思維沖突,為引入新的概念做好鋪墊

比如消除互感應(yīng)用的引入與講解，對(duì)于剛才的兩線圈互感實(shí)驗(yàn),教師僅換了一個(gè)原線圈(這時(shí)的原線圈改為雙線繞法)，重做實(shí)驗(yàn),喇叭并沒有響起來。

師：這是為什么?

生1：喇叭壞了。

生2：線圈壞了、斷了。

師：怎么證明喇叭是否壞了?怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?

生：把手機(jī)直接與喇叭相連,看喇叭是否會(huì)響?

學(xué)生動(dòng)手操作,當(dāng)連接好后,能放出歌曲,說明喇叭完好。學(xué)生一致把矛頭指向線圈,認(rèn)為這個(gè)線圈是壞的。

師：如何判斷線圈是否斷了?怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?

學(xué)生經(jīng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)線圈也沒有壞。

師：那既然這個(gè)線圈完好的,為什么不能產(chǎn)生互感呢?

圖5

學(xué)生陷入深深的思考當(dāng)中,這樣學(xué)生就不會(huì)停留在現(xiàn)象的表面,當(dāng)學(xué)生迫切想知道答案時(shí),教學(xué)的最佳時(shí)機(jī)就到來了。教師再引導(dǎo)學(xué)生從電磁感應(yīng)的原理上分析,在連接喇叭的副線圈中要產(chǎn)生感應(yīng)電流,穿過這個(gè)副線圈的磁通量要發(fā)生變化,如果穿過線圈的磁通量沒有發(fā)生變化,則無感應(yīng)電流產(chǎn)生。與手機(jī)連接的原線圈中的電流是變化的,電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是變化的,副線圈插入原線圈中,穿過子線圈的磁通量怎么就沒有變化?這個(gè)原線圈的繞法有什么與眾不同?一石激起千層浪,學(xué)生的思維又一次空前活躍,教師適時(shí)展示雙線繞法的線圈及圖片(如圖5)，引導(dǎo)學(xué)生自己分析,繞法完全對(duì)稱,電流雖然是變化的,但是穿過自身的磁通量變化卻相互抵消,所以在原線圈中插入副線圈時(shí),通過副線圈中磁通量沒有變化,沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生,所以喇叭不響。

教師適時(shí)教會(huì)學(xué)生消除互感的方法。互感有用的我們要加以利用,有害的互感就要消除它,一般電阻的繞法采用的是雙線繞法,其主要目的就是消除互感帶來的弊端。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)把“雙線繞法”和“消除互感”兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)巧妙結(jié)合。教師引導(dǎo),結(jié)合趣味實(shí)驗(yàn),促使學(xué)生利用原有知識(shí)很快地完成知識(shí)的遷移,以培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和解決問題的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力,使學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，為提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)搭建平臺(tái)。

2.5 把同一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析、總結(jié),提升學(xué)生的思維能力

在互感實(shí)驗(yàn)中,教師拿出自制的用雙線繞制的線圈，請(qǐng)同學(xué)重做互感實(shí)驗(yàn),結(jié)果喇叭有非常微弱的聲音。這又是為什么?

學(xué)生很快從原理上找出原因：手工繞制的線圈不是完全的對(duì)稱,也就是磁通量的變化不能完全抵消，所以會(huì)有微弱的感應(yīng)電流產(chǎn)生。

分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、尋找影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素及實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因，是幫助學(xué)生加深理解實(shí)驗(yàn)原理,使得學(xué)生對(duì)新舊知識(shí)的聯(lián)系掌握更牢固,對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí),能從紛繁復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中抓住本質(zhì),從各個(gè)方面理解實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)分析得全面、透徹。

3 結(jié)語

在物理教學(xué)中，多做、巧做實(shí)驗(yàn),多設(shè)問,巧設(shè)陷,多發(fā)散,多評(píng)析，當(dāng)研究不僅僅局限于興趣而是與志趣相結(jié)合時(shí),學(xué)生的潛力是無限的,熱情也是巨大的。在不斷探索的過程中,在不知不覺中培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、質(zhì)疑能力,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力以及創(chuàng)新意識(shí)，提升了其核心素養(yǎng)。