讓物理學科核心素養之花在實驗中綻放

李娟 張曉 吳秀梅

本文以探究直流電動機的能量轉化為例，闡述在實驗中培養學生物理學科核心素養的具體做法。

一、充分分析，確定教學目標

初中教材介紹了直流電動機的原理、主要構造及能量轉化，讓學生親歷簡易直流電動機的組裝。指出直流電動機是將電能轉化為機械能的裝置。高中教材安培力、洛倫茲力的定量學習及功的概念加深學生對電能和其他形式能轉化本質的理解。反電動勢的引入幫助學生從宏觀和微觀理解電動機將電能轉化為機械能的本質。

高二學生已經知道：能量守恒定律、焦耳定律、磁場的基本性質、電磁感應等，能根據電路圖正確連接電路，會檢查與分析可能存在的簡單電路故障。能正確按照實驗步驟操作，會數據處理的一般方法，有一定的計算能力。學生思維活躍，但在遇到實際問題時有些同學不注意觀察、分析和推理，有時不能深入理解規律的適用條件，造成錯誤。

根據以上分析結合物理學科核心素養和課程標準制定本節課的教學目標。物理觀念：深入理解直流電動機的工作原理及工作過程中能量轉化。理解反電動勢在直流電動機中的作用[1]。科學思維與科學探究：會設計直流電動機能量轉化的實驗方案并對方案進行優化。能根據優化方案定量獲得直流電動機輸入的電能和輸出的機械能、電熱。會分析誤差來源。科學態度與責任：培養學生的創新精神、合作意識及嚴謹踏實的學習習慣，提高學習科學技術的興趣及用物理語言描述事實的表達能力。

本實驗的難點是電動機輸出機械能的測定，重點是直流電動機能量轉化實驗方案的設計與優化。

二、定性研究直流電動機的能量轉化

課前讓學生自己取材，制作簡易直流電動機。一是培養學生的動手能力，二是希望學生再次重溫直流電機的結構，了解其工作原理及能量轉化。課中讓簡易電動機轉動并讓學生觀察、觸摸，同時給學生提出開放性的問題：你觀察到什么？感受到什么？你能想到什么？以此來發散學生思維，重溫學生學習的有關電動機的知識。

演示實驗：觀察電動機轉與不轉時電流表示數的變化。引發學生思考：電動機將電能轉化為機械能的本質原因——是通過反電動勢將電能轉化為機械能[1]，得出電動機轉與不轉時兩種等效電路，電動機不轉時等效為純電阻電路，電動機轉動時等效為一個理想電動機和電阻的串聯。給學生原來記憶的知識提供理論支持，加深學生的理解。

三、理論探究------制定實驗方案并進行優化

經過定性分析學生已經認識到直流電動機將電能轉化為機械能和電熱，這些能量之間定量關系是什么？輸入的電能和產生的電熱容易計算，但輸出的機械能不能直接測得。在教學中先讓同學們自選器材，設計方案，再將方案展示給其他同學，其他同學提出質疑，本小組再進行優化和改進，使自己的理論方案簡單、可控、誤差小。此處一方面是鍛煉學生的表達能力，另一方面能在別人的質疑中梳理自己的思路，培養學生科學思維素養。

學生的設計方案如下：

方案1：如圖2所示。原理：能量守恒定律。電動機拉力的功等于電動機輸出的機械能。需要測拉力F、物體上升的位移h、對應這段位移的時間t。在問辯過程中學生發現此方案有以下不足：拉力不好測量，重物上升h對應的運動時間用秒表測量誤差大。

方案2：如圖3所示。優點：不需要平衡摩擦。力傳感器測量電動機中的拉力，記錄小車經過光電門位置的速度，可求出光電門位置的電動機的瞬時機械功率。不足：小車上的儀器不好固定，電壓表電流表瞬時值讀取誤差大，改用電流電壓傳感器又受數據線的影響。小車經過不同位置時電動機拉力的瞬時功率不同，用瞬時值測量誤差較大。

方案3：如圖4所示。用動能定理求一段時間內電動機輸出的機械能。將滑塊放在氣墊導軌上，利用電動機拉動。優點：電動機固定，不需要測拉力，運動時間可通過光電門讀出。不足是實驗室的氣墊導軌氣流不均勻導致滑塊受力復雜，在一段距離上電流電壓的值不穩定。

這三種方案原理可行，但實際操作中都有較大誤差。在這種情況下，引導學生繼續分析改進方案，不放棄。找出在實驗室條件下的最優化方案。同學們討論后發現改進方案1比較容易實現。

改進： 讓電動機緩慢轉動，帶動物體勻速上升，此時拉力等于物體的重力。

在豎直方向上不同的位置處安裝光電門，如果通過兩個光電們的時間近似相等，則可認為在兩個光電門的高度差內，重物做勻速直線運動。重物上升h對應運動時間t，可用光電門測量。經過改進方案1存在的誤差減小很多。多次改變滑動變阻器阻值，降低電動機轉速，實驗發現重物經過兩個光電門的時間差約為5ms，通過這段距離所用的時間為500ms，可近似認為電動機在豎直方向勻速運動。實驗方案確定之后，再引導學生梳理實驗器材及實驗步驟完成實驗。（如圖5 所示）

學生在教師的指導下，自覺、主動地和教師、教材、同學、教具相互作用，進行信息交流，形成了一種積極參與的學習氣氛，同時創造了一個思維活躍的環境。學生的思維在開放、發散中漲落，在求異、探索中又趨于有序。這又緊緊圍繞了伽利略的科學研究方法。

四、實驗探究，得出結論

從計算結果看UIt>E+Q，這與之前定性結論不符，此時讓學生觀察自己的直流簡易電動機思考誤差的來源。同學們意識到通電線圈產生磁場，磁場能會有損失，電動機轉動過程中轉軸和支架之間摩擦產生熱能散失在空氣中。這些能量以目前所學的知識無法通過實驗定量測量。

經過一系列思考，學生深刻理解了直流電動機的能量轉化。在實驗課上以落實學生的實際獲得為核心，多種方式培養學生核心素養。提高學生研究其他未知科學問題的興趣，增強解決困難的信心和勇氣。