重視實驗價值發展核心素養

葉春 張嵐

摘要：物理實驗在物理課堂教學中有著重要的價值，教師通過深入研究并充分挖掘物理實驗的價值，能激發學生學習的熱情，幫助學生形成正確的物理觀念，培養學生的科學思維，提高科學探究的能力。

關鍵詞：物理實驗;物理概念;科學思維;科學探究

中圖分類號：G647.38文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）22-052-2

高中物理新課標中明確指出，物理學是一門以實驗為基礎的學科，是基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證形成體系的一門學科。物理實驗是物理教學的重要組成部分，在學生的培養中有著獨特的魅力和價值。那么如何挖掘物理實驗的價值，助力學生核心素養的培養，本文以“磁感應強度”的教學為例，從以下幾點進行了探索。

一、創新引入實驗，豐富學生的感性認識，激發學生學習熱情

師：展示形狀大小不同的三塊磁鐵和一個2kg的鉛球，讓學生猜想哪個磁鐵磁性最強，并請學生上臺演示。

生：很多學生會先嘗試最大的蹄形磁鐵和稍小的條形磁鐵去吸引鉛球，發現都無法吸起來，最后意外發現利用最小的釹鐵硼磁鋼吸引起了鉛球。

設計意圖：現代認知心理學認為，興趣是產生動力的重要條件，是推動學習的一種內部強勁的動力。學生頭腦中存在很多錯誤的概念，會認為磁性的強弱與磁鐵的大小有關，通過經歷與日常經驗相背的實驗，能調動學生的好奇心，激發求知欲，迅速將學生的思維聚焦到所要研究的問題中來。

二、分層演示實驗，突出教學重點，幫助學生理解物理概念

類比電場的研究，引導學生理解磁場的性質可以通過磁場對外的作用來進行研究。那么如何研究磁場的方向呢？教師提示引入小磁針，并進行演示實驗。

第一層某一個點放一枚小磁針，標識靜止后小磁針N級的指向，得到該點的磁場方向。

第二層多個點各放置小磁針，標識靜止后N級的指向，得到近似一條線上的各點的磁場方向。

第三層撤去原先條形磁鐵下方的白紙，白紙下面是一個排列著小磁針的有機玻璃盒，如圖所示，用以描述條形磁鐵同一個面上的磁場方向。

第四層動畫模擬展示條形磁鐵的磁場空間分布情況。

設計意圖：演示實驗的設計遵循從簡單到復雜的研究方式，首先最簡單的一個點，到一條線，再到一個面，最后上升到空間，理解磁場的空間存在性和方向性，幫助學生形成場的觀念。課堂教學中，物理實驗可以為學生理解抽象的物理概念，提供感性材料，通過鋪設臺階，創設良好的演示實驗的學習環境，可以有效的突出重點，突破難點。

三、注重探究性實驗的設計，培養科學思維

描述磁場強弱的物理量磁感應強度的定義可以類比電場強度的定義來進行，這是本節課的重點，也是難點。可以通過任務驅動的方式，來組織學生學習。

任務一：電流元的定義

師：在電場中我們引入了試探電荷研究了電場強度，為了研究磁場中的受力情況，在磁場中應該引入小磁針來作為試探還是引入小段電流來進行試探？兩位同學為一小組，互相討論并說說選擇的原因。

生：互相討論，提出一些想法。

師：引導學生選擇小段電流進行探究，并取名電流元。師生一起歸納原因：一是不存在磁單極子，小磁針某一極受力難確定;二是小磁針本身屬性很難量化，相反小段電流屬性很明確，即電流大小和導線的長度。

任務二：實驗方案的設計

師：要定義磁感應強度，那么首先應該選擇怎樣的磁場來研究比較好？為什么？

生：通過教師的引導，研究問題應該從簡單到復雜，從特殊到一般的方法進行。同學通過分析總結得出，先研究最簡單的勻強磁場，并且可以分析勻強磁場中的一段導線的受力情況，雖然得出的是一條線上的結論，但是由于勻強，處處相同，可以看作是各點疊加以后的結果。

師：電流的大小可以通過改變電壓實現，那么勻強磁場范圍有限，導線的長度如何改變呢？

生：通過改變線圈的匝數來改變磁場中導線的長度。

師：線圈電流的受力我們怎么測量？

生：在教師引導下，得出可以類比電流表的指針偏轉來進行，也可以根據力的作用是相互的原理，轉換測量對象，研究磁場的受力來進行。

教師展示裝置：

1.用磁性很強的環形磁鐵，兩面包裹鐵皮的方式制成長約15cm、厚約1cm的板形磁鐵，并用長約20cm，寬約10cm的木料制作骨架

2.用直徑0.5mm的漆包線繞制成200匝左右的多抽頭線圈（在50匝、100匝、150匝、200匝處抽頭）

3.鐵架臺固定線圈，電源、電流表、滑動變阻器、導線和電鍵構成簡單串聯電路

4.實驗裝置如圖：通過測量通電后電子天平上磁鐵的受力變化，來研究線圈受的磁場力作用

設計意圖：根據建構主義理論，概念教學要通過順應，同化進而進行意義建構。許多實驗設計構思巧妙，思想方法獨特。學生通過實驗原理的分析，靈活的選擇器材，經歷實驗設計的過程，可以讓學生更好的理解，培養學生的科學思維方法。

四、經歷實驗探究過程，學會數據分析歸納，培養學生科學探究能力

在完成實驗設計后，接下來學生要一起完成設計表格，記錄數據，并對數據進行歸納和論證。由于導線受力與導線長度、電流大小以及電流方向和磁場的方向的夾角都有關系，應當采用控制變量的思想。首先確定電流和磁場垂直，接下來設計表格。

師：現在我們要探究導線受力和電流大小、導線長度的關系，應該保持哪些物理量不變？改變哪些物理量呢？

生：保持電流不變，改變線圈的匝數，從而改變導線的長度，接著保持匝數不變，改變電流的大小，電流的大小可以通過滑動變阻器的調節來實現。

師：那么接下來我們怎么設計表格呢？

教師和學生合作設計表格，并完成實驗數據的收集。

師：首先來研究I不變的時候，F與L的關系。請同學們分析數據，思考如何找規律？

生：教師引導下，利用圖像法分析，可以得到，在誤差允許范圍內，F∝L。

師：接下來研究L不變的時候，F與I的關系。

生：同理可得結論：誤差允許范圍內，F∝I。

師：那么F與I、L兩者存在怎樣的關系呢？

師：啟發學生綜合分析，得出結論F∝IL，即F/IL是一個定值。思考同一個磁場比值是定值，那么不同的磁場比值會怎樣呢？

師生合作進一步實驗，在原來磁鐵處再加兩塊磁鐵，磁場增強，發現比值仍是定值，不過比原來的大了。通過這一實驗，可以歸納得出，F/IL是可以用來描述磁場強弱的物理量。

師：類比電場，比較電場強度的定義和磁感應強度的定義的聯系和區別，并思考如果非勻強磁場，這個定義式成立嗎？

生：都是利用引入試探的研究對象進行比值定義的方式得到的，如果非勻強磁場，只要導線長度足夠短，研究的位置還是可以當做勻強處理，所以仍舊成立。

設計意圖：蘇霍姆林斯基說過，“人的內心里有一種根深蒂固的需求——總想感覺到自己是發現者、探究者。”注重讓學生經歷數據收集處理過程，從現象和實驗中歸納科學規律，是物理教學的重要環節。通過使用圖像法和比值法等數學方法，能形成學生初步的數據分析概括的能力，提高學生科學探究的能力。

綜上所述，著眼于激發學生興趣的引入實驗、著眼于觀察分析與推理能力的演示實驗、著眼于探究意識和探究能力的探究實驗，通過創新實驗方法，挖掘實驗價值，引領學生體驗透過現象發現本質的科學思維過程，從中學到科學方法，提高思維品質，發展科學素養。

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[3]王超良.強化實驗意識提高探究能力——"磁感應強度"的教學設計[J].教學儀器與實驗，2013，29（1）：11-14.

（作者單位：浙江省慈溪中學，浙江慈溪315300）