基于物理學科核心素養的初中生活化實驗案例研究
——以無支架電動機為例

朱新梅 孫玉玲 軒銘浩 吳金花

（揚州大學物理科學與技術學院，江蘇揚州 225002）

引 言

隨著時代的快速發展，社會對人才的綜合素質提出了新要求。初中生正處于形象思維向抽象思維過渡的階段，對物理現象非常好奇。生活化實驗教學可以充分調動學生物理學習的主觀能動性。教師在實驗教學過程滲透相應的物理學知識，能使學生進一步理解日常生活中常見現象背后所蘊含的物理知識，讓學生體會理論聯系實際的重要性，增強學生的實踐動手能力、科學探究能力及科學思維能力。

電與磁的關系是初中物理教學中一個非常重要的內容，有許多文獻都討論了電動機在初中電磁學教學中的應用[1]。但是，從培養學生物理學科核心素養的角度來探討如何利用自制的無支架電動機進行生活化實驗的研究的相關文獻還比較少。本文借助對無支架電動機的不同轉動情況的生活化實驗，初步探討了如何在初中物理教學中培養學生的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的核心素養。

一、生活化實驗概述及應用價值

生活化實驗是讓學生在熟悉的生活情境中自己動手操作完成有趣的物理學實驗，在實驗過程中潛移默化地提升動手操作能力，培養實踐創新精神。有學者指出，生活化實驗具有深度可研究性、低成本可獲得性、教學靈活性的鮮明特征。借用“借物用物”“自組物件”“自制改進”“創造發明”等進階式途徑，利用生活中的物品進行物理實驗，能讓生活化實驗真正走進日常課堂。

如何讓學生的生活經驗成為物理課程的組成部分，讓學生將嚴謹的物理知識與日常生活的直覺經驗聯系起來，讓書本物理轉化為生活物理，讓學生從生活到物理再到生活，創造一種人性化的教學環境，讓初中物理教學生活化、情境化，成為眾多教育界人士和相關學者深入研究的課題。生活化實驗是利用生活中常見的物品進行的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性特點的物理實驗教學活動[2]。有學者認為，在生活化實驗的要求下，初中物理實驗應用的器材應盡可能選自日常生活，從學生熟悉的生活場景中尋找促進實驗順利開展的物品，將相對抽象的物理問題以熟悉的物品進行直觀展現。如此，學生才能從認知、情感上更認可這樣的教學方法，提高實驗的參與度。生活化物理實驗為系統研究基于生活環境資源來開展的物理實驗教學開辟了一個窗口，也為以新視角審視物理實驗的教育價值提供了新的路徑。

借助生活化實驗探究活動來培養學生的物理學科核心素養是一項很有意義的實踐活動，有助于加強學生對物理觀念的理解，培養學生的科學思維能力，提高學生觀察、分析、操作等科學探究能力，從而使學生形成正確的科學態度與責任[3]。

二、基于物理學科核心素養的生活化實驗教學案例

現代化生活中有很多家電。電風扇、洗衣機等都離不開電動機，然而電動機的工作原理是什么呢？電風扇葉片的轉速為什么能調節快慢呢？接下來，就從無支架電動機的生活化實驗開始對電動機工作原理的探究之旅吧。

實驗儀器：2節1.5V電池，10節紐扣磁鐵，銅導線（如圖1）。

圖1

實驗步驟：（1）把銅導線彎曲成不同形狀，如圖2所示。（2）把磁鐵盤吸在電池的負極，如圖3所示。（3）把不同形狀的銅線的一部分放置于電池的正極，另一部分與電源負極的磁鐵良好接觸。觀察到的實驗現象為：不同形狀的銅線都會轉動，但是不同形狀的線圈轉的快慢不一樣；有兩條邊的銅線圈比一條邊的銅線圈轉得更快，如圖4所示。

圖2

圖3

圖4

因為一條邊的銅導線轉動的穩定性不太容易控制，所以下面的探究實驗都采用兩條邊的銅線圈。

【探究1】線圈為什么能轉動？

實驗發現，線圈的兩端必須與電池的正極和下面的磁鐵接觸良好，另外必須有磁鐵。如果線圈的上端脫離了電池的正極，或者下端沒有接觸與電池負極相連的磁鐵，線圈就不會轉動。這是為什么呢？在電路教學中，學生都知道導線是不允許與電池正負極直接相連的，但是實驗所采用的銅線還是有一定阻值的，所以短暫時間的連接是可以的。另外，教師可以讓學生摸一摸轉動后的線圈，學生會發現線圈有一點發燙。線圈發燙是電流熱效應的反映，這充分說明了當線圈的兩端與電池的正極和下面的磁鐵接觸良好時線圈里通了電。教師要引導學生思考電路要形成通路的條件，讓學生加深對電路各元件接觸良好是形成電路通路的必要條件的理解，否則，線圈里就沒有電流，線圈就不會轉動。這樣的實驗探究環節可以讓學生形象直觀地認識到磁場對電流產生作用力的條件，幫助學生加深對通電導線在磁場中受到磁場力這一物理觀念的理解。另外，教師還可以引導學生從能量和相互作用的角度來理解通電線圈在磁場中轉動的本質是電池的電能轉化為線圈的動能。

最新修訂的《普通高中物理課程標準（2017年版）》將物理觀念作為課程的重要目標之一。物理觀念是根植于人們的頭腦中的，即使遺忘了物理知識，但相應的物理觀念仍能長存于學生的頭腦中，并影響他們對世界的看法、行為和解決問題的方式。所以，在初中物理教學中，教師要重視物理知識的學習到形成物理觀念的引導，利用生活化實驗探究幫助學生通過多方位實踐和參與來形成物理觀念。

【探究2】用同樣是兩條邊的線圈，怎樣讓線圈轉得更快些？

實驗發現，用兩節電池時轉得更快，如圖5所示。這就說明了電流越大，線圈所受的磁場力越大。當電池節數相同時，磁鐵越多轉得越快，如圖6所示。這就說明了磁場越強，線圈所受的磁場力越大。通過這兩組實驗探究，學生可以直觀地理解線圈所受的磁場力大小與電流大小和磁場強弱是正相關的。這樣的探究有助于學生將來進一步學習通電導線在磁場中所受磁場力的定量關系，可以很好地實現從初中物理定性或者半定量的研究到高中物理定量研究的有機銜接。這些實驗探究方式有助于學生科學思維的培養和科學探究能力的提高。

圖5

圖6

【探究3】怎樣讓線圈反轉？

教師可以讓學生將磁鐵上下極交換，如圖7所示；也可以將電池正負極交換，如圖8所示。這一組探究活動說明線圈所受的磁場力是有方向的，并且磁場力的方向與電流的流向和磁場的方向都有關系。當磁場不變時，改變電流的方向可以改變線圈所受磁場力的方向，這不僅很好地解釋了初中物理教材上演示的有支架的直流電動機為什么要安裝電刷，還可以采用控制變量的方法演示磁場力的方向不僅與電流方向有關，還與磁場的方向有關。這兩組實驗探究充分說明了磁場對通電導線的作用力是有方向的，有利于學生更好地理解“力的方向是力的三要素之一”這一知識點，幫助學生形象直觀地理解力的方向對物體運動狀態的影響，從而強化學生對力和運動的物理觀念的理解。

圖7

圖8

上述探究實驗活動可以總結出磁場力的相關因素：要有磁鐵激發磁場；要有電源且導線要通電；磁場越強或者電流越大，磁場力越大；磁場力的方向和磁場方向與電流流向有關。

在完成上述探究活動后，結合初中物理教材中直流電動機的工作原理，教師可以幫助學生更深刻地理解直流電動機模型的主要部件的功能，從而更熟練地完成直流電動機模型的安裝。結合上述無支架電動機的探究，學生可以清楚地理解，在直流電動機模型中，當磁場固定時，線圈轉動的快慢與電流大小正相關；當磁場方向不變而電流方向改變時，線圈轉動方向改變。所以，直流電動機中為了保證線圈能夠一直沿單一方向持續旋轉，需要安裝換向器來改變線圈中的電流方向。

另外，教師還可以拓展教學內容，告訴學生生活中常見的電動機一般都是交流電動機，可以不用換向器，而直接利用交流電的特點，保證線圈在磁場中的電流方向會隨時根據線圈的相應位置而發生改變。結合生活中常用電器的電動機，教師可以提問學生：“電風扇葉片的轉速是怎么來調節的？”然后，教師可以引導學生結合剛才探究實驗中線圈轉速變化的動態調節情況進行猜想：電風扇中磁鐵是固定的，磁場大小和方向也不能改變，所以可以改變風扇轉軸所連線圈的電流大小。教師還可以進一步啟發學生思考：怎樣改變電流大小呢？是類似于實驗中增加電池節數嗎？顯然不是，風扇所連接的電壓是恒定的，這在家庭電路中已經學過了。在電壓恒定的情況下怎么調節電流呢？學生自然就會想到歐姆定律中電流和電壓的關系，通過改變電風扇中跟線圈相連的電路中的電阻來改變線圈中的電流，從而改變線圈所受的電磁力的大小，這樣就可以調節轉軸的轉速，達到調節電風扇葉片轉速的目的。借助無支架電動機的實驗探究，可以直接過渡到直流電動機模型的課堂教學內容，再拓展到生活中常見家用電器的電動機的使用，從而更好地培養學生理論聯系實際的科學態度。

通過簡易無支架電動機的探究實驗和電風扇轉速調節的討論，不僅能讓學生通過溫故知新掌握融會貫通的學習方法，還可以訓練學生掌握由現象到本質的科學思維方式，培養學生思維品質。另外，還可以激發學生對實際生活中電動機的結構和工作特點的好奇，進一步引導他們去了解生活中電動機的工作原理、電動機的研發歷史、不同電器中電動機的運行參數等，從而踐行從生活走向物理、從物理走向社會的教學理念，達到培養學生科學探究精神的目的。

結 語

電和磁的關系是初中物理一個很重要的內容。由于電和磁的理論內容比較抽象，初中物理對磁場作用于通電導線的作用力的大小和方向的相關因素不做過多的定量研究。但是一切電和磁關系背后的本質都可以歸結到力的作用，所以教師可以利用生活化實驗探究的方法，將電和磁的力學本質豐富多彩地展現出來，讓學生在變化多端的實驗操作中，潛移默化地掌握電和磁的本質，讓學生順其自然地窺探到實驗現象背后所隱藏的物理觀念。類似這樣的生活化實驗探究活動，不僅可以激發學生強烈的學習欲望，增強學生的學習主動性，還可以培養學生主動進行科學探索的精神和動態的科學思維能力，讓他們今后碰到類似的問題時懂得從不同的角度去分析和比較。生活化實驗探究可以作為培養初中生核心素養和有效銜接初高中物理教學的重要途徑。筆者希望本文介紹的基于核心素養的無支架電動機生活化實驗的案例設計，能給廣大教師提供一些借鑒，讓教師在初中物理教學中重視對學生物理學科核心素養的培養，并將其運用到教學實踐中，尤其在實驗課上培養學生勇于探究的科學精神、理論聯系實際的科學態度，為學生的后續發展和終身學習打好必要的基礎。