創新電磁學實驗 培養學生核心素養

李航

摘? ? 要：培養學生物理學科核心素養是高中物理課程的重點目標，設計符合學生認知特點的實驗教學，可以幫助學生知其然，更知其所以然。文章介紹了高中物理電磁學的三個創新實驗，結合《普通高中物理課程標準（2017 年版 2020 年修訂）》，論述了物理教學中如何開發運用創新物理實驗，培養學生核心素養。

關鍵詞：電磁學實驗;創新實驗;核心素養

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）5-0046-4

物理學作為實驗科學，是培養學生物理學科核心素養的重要途徑，教師可依據放大法、替代法和轉換法對高中物理電磁學實驗進行創新開發，給予實驗合理的情境，激發學生學習興趣，培養學生核心素養。

1? ? 物理電磁學教學中遇到的問題

1.1? ? 研究對象抽象

高中物理一部分電磁學知識的學習具有抽象性的特點，磁場、電場和其相互作用的理解要求有較高的空間想象能力，若沒有合適的實驗情境作為載體，不利于學生對物理概念與規律的理解。

1.2? ? 實驗現象不明顯

教材有些實驗缺乏直觀性，如課本中有關洛倫茲力的實驗不易觀察液體的旋轉和有氯氣產生的安全性問題，其中最重要的是沒有完善對洛倫茲力的控制變量法的研究，學生只知道最后結論，但對于為什么會這樣理解不透。

1.3? ? 實驗缺少定量探究

教材實驗受儀器限制很多只能得出定性結論，如安培力實驗在直導線通電后會受到安培力作用，然后會擺動一個角度，以此來定性判斷安培力的大小和方向，然后直接得出結論，過程中不能定量證明，學生無法得出嚴謹的物理規律。

2? ? 利用創新實驗培養學生核心素養的策略

2.1? ? 利用放大法設計實驗，培養科學思維

學生物理概念與規律的形成，都依托于合理的情境。一方面，好的實驗情境可以引導學生了解物理學歷史，學習科學家們的創新精神;另一方面，恰當的實驗情境能讓學生在問題活動中經歷模型建構、收集證據、推理分析、總結結論的科學過程，培養學生的科學思維能力[1-2]。

一些物理實驗現象分析有困難，可通過放大法直接呈現實驗現象，增強實驗的可信度，以如下實驗為例進行分析。

在“洛倫茲力”的教學中常用的是陰極射線管的實驗（圖1），將磁鐵的S極和N極分別靠近電子束，通過觀察電子束的偏轉情況，找出電子束偏轉與磁場之間的關系，進而理論分析得出規律。但在教學中發現，學生對于洛倫茲力、磁場與電子移動速度的矢量關系與大小關系的理解還是不清晰，分析過程有困難，特別是難以建構洛倫茲力與帶電粒子速度方向垂直的情境。

已知洛倫茲力對通電液體有作用，筆者依據旋轉液體的實驗設計了如下的實驗情境（圖2、圖3），利用身邊常見的生活材料準確放大實驗現象，設置一系列問題，讓學生思維層層推進，進而順利理解洛倫茲力。

問題1：靜置在管道中的液體為什么會“自己動”？

這個問題在于激發學生的學習興趣，讓學生思考“水為什么會聽老師命令流動”，為引出洛倫茲力做鋪墊。

問題2：已知實驗儀器中電解液與電極板的位置，那電解液中的離子的運動情況如何？

此問題是通過回顧電場對帶電離子作用的知識，讓學生討論后知道帶電離子運動平移速度v可由外接電源控制，為后面控制變量思維的引出做鋪墊。

問題3：把磁鐵放置在電解液上，為什么液體會沿著管道流動？

引導學生從動力學角度分析，知道液體的運動是因為受到力的作用，而且這個力需要在有磁場的情境下才會產生，初步建立洛倫茲力概念。

問題4：我們知道液體的流動與洛倫茲力有關，那么洛倫茲力與哪些因素有關？如何操作儀器驗證猜想？

引導學生猜想，并結合控制變量的思想讓學生親自操作實驗，經歷模型建構、收集證據、推理分析、總結結論的科學過程，總結出左手定則與洛倫茲力的公式F=Bqv。

通過管道中溶液的定向流動讓微觀離子所受的洛倫茲力被觀察到，用光影放大流動現象，讓學生更好地樹立相互作用的物理觀念;硫酸鈉溶液本身與反應生成物都無毒無害，相比高壓電子槍更安全，且儀器制作簡單，材料耐用，更加符合培養學生科學、安全、可持續發展的責任態度;利用數字化電表來形象定性判斷物理量的變化，更有利于學生在問題中收集實驗證據;最后可利用表格記錄數據進行科學推理，建構洛倫茲力的物理模型。

2.2? ? 利用替代法改進實驗，提升科學探究能力

科學探究是物理學科核心素養中四個方面之一，通過改進的實驗情境，讓學生經歷探究的過程，在問題、證據、解釋等環節讓學生有所感悟，提升學生的探究能力[1]。

替代法是指在物理實驗中用一個物體替換另一個物體，進而量化實驗數據，使得實驗現象與數據更具說服力，接下來以一案例進行說明。

在“安培力”實驗中，教材所用的儀器如圖4所示，學生在實驗后對安培力的影響因素的定性理解是較為容易的，但無法經歷嚴謹的探究過程。筆者通過定量探究的實驗改進，讓學生在思考問題中獲取和處理數據，得出安培力的方向與大小規律，促進學生深度學習。

改進1：用多匝線圈代替教材中的通電金屬棒，正方形線圈單邊長為L，則線圈受力邊的有效長度為nL，可以控制通電導線長度。在電子秤上放置線圈用以定量測量安培力，產生磁場的磁鐵放置在轉盤上（圖5），設置電路可改變線圈中的電流（圖6），從而獲得定量的數據。實驗過程可由學生代表來操作，并與全班互動共同完成實驗。B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F

改進2：由DIS傳感器替代電子秤，用霍爾元件測量磁感應強度B，進而簡化實驗，得到安培力與B、L、I、θ的關系，即F=ILBsinθ。

本實驗利用多匝線圈的疊加原理改變通電導線的有效長度，激發學生的創新思維;利用電子秤巧妙、精準地測量變化的安培力，利用變阻器調節電流大小，關鍵物理量的定量獲取能幫助學生建構更加準確的物理模型，形成正確的相互作用觀念;數字化電表與Excel圖像直觀反映物理規律，或者將傳感器測量的物理量傳至電腦終端處理數據，讓學生對獲取和處理信息并基于證據得出結論的過程記憶深刻;自制儀器架方便搬運，隨走隨用，讓學生體會科學與工業生產的融合，激勵學生發明創造[3]。

2.3? ? 利用轉換法優化實驗，樹立科學態度與責任

科學態度與責任在物理教學中是培養學生認識科學、技術、社會、環境之間關系的重要方面，隨著科學技術的不斷進步，人們在生產生活中對數字產品的使用越來越多，而在教育教學中數字化教學設備也得到了廣泛應用，利用數字化實驗儀器讓學生理解電磁感應定律的同時關注學生在數字時代背景下的發展[1]。

利用轉換法開發實驗，關鍵在于把原本難以測量的量轉化為易被測量的物理量，進而提升實驗效果，下面以一案例進行分析。

在“法拉第電磁感應定律”的教學中，筆者對人教版高中物理教材選擇性必修二中的實驗進行了優化（圖7），磁鐵下落過程中在每個線圈都會感應出電動勢，電動勢大小由Arduino與LabVIEW處理并顯示，但每個線圈所產生的感應電動勢各有不同[4]。

問題1：磁鐵下落過程中為什么會有感應電動勢信號？

引導學生了解磁鐵的磁場空間分布（圖8），讓學生知道磁通量變化是產生感應電動勢的原因。

問題2：已知磁鐵下落越快線圈所產生的感應電動勢就越大，那么磁鐵下落高度與磁通量變化率有什么關系？

引導學生結合自由落體運動規律得到■∝v∝■的關系，從而巧妙地將磁通量變化率轉換為下落高度，實現了用容易測量的量替代了難測的量，訓練學生的轉換思維。

問題3：已知磁通量定義Φ=BS，結合線圈的結構（圖8），我們如何在實驗過程中控制線圈的有效面積？

引導學生建立磁場與等分環形線圈的立體模型，體會對稱性思想的巧妙之處。

問題4：一塊磁鐵周圍產生的磁場為B，那么多塊相同的磁鐵在空間產生的磁場發生了什么變化？

通過問題4讓學生體會倍增思想的應用，同時要引導學生認識到現實中沒有完全相同的磁鐵，磁鐵疊放位置的差異也會讓空間磁場不嚴格倍增，從而導致實驗誤差，讓學生對實驗誤差保持嚴謹的態度。

問題5：利用儀器如何探究感應電動勢與線圈匝數的關系？

引導學生依據前面的實驗問題，自主設計實驗，小組完成實驗后分享結論。

利用數字化硬件與軟件對法拉第電磁感應定律進行了全面、定量且快速的分析，讓學生認識到現今物理科學與軟件技術的融合，培養科學精神;利用自由落體運動速度變化規律為學生自主設計出實驗探究步驟提供了情境載體;實驗儀器結構緊湊，方便攜帶，比傳統實驗更易讀數，讓學生感悟到科學技術的魅力，特別是數字化信息技術讓科技生活變得方便高效。

3? ? 反思提高

核心素養的培養是建立在科學的物理情境基礎上的，物理課堂基于觀察與實驗，進行模型建構，利用數形結合的數學知識，通過科學推理與論證，從而形成嚴謹、系統的學科理論。而創新實驗是物理學科發展的基石，物理教學中開發創新實驗，實施好課堂教學，既能保持學生的好奇心，又能落實核心素養的培養，讓他們樹立創新意識。因此，廣大物理教師要不斷學習，積極創新，用一個個創新實驗點燃學生學習物理的煙火。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]任振穎，張東林.基于物理學科核心素養的實驗教學實踐研究——點燃思維的星星之火[J].物理教學探討，2021，39（6）：11-15.

[3]顧建元.基于核心素養的情境化實驗教學[J].物理之友，2021，37（10）：37-39.

[4]胡博.利用Arduino和傳感器驗證法拉第電磁感應定律[J].物理教學探討，2019，37（11）：46-48.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F