優(yōu)化改進(jìn)物理實驗 提升科學(xué)探究能力

［摘 要］“科學(xué)探究”是基于觀察和實驗提出物理問題、進(jìn)行猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。如何在實驗探究中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力是一個重要課題。文章以“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實驗為例，分析實驗探究中發(fā)現(xiàn)的問題，并提出實驗探究的改進(jìn)措施，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

［關(guān)鍵詞］科學(xué)探究能力；改進(jìn)；實驗探究；感應(yīng)電流

［中圖分類號］" " G633.7" " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）17-0048-03

“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”是人教版（2019年版）高中物理選擇性必修第二冊第二章第1節(jié)“楞次定律”中較為抽象、難以理解的實驗 ，一直以來都是“楞次定律”新課教學(xué)的難點。為了突破教學(xué)難點，增強實驗探究效果，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，筆者根據(jù)新修訂的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，在了解實驗探究思路的基礎(chǔ)上，分析實驗探究中發(fā)現(xiàn)的問題，并提出實驗的改進(jìn)措施，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過程，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

一 、實驗探究思路

對于“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實驗，教材首先安排學(xué)生根據(jù)“條形磁鐵的N極或S極插入、抽出閉合線圈，導(dǎo)致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流”初步猜想感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化之間的關(guān)系。為驗證猜想，要求學(xué)生利用如圖1所示的實驗裝置進(jìn)行實驗探究，并在紙上畫出實驗草圖，根據(jù)實驗結(jié)果，記錄如圖2所示的磁極運動的四種情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿過線圈的磁通量增大時，若磁場方向不同，則感應(yīng)電流的方向并不相同（如圖2甲、乙）；當(dāng)穿過線圈的磁通量減小時，感應(yīng)電流的方向也不同（如圖2丙、丁），從而得出感應(yīng)電流的方向與磁通量變化并無直接關(guān)系。于是轉(zhuǎn)換角度，聯(lián)想到磁體周圍存在磁場，感應(yīng)電流也會產(chǎn)生磁場，便再次提出猜想：感應(yīng)電流磁場的磁通量與磁體磁場的磁通量有關(guān)系。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，磁通量的變化可以用磁場的變化來體現(xiàn)，即感應(yīng)電流的方向與磁場的方向有關(guān)，最后得出應(yīng)該選擇磁體的磁場和感應(yīng)電流的磁場這兩個物理量進(jìn)行分析。于是探究得出如表1、表2所示的實驗結(jié)果，并根據(jù)實驗結(jié)果歸納出結(jié)論：當(dāng)穿過線圈的磁通量增大時，感應(yīng)電流的磁場與磁體的磁場方向相反，阻礙磁通量增加；當(dāng)穿過線圈的磁通量減小時，感應(yīng)電流的磁場與磁體的磁場方向相同，阻礙磁通量減小，進(jìn)而總結(jié)出楞次定律。

學(xué)生首先根據(jù)觀察到的物理現(xiàn)象提出可探究的問題，并提出初步猜想，再作出有依據(jù)的假設(shè)，相互討論制定實驗探究方案，使用基本的器材進(jìn)行實驗探究，獲得實驗結(jié)果，然后分析實驗結(jié)果，用學(xué)過的物理術(shù)語、圖表等交流實驗探究過程，發(fā)現(xiàn)規(guī)律并總結(jié)出楞次定律。

二、實驗探究中發(fā)現(xiàn)的問題

此次實驗探究按照“原磁場方向→原磁場（磁通量）的變化→感應(yīng)電流方向（包含識別線圈繞向及電表指針偏轉(zhuǎn)方向）→感應(yīng)電流的磁場方向（中間量）”這一思路來引導(dǎo)學(xué)生探究楞次定律。在實驗教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的實驗探究效果不盡如人意，究其原因，一是該實驗探究過程需要理解、記憶、推理的東西較多，而且較抽象，致使學(xué)生不知如何進(jìn)行實驗探究、怎樣確認(rèn)感應(yīng)電流的方向，影響了實驗探究的效率和成功率；二是在實驗探究過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗器材、實驗操作等方面存在一些問題，這些問題影響了實驗探究效果。具體問題如下：

（一）感應(yīng)電流流向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系不清楚

在實驗探究方案中，一開始就讓學(xué)生畫出如圖3所示的實驗裝置簡圖，然后讓學(xué)生根據(jù)如圖2所示的磁極運動四種情況，分別標(biāo)出線圈中感應(yīng)電流的方向。然而，感應(yīng)電流看不見摸不著，雖然可用電流表來觀察，但是學(xué)生不清楚電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與線圈中感應(yīng)電流方向的關(guān)系。原實驗探究方案并未明確總結(jié)出解決方法，這給實驗探究增加了難度。對此，教師可以將其作為問題拋給學(xué)生，讓他們思考、討論，以培養(yǎng)他們的解決問題能力。

（二）實際使用的螺旋管線圈繞向不易觀察

由學(xué)生畫的實驗裝置簡圖可以看出導(dǎo)線的繞向，然而實驗中實際使用的是如圖4所示的線圈，該線圈是立體的、匝數(shù)又多又密，盡管單獨標(biāo)記了導(dǎo)線繞向，還是有很多學(xué)生分不清楚線圈的繞向，而且把兩個接線柱都放到了頂部，哪個接線柱接哪端導(dǎo)線也不夠直觀，使得一些學(xué)生很難準(zhǔn)確畫出感應(yīng)電流的流向，影響了探究實驗的成功率。

（三）磁鐵插入和抽出線圈的操作不精準(zhǔn)

磁感線是閉合曲線，磁鐵外部的磁感線從N極指向S極，內(nèi)部從S極指向N極。當(dāng)磁鐵N極由線圈上方一定高度接近線圈時，穿過線圈的磁感線向下，磁通量增加；而當(dāng)磁鐵N極繼續(xù)插入線圈內(nèi)（如圖5），由于既有磁鐵內(nèi)部向下的磁感線穿過線圈，又有磁鐵外部向上的磁感線穿過線圈，因此學(xué)生質(zhì)疑磁鐵插入線圈的過程磁通量不一定增大，反之將磁鐵拔出線圈的過程磁通量也不一定就減少。

三、實驗改進(jìn)措施

針對上述實驗探究中發(fā)現(xiàn)的問題，師生間、生生間展開了交流討論，最終提出了具體的解決措施。通過下面一系列改進(jìn)和完善，使實驗探究得以順利進(jìn)行，同時提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（一） 增加“感應(yīng)電流流向與電流計指針偏轉(zhuǎn)方向關(guān)系”的探究環(huán)節(jié)

在正式進(jìn)行實驗探究前，先進(jìn)行“感應(yīng)電流流向與電流計指針偏轉(zhuǎn)方向關(guān)系”的探究，即利用如圖6所示的電路圖和結(jié)合表3，探究感應(yīng)電流流向與電流計指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，為下一步根據(jù)電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷感應(yīng)電流的方向做好準(zhǔn)備。

（二）改進(jìn)實驗器材，讓線圈的繞向變得直觀可視

把如圖4所示的線圈上端的黑色接線柱移到線圈底部，然后在兩個接線柱之間纏繞幾圈有顏色的導(dǎo)線（如圖7），以此來表示線圈的繞向，這樣學(xué)生便能直觀地看出導(dǎo)線繞向和電流流向，大幅度降低學(xué)生根據(jù)磁極運動畫線圈中感應(yīng)電流方向的難度。這個線圈接線柱的小改進(jìn)彰顯了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，大大提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（三）將磁鐵插入和抽出線圈改為移近和遠(yuǎn)離線圈

為了避免對磁鐵在線圈內(nèi)運動時磁通量是增加還是減少產(chǎn)生困惑，有學(xué)生提出實驗操作時將條形磁鐵插入和抽出線圈改為移近和遠(yuǎn)離線圈，即條形磁鐵只在線圈上方迅速移動，不插入線圈內(nèi)，這樣就很容易判斷出穿過線圈的磁通量是增加還是減少了，同時讓磁通量的變化成為準(zhǔn)確表述的物理量，從而形成正確的科學(xué)探究結(jié)論。這一改進(jìn)體現(xiàn)了學(xué)生對科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。

（四）設(shè)計簡單明了的實驗方案

為了降低實驗探究的難度，讓學(xué)生很好地體驗科學(xué)探究過程，體會科學(xué)探究的快樂，本著“實驗器材、實驗原理、實驗過程及實驗現(xiàn)象越簡單越好”的原則，筆者與學(xué)生共同探討是否可以選用“楞次環(huán)”來進(jìn)行該探究實驗。“楞次環(huán)”如圖8所示，A是閉合鋁環(huán)，B是不閉合鋁環(huán)，橫梁可以繞中間的支點轉(zhuǎn)動。實驗時，用條形磁鐵的任意一極移近、遠(yuǎn)離A環(huán)，觀察A環(huán)的運動情況，并思考鋁環(huán)為什么會被磁鐵排斥和吸引。通過探究，歸納總結(jié)出如表4所示的實驗現(xiàn)象與結(jié)論。

通過教學(xué)對比發(fā)現(xiàn)，相較于教材中的實驗探究方案，用“楞次環(huán)”進(jìn)行實驗探究的優(yōu)勢在于：實驗儀器簡單、操作不復(fù)雜、成功率高、實驗現(xiàn)象直觀。學(xué)生觀察表4中第二列的實驗現(xiàn)象和第三列的磁通量變化，再通過獨立思考和小組討論得出鋁環(huán)在磁鐵作用下運動的原因——鋁環(huán)中的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場和磁鐵的磁場發(fā)生了相互作用。因此，可以根據(jù)“同極相斥、異極相吸”的原理，先判斷出感應(yīng)電流的磁場方向，然后再由右手定則判斷出感應(yīng)電流的方向，由此得出表4中第四列和第五列的規(guī)律。顯然，學(xué)生通過實驗探究結(jié)果很容易總結(jié)出“感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙原磁通量的變化”這一核心規(guī)律，同時也能形成判斷感應(yīng)電流方向的思路：先找出容易判斷的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向，再由右手定則判斷感應(yīng)電流的方向。這樣省去了確定導(dǎo)線繞向、電流計指針偏向等煩瑣冗長的過程，體現(xiàn)了實驗探究的可操作性和直觀性，大幅度提高了實驗探究的效率。

四、反思與總結(jié)

如何讓科學(xué)探究落到實處并讓學(xué)生的科學(xué)探究能力得到提升，是每一個物理教師應(yīng)當(dāng)思考的問題。教師應(yīng)充分挖掘教材資源，對教材資源進(jìn)行合理、優(yōu)化處理，做到既源于教材又不拘泥于教材。誠然，按照教材“原磁場方向→原磁場（磁通量）變化→感應(yīng)電流方向→感應(yīng)電流的磁場方向”這一思路進(jìn)行實驗探究更能揭示電磁感應(yīng)的本質(zhì)與內(nèi)涵；而利用“楞次環(huán)”，按照“原磁場方向→原磁場（磁通量）變化→感應(yīng)電流的磁場方向→感應(yīng)電流方向”這一思路進(jìn)行實驗探究看似有些本末倒置，但通過結(jié)果反推原因、由現(xiàn)象反究其本質(zhì)也是一種常用的物理研究方法，也能得出正確的探究結(jié)論。從教學(xué)本質(zhì)來講，教學(xué)的目的在于使抽象知識具體化、煩瑣知識簡單化。因此，在科學(xué)探究實踐中，教師可以根據(jù)學(xué)生的探究情況完善和調(diào)整探究方案，讓學(xué)生真正經(jīng)歷和體驗科學(xué)探究環(huán)節(jié)，切實提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書" "物理" "選擇性必修" "第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]" 馮杰.高中物理探究實驗及案例教學(xué)設(shè)計[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[3]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯 黃春香）