指向核心素養的初中物理創新實驗研究

方一穎　叢小涵　肖瑩瑩　鄭淵方

摘? ?要：文章通過自制教具“電磁演示儀”，進行創新實驗探究，以核心素養作為指向標，幫助學生建立電和磁之間相互轉換的聯系，提高學生科學實踐探究與創新能力。

關鍵詞：自制教具；物理核心素養；電生磁；磁生電

2022年版《義務教育課程標準》強調了義務教育物理課程是一門“以實驗為基礎”的自然科學課程，強化課程綜合性和實踐性[ 1 ]。在物理課程中，實驗研究是體現物理課程實踐性的教學內容之一。在初中物理的學習過程中，中學生精力充沛，但接觸物理時間不長，科學方法和抽象思維還沒有形成。基于學生的思維發展階段特點，教師可以通過一些有趣的實驗設計，讓學生觀察到不易察覺的實驗現象，有效地培養學生基于實驗現象去探尋規律的科學探究能力。同時引導學生在進行合理的理論推理的過程中，發現物理現象和規律之間的區別和聯系，以達到深化物理規律的理解和應用這一目的。所以筆者決定利用身邊常見物品，以自制教具“電磁演示儀”為例，闡述如何通過實驗探究來提升學生的思維品質，促進學生物理學科核心素養的發展。

1? 物理創新實驗的內涵和意義

劉炳升和馮容士在《中學物理實驗教學與自制教具》中指出“物理實驗”是在受控的條件下，物理研究者使用相關的實驗儀器、設備等，重現物理現象進行有目的地觀測研究的方法[ 2 ]。物理創新實驗里所認為的“創新”，不同于科學家、藝術家的創新，而是指對作為獨立個體的中學生施以系統的教育影響，使其在這一教育過程中發現新知識、認識新思想、掌握新方法，發揮自身潛能、利用所學新事物構造全面知識體系，最終達到提高相應能力這一目的，為培養學生的創新素質奠定良好基礎。中學物理創新實驗并不僅僅是在學校教育中引入一些類似“小設計、小發明、小制作”等具體學科性質的競賽活動，而是應開展科技創新實踐活動，在課堂教學中對常規實驗進行創造性改進。即教師應根據教學設計和學生特點來制作不同教具，以達到培養學生創新能力這一效果。

中學生物理創新實驗的實施，幫助學生在實驗操作過程中解決問題，歸納總結物理規律，并在實驗過程中針對實驗現象進行質疑創新，不但使學生獲得了豐富的感性認識，同時創新實驗的引入也將枯燥無趣的教學活動變成吸引學生注意力的趣味探究過程，奠定了學生的主體地位。而物理創新實驗的最終目的是發散學生的思維和培養學生的動手實踐能力，從而培養學生的創新欲望，豐富學生的創新熱情，提高學生的科學創新能力。

2? 物理創新實驗教具設計制作與創新之處

2.1 電磁演示儀的制作過程以及實物圖

電磁秋千部分利用木板、漆包線制作出一個簡易秋千模型，掛上一根長約40 cm粗漆包線當做秋千繩，與秋千木板相連接，并制作一個電磁線圈，下面放下磁性較強的圓形汝鐵硼磁鐵，而磁生電部分要通過不斷試錯挑選合適的靈敏電流計和強磁鐵；之后進行教具電路原理圖設計（如圖1所示），連接電路，制作好電磁演示儀（如圖2所示）。

2.2 電磁演示儀在實驗中的創新之處

（1）可以進行磁生電、電生磁、磁生電電生磁組合回路三個演示實驗的展示，既可以分別演示電生磁、磁生電的現象，方便學生橫向對比；又可以將兩部分合二為一，幫助學生建立電和磁之間相互轉化的關系；

（2）分別以靈敏電流計的示數和電磁秋千的搖擺來實現磁生電現象和電生磁現象可視化；

（3）本教具外觀美觀大方，現象有一定的趣味性，能夠吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣。

3? 創設創新實驗落實物理核心素養

在課堂教學中，學生利用電磁演示儀進行創新實驗研究。將實驗裝置組裝好，分別閉合電生磁、磁生電、磁生電電生磁組合回路的開關，為學生展示相對應現象（如圖3所示），在教授物理知識的同時，不但要讓學生親歷探究，理解物理規律的形成和發展過程，而且還要挖掘隱藏在知識背后的科學思維，科學態度與責任，適時滲透，讓學生加強對科學本質的理解。

3.1? 通過創新實驗，凝練學生的物理觀念

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等內容的總體認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[ 1 ] 4。在初中階段，教師的主要任務是引導學生在實驗探究中獲取知識點，從實驗過程的多個角度去認識相關物理知識體系，并同化成自身知識體系，從而逐漸升華凝練成物理觀念，而物理觀念形成這一過程也為高中系統性知識的學習做好全面的鋪墊。

在“電與磁”章節中主要是培養學生相互作用觀念。在電磁演示儀中，學生通過閉合開關S1時，電磁秋千開始搖擺，初步感受到磁場這一看不見摸不著的物質；斷開開關S1，電磁秋千立即停止搖擺，學生思考并猜想電和磁之間的關系，進而得到通電導線周圍存在磁場這一物理規律，說明了“各種自然現象之間應該存在著相互聯系”。“磁生電”實驗的成果，即閉合開關S3，改變磁鐵在線圈中的運動方向，靈敏電流計有明顯變化，充分說明了電、磁現象的統一性，同時也強化了電和磁相互作用的物理觀念。

3.2? 通過創新實驗，培養學生的科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創造性見解的品格與能力[ 1 ] 4。初中學生處于從形象思維向抽象思維轉化的過程，而物理是一門實驗科學，基于學生所處階段的思維特點以及物理學科的性質，初中教學的目標之一是為了促進學生在了解實驗現象中如何去歸納總結相應的物理概念和物理規律；如何在實驗和觀察的基礎上獲取更多的數據與結論所要培養的發散性多角度的思考能力。

在磁場對通電導線的作用這一規律探尋過程中，由于磁極間存在相互作用，而這個作用是通過磁場發生的，學生在操作電磁演示儀中“電生磁”部分已經證實通電直導線周圍也存在著磁場，所以磁場應該對通電直導線具有力的作用，學生在一定的事實基礎上，通過實驗的證據形成清晰的思維鏈條，發現物理規律，培養學生的論證能力。

在磁生電需要的條件相關實驗探究中，學生小組合作操作2013年人教版初中物理教科書電生磁實驗時，得到“閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中就產生了電流”這一規律，繼而觀察現象提出質疑：當導體不動，回路也能產生電流嗎？需要什么條件才能產生電流？讓學生利用電磁演示儀來進行實驗探究，只閉合開關S3，通過線圈匝數、更換磁性不同的磁鐵、改變磁鐵在線圈中運動方向等實驗操作，學生通過實驗現象得到當線圈靜止時，磁鐵上下運動也在切割磁感線運動，回路中產生了電流。讓學生在已有電生磁知識點的基礎上，對電磁關系重新認識、掌握，促使學生形成嚴謹的思維習慣，拓寬了學生思維的深度。

3.3? 通過創新實驗，學生親歷科學探究

科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力[ 1 ] 5。物理是一門“以實驗為基礎”的自然科學課程，同時也是形象思維向抽象思維轉化的重要途徑，科學探究無疑是初中階段學生所要倍加重視的素養內容。學生在實驗探究中，親身體驗，親自參與，在實驗過程中發現問題，小組討論交流解決問題。在這一學習過程中，學生的問題解決能力得到有效提高，同時交流合作技巧和科學素養的形成也得到相應加強。

（1）提出猜想。基于普通秋千需要人力才能搖擺這一自然現象，思考電磁秋千搖擺的原因，提出問題：電磁秋千的力是如何產生的？形成猜想為可能是同名磁極相互排斥產生的。

（2）驗證猜想。閉合開關S1，電磁秋千不斷搖擺，在觀察這一結構中，學生結合工作原理（如圖4所示）分析電流方向：電源正極—電刷—擺桿—線圈—支架—電源負極，此時通電線圈產生磁性。利用安培定則來分析線圈的極性（如圖5所示），線圈和下面的磁鐵由于同名磁極相互排斥，擺桿就會被推向一邊。保持電刷的位置不動，因擺桿移動了，電路也就斷開了，線圈中沒有了電流，失去了磁性，也就不再排斥電磁線圈下面的電磁鐵，于是擺桿在重力的作用下回到原先的平衡位置。

（3）排除故障。閉合開關S1，電磁秋千不工作，小組討論分析原因：①從電路連接分析：檢查電路是否接通、漆包線上的絕緣漆是否刮干凈、鱷魚夾是否與導線接觸良好，檢查完畢，觀察秋千運動情況；②從工作原理分析：交換電源的電極。因為通過線圈的電流方向相反，線圈磁極方向也隨之改變，它就會與磁鐵異性相吸，擺桿保持不動。

（4）得出結論。①通電導體周圍有力的作用；②通電線圈和磁鐵同性相斥促使秋千不斷擺動。

4? 總結

電磁演示儀對于學生學習電與磁相關知識大有裨益，它不僅讓學生鞏固電生磁和磁生電之間的關系，還將兩者緊密聯系，電和磁之間相互轉換這一規律深入人心，實驗的器材來自生活，增強學生學習興趣，興趣可以給學生以持續的動力去學習物理，從而達到“知行合一”，同時在使用過程中結合核心素養來教學，親歷實驗進行探究，深化學生對規律的認識，提高學生的問題解決能力，形成相應的物理觀念，逐漸培養學生良好的科學思維品質，凸顯物理學科的育人功能。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2022：1.

［2］ 劉炳升，馮容士.中學物理實驗教學與自制教具[M].上海：上海教育出版社，2000：9-12.