初中物理實驗器材改進中的可視可控化研究

摘 要 初中物理實驗教學中，改進實驗普遍存在改進方向選擇的問題。本文研究了初中物理實驗器材改進的“可視化”方向，以直流電動機換向器模型為例，闡述了改進實驗器材對學生理解電動機工作原理和電流方向變化的重要性。該模型采用LED燈帶、光耦模塊和主控單片機等組件，動態指示電流方向，簡化了教學過程，提升了課堂效率。

關鍵詞 初中物理；可視化；實驗裝置；創新改進

中圖分類號 G633.7 文獻標識碼 A 文章編號 2095-5995（2024）12-0046-03

根據《義務教育物理課程標準（2022）版》的要求，第二板塊“運動和相互作用”第四部分電和磁，需要了解“直流電動機的工作原理”。[1]學生在學習這一知識時，常常面臨電流方向隨換向器轉動而變化的現象，這一過程由于其“不可視”和“不可控”的特性，使得學生難以直觀理解。尤其是在講解電流在不同位置時的方向變化時，學生往往無法迅速把握動態導體在磁場中受力方向的轉變，進而產生畏難情緒，影響學習效果。為了解決上述問題，開發和制作“可視可控”的物理實驗器材顯得尤為重要。以直流電動機換向器模型的制作為例，我們可以通過可視化的裝置，讓學生直觀地觀察到電流方向的變化。這種“可視助理解，可控促探究”的教學思路，不僅能夠幫助學生更清晰地理解電流變化的過程，還能降低教師教學的難度，提高課堂的教學效率。通過這種方式，學生能夠在實踐中探索物理現象，增強對知識的理解和應用能力，從而培養他們的創新思維和實踐能力。[2]

一、直流電動機換向器演示裝置的原理和制作方法

（一）使用方法及原理

直流電動機換向器演示裝置的設計旨在通過可視化的方式幫助學生理解電動機的工作原理及電流方向的變化。該裝置使用明緯S350可調電源，將220V交流電轉換為所需的直流電，供給LED燈帶（WS2812控制芯片）和電動機線圈。當電動機線圈通電時，電流在電動機線圈中流動，產生磁場，并在兩側永磁體的作用下使線圈開始轉動。在此過程中，LED燈帶的作用是通過光耦模塊探測電流方向，并將信息傳遞給主控單片機（STC15W4K58S4）。主控單片機根據接收到的電流方向信息控制LED燈帶的閃爍，形成動態的電流方向指示。當電動機線圈轉動時，換向器也隨之轉動，導致線圈中的電流方向發生變化。底座內的槽型光電傳感器通過裝在下方軸心上的半圓擋片，實時傳遞換向器位置變化的信息給主控單片機，從而改變LED燈帶的閃爍方向，直觀地顯示線圈中電流方向的變化。

（二）制作材料用具及選用說明

機架和底座：選用黑色電木板，機架尺寸為450 mm×300 mm，底座尺寸為300 mm×200 mm×100 mm，確保結構穩固且美觀。

電動機線圈軸心：采用直徑15 mm、長度500 mm的鋁合金金屬棒，具有良好的強度和耐腐蝕性。

換向器：使用圓柱電木、透明硅膠和銅片。圓柱電木的直徑和高度均為80 mm，銅片分為換向器銅半環和電刷，尺寸與圓柱電木相匹配。

顯示電流跑馬燈：選用長度為1000 mm、包含140個燈珠的RGB全彩LED燈帶，控制芯片為WS2812，采用單總線控制，便于連接和控制。

光耦模塊：使用兩片光耦模塊，用于探測電流方向，確保信號傳遞的準確性。

跑馬燈總控芯片：選用國產STC15W4K58S4單片機，負責控制LED燈帶的顯示，具有良好的兼容性和穩定性。

槽型光電傳感器：與換向器同向安裝，用于精確探測換向器的轉動位置，確保信號的及時反饋。

電動機線圈：使用直徑0.7mm、長度450米的漆包銅線纏繞成線圈，圈數為400圈，總電阻為18Ω，確保電動機的正常工作。

可調電源：采購明緯S350可調電源，調流調壓范圍為0～95 V，滿足不同實驗需求。

（三）制作方法步驟

1.直流電動機線圈制作

首先，將黑色電木按設計尺寸切割，上半部分用強力膠制成方框，下半部分制成木盒。方框作為電動機支架，通過螺母固定在木盒上，木盒則作為底座。小方框內凹線槽用于線圈支架，鋁合金金屬棒貫穿小方框和換向器，作為電動機的軸心。將漆包銅線纏繞在小方框的線槽內，線圈的兩端分別連接到換向器的銅片。方框的左右內側固定卡座，用于固定永磁體的N極和S極，外側安裝銅柱以連接電源。電流流過的路徑上粘貼RGB全彩LED燈帶，以便于觀察電流方向的變化（見圖1）。

2.直流電動機換向器制作

在圓柱體電木上粘貼透明硅膠，并嵌入RGB全彩LED燈帶的燈珠。根據燈珠的位置在銅片上打孔，將銅片分為兩段粘貼在硅膠上，確保銅片與燈珠對應。在方框頂部合適位置用螺絲固定兩個絕緣柱，安裝銅片作為電刷，電刷的松緊可通過螺母調節，以確保良好的接觸。

3.直流電動機模型演示輔助器材安裝

下半部分的木盒不僅作為底座，還用于安裝控制和傳感器設備，使模型整體外觀更為簡潔。光耦模塊、STC15W4K58S4單片機和槽型光電傳感器均布置在木盒內，確保電路的整潔和安全。

二、制作過程碰到的難點以及改進方法

（一）電動機線圈匝數確定

首次纏繞線圈200圈，需調高電壓到至24V，線圈才能轉動，但線圈發熱現象明顯，溫度短時間可達900C。改進后，選擇纏繞線圈400圈，上述難點突破，問題排除，電壓只需10V左右線圈就可低速轉動，同時達成也“可控促理解”的教學目標。

（二）電磁相互影響

安裝上跑馬燈led燈帶試機的時候，線圈不通電，跑馬燈能正常顯示方向，但線圈通電時，跑馬燈會無規則閃動，無法顯示方向，且單片機STC15W4K58S4頻繁錯誤重啟。經過檢查后初步判斷為電磁干擾，后檢測到跑馬燈在未接入電源時，只要線圈轉動時，跑馬燈內部線路兩端有電壓，驗證判斷正確。為消除電磁干擾，做出以下改進：（1）對跑馬燈的PCB基板進行敷銅處理，以形成電磁屏蔽；（2）在槽型光電傳感器和光耦模塊中加裝隔離電路；（3）將跑馬燈的電源與控制芯片進行隔離；（4）對導線和線圈進行屏蔽處理。經過改進后，跑馬燈就能正常工作。

（三）實驗裝置質量大

為了實現“可視化”效果，該實驗裝置的體積和質量較大，給實驗的移動和操作帶來了不便。在后期的改進中，我們增加了可移動底座，使電動機模型的移動更加方便和安全。總電源也可內置到底座，使結構一體化（見圖2）。

（四）換向器跑馬燈的安裝

模型早期制作中，換向器并未安裝跑馬燈以顯示電流方向，無法有效突破“換向器改變電流方向”的教學難點。后期改進中，首先在換向器的軸心粘貼透明硅膠，硅膠質地松軟，能夠鑲嵌入跑馬燈。隨后，在換向器的兩片銅片上對應位置打孔，覆蓋在硅膠和跑馬燈上，使燈珠露出，跑馬燈的閃爍就可以顯現出來，電流方向得以顯示。

（五）跑馬燈的亮度“可控”

早期模型中，跑馬燈的亮度過于強烈，長時間注視會導致學生眼睛不適。在后期改進中，我們增加了跑馬燈帶三檔亮度調節按鈕，并配有提示音。可在環境光線亮時調高跑馬燈帶亮度，環境光線暗時增加跑馬燈亮度，使學生更易于觀察實驗。

三、直流電動機換向器演示裝置的應用與效果

（一）教學過程

1.直觀地觀察電動機的內部結構

教師首先通過提問引導學生思考電動車的工作原理，激發他們的好奇心。接著，教師介紹直流電動機的內部構造，重點講解永磁體和線圈的作用。當電動機線圈通電時，產生的磁場在永磁體的作用下使線圈轉動。教師啟動演示裝置，并根據教室的環境情況調整亮度和轉速，以便學生能夠更清晰地觀察到電動機的運行狀態。學生活動中，教師鼓勵學生搶答電動機內部的元件，增強他們的參與感和主動性。

2.基于具象分析線圈受力情況

在這一環節，教師提出問題：“線圈為什么會轉起來呢？”學生通過觀察和思考，回答“因為受到了力的作用”。教師進一步引導學生分析線圈中ab段和cd段受到的力的大小是否相同。通過觀察磁場方向和電流方向，學生能夠得出ab段和cd段的電流方向相反，磁場方向相同，因此受到的力的方向正好相反，從而使線圈轉動。這一過程不僅幫助學生理解了力的作用，還培養了他們的分析能力。

3.突破難點“換向器改變電流方向”

教師提出問題：“為什么同學們自己做的電動機只能轉半圈，之后就逐漸停下來了？”學生回答是因為線圈中的ab段和cd段受到的力的方向始終不變。教師引導學生觀察演示裝置，討論換向器的作用。通過觀察，學生發現換向器能夠改變ab段和cd段的電流方向，從而改變受力方向。教師鼓勵學生用自己的語言描述換向器的工作原理，進一步鞏固他們的理解。

（二）制作“電動機+X”組合式科技小發明

在理解了電動機的基本原理后，教師引導學生進行“電動機+X”組合式科技小發明的活動。如教師提出問題：“電動機為我們的生活提供了便利，我們可以利用‘電動機和X’組合，比如‘電動機+扇葉’可以做成電風扇。”學生們積極參與，設計出各種創意點子，并討論其創新點和解決的問題。

（三）教學應用效果

在電動機的教學中，換向器的理解一直是一個難點。傳統的教學方法如實物展臺展示、動畫展示和視頻演示等，雖然能夠傳達一定的信息，但往往無法讓學生直觀地理解電流的方向。我們設計的“直流電動機換向器演示裝置”通過跑馬燈顏色的變化（藍色表示電流方向向下，紅色表示電流方向向上）有效地解決了這一問題。學生可以通過觀察跑馬燈的顏色變化，直觀地看到電流在電動機線圈中的流向，從而更好地理解換向器的工作原理。

在教學過程中，我們還在換向器和線圈的連接處安裝了顯示電流的跑馬燈。這一改進使得學生在觀察電動機運行時，能夠實時看到電流的變化，進一步增強了他們對換向器功能的理解。只要線圈轉到靠近磁場S極的一側，其線圈中的電流始終是從上往下流動的，因此線圈的受力方向總是相同的，電動機便能夠持續運動。這種可視化的教學方式不僅提高了學生的學習興趣，也使得復雜的物理概念變得更加易于理解。

（程宏亮，深圳市光明區教育科學研究院，廣東 深圳 518107；馮麗燕 何其聰，南方科技大學附屬光明鳳凰學校，廣東 深圳 518103）

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（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022：18.

[2] 熊華，李建鋒，盧天宇.逆向-可視化教學法：一種促進理解的物理教學方法[J].中學物理，2022（16）：34-37.

責任編輯：劉 源

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基金項目：廣東省教育研究院立項課題“關于初中物理思維可視化教學方法的案例研究”（編號：GDJY-2014-A-b291）。