基于實驗創新 重構課堂教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

高中物理課程標準要求物理教師在教學中通過多樣化的教學方式，積極利用現代信息技術，引導學生直觀、嚴謹、自然地理解物理學的規律與知識[1]。教師在教學中應該力求能做全定量實驗不做半定量實驗，能做半定量實驗不做定性實驗，能做定性實驗不直接灌輸。這就要求一線教師既要善于利用傳統實驗器材與生活中常見工具進行物理實驗教學，也應該積極學習利用新技術、新材料、新設備開發設計創新實驗，彌補教材配套實驗的不足，設計真實、嚴謹、有效的實驗探究，提升課堂實效。

1 重構緣起

1.1 教材實驗的缺失

法拉第電磁感應定律是高中物理電磁學模塊的核心內容之一，但是教材中并沒有提供定量的實驗探究方案，只有“做一做\"的簡單定性實驗。并且，在既沒有定量實驗也沒有嚴格理論推導的情況下，直接給出了法拉第電磁感應定律的表達式 。這種通過簡單定性實驗就給出嚴格結論的方式，缺乏事實證據和科學推導，不利于培養學生嚴謹的科學態度與提升學科核心素養。

文章編號：1003-6148（2025）7-0060-6

1.2 已有實驗的不足

朗威DISLab系統提供了兩套實驗裝置，法拉第電磁感應實驗器 1（LW_-Q812） 和法拉第電磁感應實驗器2（LW-Q828）。前者驗證感應電動勢和速度的關系E∞u，此方式屬于間接驗證E△S后者驗證感應電動勢和磁感應強度變化率的關 ，此裝置需要配合智能電源使用以獲得線性變化的磁場，不具有一般性。此外，朗威這套裝置也只能夠實現半定量實驗，即得到 E∝ 關系，并不能嚴謹地得到全定量的E=n 關系。

一線教師也開發了許多實驗方案，與朗威提供的裝置類似，可以分為兩類。第一類為“變壓器法”[2-3]，通過智能電源或信號發生器使“原線圈”中產生均勻變化的磁場，進而使“副線圈\"中產生恒定的感應電動勢，從而驗證 ；第二類為“落磁法”，即利用磁鐵在重力作用下沿著管道或者軌道下滑[4]。測量感應電動勢與相對運動速度之間的關系，驗證 E∝v 的關系。“落磁法\"這類實驗方式有個共性問題沒有說明，即如果是通過比較磁鐵穿過線圈時的峰值電動勢與速度的關系，就需要明確峰值電動勢對應的是哪個時刻或哪個位置，與所測量的速度是否能夠對應。同樣，這兩類實驗方案也都只能實現半定量實驗，得 關系，而不能得到全定量 的關系。

1.3 測量工具的制約

高中階段之所以鮮有全定量的法拉第電磁感應定律實驗，主要是因為測量工具的制約。全定量探究電磁感應定律需要測量的物理量包括：感應電動勢、磁感應強度、線圈有效面積以及其變化率等。市面上缺少能夠直接測量磁感應強度變化率和面積變化率的裝置，也沒有能夠直接測量磁通量和磁通量變化率的裝置，這些測量工具的缺失制約著一線教師進行全定量的法拉第電磁感應定律探究實驗。為全面探究感應電動勢大小的影響因素，需要開發新的測量工具與測量方法解決磁感應強度變化率、線圈面積變化率以及磁通量變化率的測量難題。

2 突破方法

2.1 自制創新實驗裝置

基于ESP32與多傳感器融合技術，設計制作創新實驗教具—法拉第電磁感應定律全定量探究演示儀，創新實驗教具結構如圖1所示，實物圖如圖2所示。所有的測量數據通過微處理器ESP32模塊處理，處理結果由ESP32通過藍牙傳輸給手機端Phyphox軟件實時顯示。能夠實現從“感生”“動生\"到“一般”情況的法拉第電磁感應定律的定量探究。裝置具體模塊功能與創新點如表1所示。

圖1裝置結構示意圖

（1.水平底座；2.豎直支架；3.亥姆霍茲線圈；4.傳動軸；5.線圈固定架；6.矩形線圈；7.導電滑環；8.軸承；9.聯軸器；10.角度傳感器固定支架；11.角度傳感器；12.ADC模塊；13.微處理器；14.霍爾傳感器）

圖2裝置實物圖

表1部件功能及創新點

2.2 巧測數據變化率

霍爾傳感器與角度傳感器的使用，解決了磁感應強度與面積的測量問題，但是不能直接解決磁感應強度變化率與面積變化率的測量難題。本文使用的解決方法是，以平均值逼近瞬時值。以磁感應強度變化率為例，利用傳感器的高速測量特性，先連續測量三組數據 （B₁，t₁）（B₂，t₂）（B₃，t₃） 利用微處理器計算 ，由于 t₃-t₁ 非常小（控制在毫秒級），因此可以用 的值表示t時刻的瞬時值。同理，借助角度傳感器可以測量計算出某時刻的線圈有效面積變化率以及線圈磁通量變化率。由此，利用多傳感器融合微處理器，可以實現同時測量出某時刻的感應電動勢、磁感應強度變化率、線圈面積變化率，解決了“落磁法\"的峰值對應難題。

3 重構教學

3.1 優化教學流程

基于創新實驗教具，對“法拉第電磁感應定律\"教學流程進行重構。具體聚焦三項探究活動展開，即探究感應電動勢與磁感應強度的關系、探究感應電動勢與線圈有效面積的關系、探究感應電動勢與磁通量的關系?；顒釉O計流程如圖3所示。

圖3探究活動設計流程

圖4 E-t 圖與 B-t 圖

3.2 突破關鍵環節

探究活動一：探究感應電動勢與磁感應強度的關系。

利用自制創新實驗教具進行實驗，保持線圈的匝數和有效面積不變，改變亥姆霍茲線圈中的輸人電流，從而改變磁感應強度。Phyphox端輸出感應電動勢 E 隨時間 χ_t 的圖像，以及磁感應強度 B 隨時間 χ_t 的圖像，如圖4所示，引導學生觀察圖像。

師：從圖像中你能得到什么結論？

生：電動勢 E 與磁感應強度 B 沒有直接的線性關系，但是可以定性地看出磁感應強度 B 變化越快的時刻電動勢越大。

師：既然可以大致看出磁感應強度變化越快電動勢越大，那如何表示磁感應強度變化快慢呢？（可以引導學生回憶加速度的概念與定義）

生;可以定義磁感應強度的變化率 ，變化率越大磁感應強度變化越快。并且，當 Δt 取值很小的時候，就可以描述某時刻磁感應強度變化的快慢了。

圖像，思考 圖像的斜率和哪些因素有關，并進行深人探究，得到全定量關系。

師：這套裝置可以通過編程計算出 χ_t 時刻的磁感應強度的變化率 如何演示感應電動勢E 與磁感應強度的變化率 的關系？

生：可以同時繪制出 E-t 圖 圖，通過比較兩幅圖的走勢是否相同，來驗證是否有 E∝ 關系。還可以繪制 圖，通過觀察圖像是否有正比例關系，來驗證是否存在 關系。

利用自制實驗裝置，通過Phyphox同時輸出E-t 圖 圖以及 圖，如圖5所示。從圖中可以明顯地看到電動勢E隨B 成正比關系。至此，通過初步實驗探究，得到了電動勢與磁感應強度的半定量關系。緊接著，引導學生觀察

師：請同學們猜測E-4 圖像的斜率和哪些因素有關系？怎么驗證？

生：可能和線圈匝數、線圈有效面積有關。改變匝數 n 和線圈有效面積 s ，多次實驗，尋找斜率 K 與 n 和 s 的關系。

通過對圖像進行線性擬合得到圖像斜率 K 。改變匝數 n 和線圈有效面積 s ，多次實驗并記錄數據，如表2所示。在誤差允許的范圍內，E-△B圖像斜率 K=nS ，由此可以得到 的結論，完成對電動勢與磁感應強度關系的全定量探究。利用自制創新實驗教具，引導學生對復雜實驗進行分步驟拆分驗證，通過從定性到半定量再到全定量的實驗探究，有利于培養學生的科學探究能力與尚實求真的科學態度。

表2線圈匝數 n 有效面積 s 與 圖像斜率 K 的關系

探究活動二：探究感應電動勢與線圈有效面積的關系。

保持亥姆霍茲線圈的輸入電流不變，即磁感應強度不變，轉動線圈改變線圈的有效面積，測量出感應電動勢 E 隨時間 χ_t 變化的 E-t 圖像，以及線圈有效面積 s 隨時間 χ_t 變化的 S-t 圖像，如圖6所示，引導學生觀察圖像。有了“探究活動一\"的經驗，學生能夠快速找到實驗規律，并且能夠想到接下來的實驗探究方法與流程。通過 E-t 圖與 S-t 圖可以定性地看出有效面積 s 變化越快的時刻電動勢越大。通過 E-t 圖 圖和 圖（圖7），可以得到 的半定量關系。對圖像進行線性擬合得到圖像斜率 K ，并改變匝數 n 和磁感應強度 B ，多次實驗，記錄數據如表3所示，可以得到E=nB△S的 的全定量結論。利用自制創新實驗教具，可以引導學生直接探究感應電動勢與線圈面積的關系，而不用間接探究感應電動勢與切割速度的關系，有利于提高學生對知識的深度理解。

圖6 ?_E-t 圖與 S-t 圖

圖7 E-t 圖 圖， 圖

表3線圈匝數 n 、磁感應強度 B 與 圖像

斜率 K 的關系

探究活動三：探究感應電動勢與磁通量的關系。

師：前面我們通過控制變量法探究了感應電動勢大小和磁感應強度以及線圈有效面積的關系。接下來，我們探究一般情況下感應電動勢和磁通量的關系，請問：磁通量如何測量？磁通量的變化快慢又如何測量？

生：磁通量 ?=BS ，可以先測量磁感應強度 B 和線圈有效面積 s ，通過計算得到磁通量 ? ；可以定義磁通量的變化率 當 Δ 取值很小時，就可以描述某時刻磁感應強度變化快慢了。

改變磁感應強度的同時，轉動線圈改變磁通量進行實驗，師生通過實驗獲得的實驗數據圖像如圖8、圖9所示。

圖8 E-t 圖與 ?_-t 圖

圖9 E-t 圖 圖， 圖

教師：同理，我們先觀察 E-t 圖和 ?_-t 圖，再觀察 E-t 圖 圖和 圖。從這些圖像中你能得到什么規律？

生：電動勢 E 與磁通量 ? 無直接線性關系，電動勢E與線圈磁通量變化率 成正比。

師：E-4 圖像的斜率可能和什么有關？怎么驗證？

生：和線圈的匝數有關，改變匝數多次實驗尋找斜率 K 與匝數 n 的關系。

實驗結果如表4所示，相對百分比誤差在2% 以內，由此可以全定量驗證 。利用創新實驗教具，學生可以全定量探究一般情況下感應電動勢和磁通量之間的關系，學生經歷由特殊情況到一般情況的探究過程，培養了學生的科學探究能力和嚴謹細致的科學精神。

表4線圈匝數n與E-4 圖像斜率 K 的關系

4結語

本文基于實驗創新，實現了對法拉第電磁感應定律的全定量實驗探究，彌補了傳統的法拉第電磁感應定律教學中定量實驗缺失的不足。利用自制創新實驗教具，引導學生對復雜實驗進行分步驟拆分驗證，經歷由特殊情況到一般情況、從定性到半定量再到全定量的探究過程，有利于培養學生的科學探究能力與尚實求真的科學態度。嘗試由實驗創新重構課堂教學，為教學提供新的視角與模式，提高了課堂教學實效。

參考文獻：

[1]彭前程.《普通高中物理課程標準（2017年版）》的變化[J].課程·教材·教法，2018，38（9）：99-106.

[2]居殿兵.用函數信號發生器探究法拉第電磁感應定律[J].物理教師，2020，41（4）：75-77.

[3]陳健.法拉第電磁感應定律的簡易驗證[J].物理教師，2019，40（11）：52-54.

[4]羅慧.定量探究“法拉第電磁感應定律”實驗的改進[J].物理教師，2018，39（10）：59-61.

（欄目編輯 劉榮）