优化实验过程设计 提升物理核心素养

摘 要：从“互感和自感”一课的实验过程设计入手，以实验为基础，过程为主线，思维为中心，通过观察生活中的物理现象，自制实验器具，设计实验方案，重视演示实验的过程设计.从“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度”几个方面讨论如何在物理教学中提高学生物理学科核心素养，把物理知识转化为学生的个体知识和观念，把物理思想、方法转化为学生的认识能力和思维方式，真正让“物理教学”走向“物理教育”.

关键词：实验设计；能量观；实验探究；科学态度

新一轮高中课程改革，提出构建学生的核心素养，以让学生具备能够适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力.对于高中物理学科，抓住物理学科核心素养，才能抓住物理学科教育的根本，才能使我们物理教学具有独特的重要育人价值.作为高中一线物理教师，在平时教学中如何定位物理学科价值？如何以物理核心素养为导向，将物理观、科学思维、实验探究、科学态度与责任等要求始终贯穿整个教学过程，让物理教学过程成为学生核心素养的形成过程，让教育本质真正地全面回归呢？下面以“互感和自感”中的实验过程设计为例谈几点思考.

一、通过物理现象设计实验方案，树立能量守恒观点

现象是物理学的根源.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2第四章第6节《互感和自感》中，介绍了收音机中的“磁性线圈”，它是利用电磁感应把广播电台的信号从一个线圈传送到另外一个线圈.但是现在学生大多不使用收音机，对其很陌生，更何况其内部结构，所以可以根据收音机的接收和转换原理，设计探究实验，对以上物理现象进行还原和重演.

（一）设计演示实验：自制简单收音机[1]

我们结合教室中现成的器材，从教室的平板电脑中引出音频线连在一个大线圈（约为600匝）上，将一个小线圈（约为100匝）与音箱构成闭合回路，为直观显示平板电脑的声音电流信号通过互感使小线圈中产生了电流，小线圈和音箱的闭合回路中再串联一个G表（如图1）[2].

现象：在电脑中播放音乐，当小线圈插入大线圈中（如图2），让学生震撼的一刻出现，音箱中竟传出相同的音乐.

分析：当没有用导线相连的大小线圈靠在一起，其中一个线圈的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫做互感，所产生的感应电动势叫互感电动势.在刚才的教学中，根据收音机接收原理，设计实验，让学生经历知识发生过程后，再引入互感概念，两个线圈实现了把信号从一个线圈传播到另一个线圈，把能量守恒观点渗透到概念教学中.

（二）互感的实际应用：变压器

图3是我们生活中常见的变压器，其作用是电压变换和能量输送，图4是对应的教学用变压器，简化成变压器示意图（如图5）.图5左右分别是由铜导线绕制而成没有相连的线圈，左线圈（约为200匝）通入220V交流电，右线圈（约为5匝）与额定电压2.5V的小灯泡相连.

现象：当左线圈中某段时间电流改变时，没有用导线相连的右线圈回路中小灯泡“莫名”地亮了起来，这个现象对学生产生了强烈的视觉冲击.

分析：当左线圈中某段时间电流增大，穿过右线圈的磁通量增大，根据电磁感应的产生条件，右端线圈产生如图6的等效电源，所以此时小灯泡发光，实现了能量从一个线圈转移到另一个线圈，使学生尝试用能量观来分析互感现象.

（三）互感的防止

互感现象不但发生在两个线圈之间，还可以发生在两个相互靠近的电路间，在电工和电子技术的电路中，互感有时会影响电路的正常工作，我们可以通过屏蔽电缆减小互感的影响，在电路板的刻制时就要设法减小电路之间的互感现象（如图7）.

有意义的学习活动总是从物理现象开始的，观察实验现象的过程中，让学生与原有的生活经验相冲突，通过回忆电磁感应现象，听到音响传出相同的音乐，看到小灯泡发光三种不同的感官体验，让学生真正体会到现象是物理学的根源.这不仅有助于掌握互感知识点，还利于学生把物理应用到生活中来.作为客观存在的磁场，其能量通过互感现象从一个线圈传输到另外一个线圈，让学生从物理学视角形成对互感现象中能量的基本认识，加深理解电磁感应的本质，树立学生的能量观.

二、通过自感演示实验的过程设计，提升实验探究能力

互感既是电磁感应现象的实例，又为自感的引入起到了承上启下的作用，当一个线圈中磁通量发生变化，在另一个线圈会产生感应电动势.如果把另一个线圈撤去，只考虑一个线圈（如图8），当这个线圈的电流发生变化，它本身会产生感应电动势吗？

分析：根据法拉第电磁感应定律，显然线圈本身会产生感应电动势，我们把自身激发的感应电动势称为自感电动势.

学生對知识的感悟和物理素养的提升只有在与情境的互动中才能达成，从而使物理教学拓深到教育形态中去.在以物理素养为导向的物理教学中，以情境引出问题，以问题引导探究，通过学生的思维参与自感演示实验教学的过程设计，将物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等要求，自始至终贯穿到教学活动中来.

情境1：如图8，当左线圈中某段时间电流增大时，通过左侧线圈的磁通量增加，根据法拉第电磁感应定律分析产生了自感电动势.

探究1：

问题：设计怎样的实验，来检验自感电动势的存在，并观察到自感电动势对电流增大时的影响？[3]

分析：检验这个自感现象的存在需要老师和同学们的智慧，我们应该设计恰当的实验方案去探究，逐步引导学生去经历自感知识的发生过程.对于图8，为了安全起见我们可以把220V交流电改成干电池，用开关S的闭合使电流从0开始增大，从而使线圈中的磁通量增大，这样图8等效为图9.但是图9中没有检测自感电动势的设备，是否可以让小灯泡充当检测设备呢？把小灯泡串联到回路中（如图10），显然还是无法检测自感电动势的存在.进一步思考，能否通过直观的对比实验来进行检测呢？鼓励学生科学推理，如果线圈L电路中能产生感应电动势，另外相同条件的电路中不能产生感应电动势，通过对结果的比较分析，问题就迎刃而解.最终同学们设计出了检测电流增大时自感电动势对电路的影响的电路（如图11）.两个灯泡A1，A2规格相同，线圈L和灯泡A1串联后接到电源上，可变电阻和灯泡A2串联后接到电源上，这就是课本中图4.6-2电路闭合时观察自感现象的典型电路.

现象：当闭合电键时，灯泡A2马上亮，而灯泡A1较慢地亮起来.

问题：从现象分析，电流增大时，线圈L的自感电动势会阻碍电流增大，使电流增大的过程延迟了，那么如何应用电磁感应规律来分析解释这个现象？

分析：图11中的线圈L放大如图12，线圈中电流方向向右，线圈中电流产生的磁场B0向右，且增强（如图13），感应电流的磁场B感向左，感应电流向左流入线圈，线圈中产生的感应电动势正极在左端（如图14），所以自感电动势会阻碍电流增大，使电流增大的过程延迟了.

问题：以上探究了电流增大时线圈自感的影响，那么当闭合电路中断开开关，左线圈中某段时间电流减小时，这时灯泡的亮度会怎么变化呢？

探究2：

问题：同学们还应设计怎么样的实验来检测当电流减小时的自感电动势情况呢？教师自然而然引导学生设计相关电路来探究自感电动势的存在.

与探究一类似，图15这个电路无法探测电动势的存在，同样采用对比实验，用灯泡和线圈L两个支路并联做比较（如图16），先闭合电键使灯泡正常发光，然后电键断开，观察灯泡的变化.

现象：通过观察发现小灯泡突然变亮，然后逐渐暗下来，实验现象马上引起了同学们的好奇心和兴趣.

问题：从现象分析，这样的电流会是原来的电源产生的吗？

分析：电键断开，电源不再供电，这样的电流不是原来的电源产生的.电源断开瞬间，电流减小，线圈L的自感电动势阻碍了电流的减小，它与灯泡构成闭合回路，闭合瞬间线圈L中的电流比原来闭合前灯泡中的电流大，所以出现了灯泡突然变亮的现象.

问题：如何应用电磁感应规律来分析解释这个现象？

分析：图16中的L放大如图17，线圈中电流方向向右，电流逐渐减小，产生的磁场B0方向向右，且逐渐减小（如图18），感应电流的磁场B感向右，感应电流向右流入线圈，线圈中产生的感应电动势正极在右端（如图19）.

以上探究过程以通过线圈的电流发生变化的具体情境入手，以电流增大或减小时自感电动势对电路的影响设置问题，两种不同情境中发现并提出探究的物理问题，边推理边设计电路检测自感电动势的存在，并应用电磁感应规律来探究这个现象.这样的教学让学生主动建构自感知识，通过情境、问题、设计电路方案、观察实验现象、分析推理，保留了从现象到结论的一段极具教育价值的过程[4]，鼓励学生重蹈科学探究中最关键的步子，以使他们从中理解自感知识的本质，运用物理知识和方法解释自然现象和解决实际问题的能力.

三、理论推理与实验分析相结合，彰显科学态度

根据以上实验现象，当电流增大和减小时，线圈中产生了自感电动势阻碍了原来电流的变化.

问题：那么自感电动势的大小可能与哪些因素有关？

分析：科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验.有时这条腿走在前面，有时另一条腿走在前面，但是只有两条腿走路才能前进，也就是说我们可以采取理论推理和实验探究相结合的方法研究物理问题.

（一）实验现象分析

从自感演示实验可以得出自感电动势的大小应该与线圈本身有关.

（二）理论分析

自感电动势本质就是感应电动势，其大小遵循法拉第电磁感应定律E=n[ΔφΔt]，对于确定的线圈L，磁通量的变化[Δφ]决定于磁场的变化[ΔB]，而磁场是由电流产生，磁场的变化决定于电流的变化[ΔI]，所以磁通量的变化率正比于电流的变化率，即[ΔφΔt∝ΔIΔt]，则自感电动势[E][∝nΔIΔt]，写成等式为[E=LΔIΔt]，其中L称为自感系数.

问题：那么L与什么因素有关？

分析：猜想L应该由匝数等线圈本身因素决定.

（三）与自感系数有关的因素和单位

进一步实验表明，自感系数与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关（如图20），它是一个由线圈本身决定的物理量.自感系数的单位是亨利，符号H，常用单位还有mH、μH.

（四）简单介绍自感的应用与防止

煤氣灶的点火装置、油浸开关等.

通过对自感系数的学习，学生经历了实验现象分析，理论推导，猜想假设，进一步精确实验探究的科学方法，让学生尝试用证据和推理发表自己的见解，充分发挥物理学科的育人价值，彰显科学态度.

四、小结

“物理学不只是图表和数据，它能带给你很多更珍贵的东西，理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路.”这告诉我们让学生终身受益的不是具体的物理知识，而是所学的知识忘掉之后剩下的东西，这就是物理学科核心素养.物理学科活动才是形成物理学科素养的渠道，新课改让我们教师思考和践行如何使学习过程成为素养发展过程，再转化为解决问题的能力与智慧？教师们在提升学生的核心素养的道路上不断探索前行.

参考文献：

[1]阮传志.“互感”与“自感”两个演示实验的设计[J].中学物理：高中版，2016，34（12）：54.

[2]孙坤鹏.重视自主探究 掌握物理规律[J] .中国教育技术装备，2016（23）：138.

[3]叶晟波.物理实验教学中的过程设计[J] .物理教学，2013（1）：17.

[4]吴加澍.核心素养视域下的物理教学[EB/OL]http：//www.doc88.com/p-5136375363047.html . 2016.09.