基于物理学科核心素养的初中生活化实验案例研究——以无支架电动机为例

朱新梅 孙玉玲 轩铭浩 吴金花

（扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州 225002）

引 言

随着时代的快速发展，社会对人才的综合素质提出了新要求。初中生正处于形象思维向抽象思维过渡的阶段，对物理现象非常好奇。生活化实验教学可以充分调动学生物理学习的主观能动性。教师在实验教学过程渗透相应的物理学知识，能使学生进一步理解日常生活中常见现象背后所蕴含的物理知识，让学生体会理论联系实际的重要性，增强学生的实践动手能力、科学探究能力及科学思维能力。

电与磁的关系是初中物理教学中一个非常重要的内容，有许多文献都讨论了电动机在初中电磁学教学中的应用[1]。但是，从培养学生物理学科核心素养的角度来探讨如何利用自制的无支架电动机进行生活化实验的研究的相关文献还比较少。本文借助对无支架电动机的不同转动情况的生活化实验，初步探讨了如何在初中物理教学中培养学生的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的核心素养。

一、生活化实验概述及应用价值

生活化实验是让学生在熟悉的生活情境中自己动手操作完成有趣的物理学实验，在实验过程中潜移默化地提升动手操作能力，培养实践创新精神。有学者指出，生活化实验具有深度可研究性、低成本可获得性、教学灵活性的鲜明特征。借用“借物用物”“自组物件”“自制改进”“创造发明”等进阶式途径，利用生活中的物品进行物理实验，能让生活化实验真正走进日常课堂。

如何让学生的生活经验成为物理课程的组成部分，让学生将严谨的物理知识与日常生活的直觉经验联系起来，让书本物理转化为生活物理，让学生从生活到物理再到生活，创造一种人性化的教学环境，让初中物理教学生活化、情境化，成为众多教育界人士和相关学者深入研究的课题。生活化实验是利用生活中常见的物品进行的一类体现自创性、体验性、趣味性、简易性特点的物理实验教学活动[2]。有学者认为，在生活化实验的要求下，初中物理实验应用的器材应尽可能选自日常生活，从学生熟悉的生活场景中寻找促进实验顺利开展的物品，将相对抽象的物理问题以熟悉的物品进行直观展现。如此，学生才能从认知、情感上更认可这样的教学方法，提高实验的参与度。生活化物理实验为系统研究基于生活环境资源来开展的物理实验教学开辟了一个窗口，也为以新视角审视物理实验的教育价值提供了新的路径。

借助生活化实验探究活动来培养学生的物理学科核心素养是一项很有意义的实践活动，有助于加强学生对物理观念的理解，培养学生的科学思维能力，提高学生观察、分析、操作等科学探究能力，从而使学生形成正确的科学态度与责任[3]。

二、基于物理学科核心素养的生活化实验教学案例

现代化生活中有很多家电。电风扇、洗衣机等都离不开电动机，然而电动机的工作原理是什么呢？电风扇叶片的转速为什么能调节快慢呢？接下来，就从无支架电动机的生活化实验开始对电动机工作原理的探究之旅吧。

实验仪器：2节1.5V电池，10节纽扣磁铁，铜导线（如图1）。

图1

实验步骤：（1）把铜导线弯曲成不同形状，如图2所示。（2）把磁铁盘吸在电池的负极，如图3所示。（3）把不同形状的铜线的一部分放置于电池的正极，另一部分与电源负极的磁铁良好接触。观察到的实验现象为：不同形状的铜线都会转动，但是不同形状的线圈转的快慢不一样；有两条边的铜线圈比一条边的铜线圈转得更快，如图4所示。

图2

图3

图4

因为一条边的铜导线转动的稳定性不太容易控制，所以下面的探究实验都采用两条边的铜线圈。

【探究1】线圈为什么能转动？

实验发现，线圈的两端必须与电池的正极和下面的磁铁接触良好，另外必须有磁铁。如果线圈的上端脱离了电池的正极，或者下端没有接触与电池负极相连的磁铁，线圈就不会转动。这是为什么呢？在电路教学中，学生都知道导线是不允许与电池正负极直接相连的，但是实验所采用的铜线还是有一定阻值的，所以短暂时间的连接是可以的。另外，教师可以让学生摸一摸转动后的线圈，学生会发现线圈有一点发烫。线圈发烫是电流热效应的反映，这充分说明了当线圈的两端与电池的正极和下面的磁铁接触良好时线圈里通了电。教师要引导学生思考电路要形成通路的条件，让学生加深对电路各元件接触良好是形成电路通路的必要条件的理解，否则，线圈里就没有电流，线圈就不会转动。这样的实验探究环节可以让学生形象直观地认识到磁场对电流产生作用力的条件，帮助学生加深对通电导线在磁场中受到磁场力这一物理观念的理解。另外，教师还可以引导学生从能量和相互作用的角度来理解通电线圈在磁场中转动的本质是电池的电能转化为线圈的动能。

最新修订的《普通高中物理课程标准（2017年版）》将物理观念作为课程的重要目标之一。物理观念是根植于人们的头脑中的，即使遗忘了物理知识，但相应的物理观念仍能长存于学生的头脑中，并影响他们对世界的看法、行为和解决问题的方式。所以，在初中物理教学中，教师要重视物理知识的学习到形成物理观念的引导，利用生活化实验探究帮助学生通过多方位实践和参与来形成物理观念。

【探究2】用同样是两条边的线圈，怎样让线圈转得更快些？

实验发现，用两节电池时转得更快，如图5所示。这就说明了电流越大，线圈所受的磁场力越大。当电池节数相同时，磁铁越多转得越快，如图6所示。这就说明了磁场越强，线圈所受的磁场力越大。通过这两组实验探究，学生可以直观地理解线圈所受的磁场力大小与电流大小和磁场强弱是正相关的。这样的探究有助于学生将来进一步学习通电导线在磁场中所受磁场力的定量关系，可以很好地实现从初中物理定性或者半定量的研究到高中物理定量研究的有机衔接。这些实验探究方式有助于学生科学思维的培养和科学探究能力的提高。

图5

图6

【探究3】怎样让线圈反转？

教师可以让学生将磁铁上下极交换，如图7所示；也可以将电池正负极交换，如图8所示。这一组探究活动说明线圈所受的磁场力是有方向的，并且磁场力的方向与电流的流向和磁场的方向都有关系。当磁场不变时，改变电流的方向可以改变线圈所受磁场力的方向，这不仅很好地解释了初中物理教材上演示的有支架的直流电动机为什么要安装电刷，还可以采用控制变量的方法演示磁场力的方向不仅与电流方向有关，还与磁场的方向有关。这两组实验探究充分说明了磁场对通电导线的作用力是有方向的，有利于学生更好地理解“力的方向是力的三要素之一”这一知识点，帮助学生形象直观地理解力的方向对物体运动状态的影响，从而强化学生对力和运动的物理观念的理解。

图7

图8

上述探究实验活动可以总结出磁场力的相关因素：要有磁铁激发磁场；要有电源且导线要通电；磁场越强或者电流越大，磁场力越大；磁场力的方向和磁场方向与电流流向有关。

在完成上述探究活动后，结合初中物理教材中直流电动机的工作原理，教师可以帮助学生更深刻地理解直流电动机模型的主要部件的功能，从而更熟练地完成直流电动机模型的安装。结合上述无支架电动机的探究，学生可以清楚地理解，在直流电动机模型中，当磁场固定时，线圈转动的快慢与电流大小正相关；当磁场方向不变而电流方向改变时，线圈转动方向改变。所以，直流电动机中为了保证线圈能够一直沿单一方向持续旋转，需要安装换向器来改变线圈中的电流方向。

另外，教师还可以拓展教学内容，告诉学生生活中常见的电动机一般都是交流电动机，可以不用换向器，而直接利用交流电的特点，保证线圈在磁场中的电流方向会随时根据线圈的相应位置而发生改变。结合生活中常用电器的电动机，教师可以提问学生：“电风扇叶片的转速是怎么来调节的？”然后，教师可以引导学生结合刚才探究实验中线圈转速变化的动态调节情况进行猜想：电风扇中磁铁是固定的，磁场大小和方向也不能改变，所以可以改变风扇转轴所连线圈的电流大小。教师还可以进一步启发学生思考：怎样改变电流大小呢？是类似于实验中增加电池节数吗？显然不是，风扇所连接的电压是恒定的，这在家庭电路中已经学过了。在电压恒定的情况下怎么调节电流呢？学生自然就会想到欧姆定律中电流和电压的关系，通过改变电风扇中跟线圈相连的电路中的电阻来改变线圈中的电流，从而改变线圈所受的电磁力的大小，这样就可以调节转轴的转速，达到调节电风扇叶片转速的目的。借助无支架电动机的实验探究，可以直接过渡到直流电动机模型的课堂教学内容，再拓展到生活中常见家用电器的电动机的使用，从而更好地培养学生理论联系实际的科学态度。

通过简易无支架电动机的探究实验和电风扇转速调节的讨论，不仅能让学生通过温故知新掌握融会贯通的学习方法，还可以训练学生掌握由现象到本质的科学思维方式，培养学生思维品质。另外，还可以激发学生对实际生活中电动机的结构和工作特点的好奇，进一步引导他们去了解生活中电动机的工作原理、电动机的研发历史、不同电器中电动机的运行参数等，从而践行从生活走向物理、从物理走向社会的教学理念，达到培养学生科学探究精神的目的。

结 语

电和磁的关系是初中物理一个很重要的内容。由于电和磁的理论内容比较抽象，初中物理对磁场作用于通电导线的作用力的大小和方向的相关因素不做过多的定量研究。但是一切电和磁关系背后的本质都可以归结到力的作用，所以教师可以利用生活化实验探究的方法，将电和磁的力学本质丰富多彩地展现出来，让学生在变化多端的实验操作中，潜移默化地掌握电和磁的本质，让学生顺其自然地窥探到实验现象背后所隐藏的物理观念。类似这样的生活化实验探究活动，不仅可以激发学生强烈的学习欲望，增强学生的学习主动性，还可以培养学生主动进行科学探索的精神和动态的科学思维能力，让他们今后碰到类似的问题时懂得从不同的角度去分析和比较。生活化实验探究可以作为培养初中生核心素养和有效衔接初高中物理教学的重要途径。笔者希望本文介绍的基于核心素养的无支架电动机生活化实验的案例设计，能给广大教师提供一些借鉴，让教师在初中物理教学中重视对学生物理学科核心素养的培养，并将其运用到教学实践中，尤其在实验课上培养学生勇于探究的科学精神、理论联系实际的科学态度，为学生的后续发展和终身学习打好必要的基础。