创新电磁学实验 培养学生核心素养

李航

摘    要：培养学生物理学科核心素养是高中物理课程的重点目标，设计符合学生认知特点的实验教学，可以帮助学生知其然，更知其所以然。文章介绍了高中物理电磁学的三个创新实验，结合《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》，论述了物理教学中如何开发运用创新物理实验，培养学生核心素养。

关键词：电磁学实验;创新实验;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0046-4

物理学作为实验科学，是培养学生物理学科核心素养的重要途径，教师可依据放大法、替代法和转换法对高中物理电磁学实验进行创新开发，给予实验合理的情境，激发学生学习兴趣，培养学生核心素养。

1    物理电磁学教学中遇到的问题

1.1    研究对象抽象

高中物理一部分电磁学知识的学习具有抽象性的特点，磁场、电场和其相互作用的理解要求有较高的空间想象能力，若没有合适的实验情境作为载体，不利于学生对物理概念与规律的理解。

1.2    实验现象不明显

教材有些实验缺乏直观性，如课本中有关洛伦兹力的实验不易观察液体的旋转和有氯气产生的安全性问题，其中最重要的是没有完善对洛伦兹力的控制变量法的研究，学生只知道最后结论，但对于为什么会这样理解不透。

1.3    实验缺少定量探究

教材实验受仪器限制很多只能得出定性结论，如安培力实验在直导线通电后会受到安培力作用，然后会摆动一个角度，以此来定性判断安培力的大小和方向，然后直接得出结论，过程中不能定量证明，学生无法得出严谨的物理规律。

2    利用创新实验培养学生核心素养的策略

2.1    利用放大法设计实验，培养科学思维

学生物理概念与规律的形成，都依托于合理的情境。一方面，好的实验情境可以引导学生了解物理学历史，学习科学家们的创新精神;另一方面，恰当的实验情境能让学生在问题活动中经历模型建构、收集证据、推理分析、总结结论的科学过程，培养学生的科学思维能力[1-2]。

一些物理实验现象分析有困难，可通过放大法直接呈现实验现象，增强实验的可信度，以如下实验为例进行分析。

在“洛伦兹力”的教学中常用的是阴极射线管的实验（图1），将磁铁的S极和N极分别靠近电子束，通过观察电子束的偏转情况，找出电子束偏转与磁场之间的关系，进而理论分析得出规律。但在教学中发现，学生对于洛伦兹力、磁场与电子移动速度的矢量关系与大小关系的理解还是不清晰，分析过程有困难，特别是难以建构洛伦兹力与带电粒子速度方向垂直的情境。

已知洛伦兹力对通电液体有作用，笔者依据旋转液体的实验设计了如下的实验情境（图2、图3），利用身边常见的生活材料准确放大实验现象，设置一系列问题，让学生思维层层推进，进而顺利理解洛伦兹力。

问题1：静置在管道中的液体为什么会“自己动”？

這个问题在于激发学生的学习兴趣，让学生思考“水为什么会听老师命令流动”，为引出洛伦兹力做铺垫。

问题2：已知实验仪器中电解液与电极板的位置，那电解液中的离子的运动情况如何？

此问题是通过回顾电场对带电离子作用的知识，让学生讨论后知道带电离子运动平移速度v可由外接电源控制，为后面控制变量思维的引出做铺垫。

问题3：把磁铁放置在电解液上，为什么液体会沿着管道流动？

引导学生从动力学角度分析，知道液体的运动是因为受到力的作用，而且这个力需要在有磁场的情境下才会产生，初步建立洛伦兹力概念。

问题4：我们知道液体的流动与洛伦兹力有关，那么洛伦兹力与哪些因素有关？如何操作仪器验证猜想？

引导学生猜想，并结合控制变量的思想让学生亲自操作实验，经历模型建构、收集证据、推理分析、总结结论的科学过程，总结出左手定则与洛伦兹力的公式F=Bqv。

通过管道中溶液的定向流动让微观离子所受的洛伦兹力被观察到，用光影放大流动现象，让学生更好地树立相互作用的物理观念;硫酸钠溶液本身与反应生成物都无毒无害，相比高压电子枪更安全，且仪器制作简单，材料耐用，更加符合培养学生科学、安全、可持续发展的责任态度;利用数字化电表来形象定性判断物理量的变化，更有利于学生在问题中收集实验证据;最后可利用表格记录数据进行科学推理，建构洛伦兹力的物理模型。

2.2    利用替代法改进实验，提升科学探究能力

科学探究是物理学科核心素养中四个方面之一，通过改进的实验情境，让学生经历探究的过程，在问题、证据、解释等环节让学生有所感悟，提升学生的探究能力[1]。

替代法是指在物理实验中用一个物体替换另一个物体，进而量化实验数据，使得实验现象与数据更具说服力，接下来以一案例进行说明。

在“安培力”实验中，教材所用的仪器如图4所示，学生在实验后对安培力的影响因素的定性理解是较为容易的，但无法经历严谨的探究过程。笔者通过定量探究的实验改进，让学生在思考问题中获取和处理数据，得出安培力的方向与大小规律，促进学生深度学习。

改进1：用多匝线圈代替教材中的通电金属棒，正方形线圈单边长为L，则线圈受力边的有效长度为nL，可以控制通电导线长度。在电子秤上放置线圈用以定量测量安培力，产生磁场的磁铁放置在转盘上（图5），设置电路可改变线圈中的电流（图6），从而获得定量的数据。实验过程可由学生代表来操作，并与全班互动共同完成实验。B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F

改进2：由DIS传感器替代电子秤，用霍尔元件测量磁感应强度B，进而简化实验，得到安培力与B、L、I、θ的关系，即F=ILBsinθ。

本实验利用多匝线圈的叠加原理改变通电导线的有效长度，激发学生的创新思维;利用电子秤巧妙、精准地测量变化的安培力，利用变阻器调节电流大小，关键物理量的定量获取能帮助学生建构更加准确的物理模型，形成正确的相互作用观念;数字化电表与Excel图像直观反映物理规律，或者将传感器测量的物理量传至电脑终端处理数据，让学生对获取和处理信息并基于证据得出结论的过程记忆深刻;自制仪器架方便搬运，随走随用，让学生体会科学与工业生产的融合，激励学生发明创造[3]。

2.3    利用转换法优化实验，树立科学态度与责任

科学态度与责任在物理教学中是培养学生认识科学、技术、社会、环境之間关系的重要方面，随着科学技术的不断进步，人们在生产生活中对数字产品的使用越来越多，而在教育教学中数字化教学设备也得到了广泛应用，利用数字化实验仪器让学生理解电磁感应定律的同时关注学生在数字时代背景下的发展[1]。

利用转换法开发实验，关键在于把原本难以测量的量转化为易被测量的物理量，进而提升实验效果，下面以一案例进行分析。

在“法拉第电磁感应定律”的教学中，笔者对人教版高中物理教材选择性必修二中的实验进行了优化（图7），磁铁下落过程中在每个线圈都会感应出电动势，电动势大小由Arduino与LabVIEW处理并显示，但每个线圈所产生的感应电动势各有不同[4]。

问题1：磁铁下落过程中为什么会有感应电动势信号？

引导学生了解磁铁的磁场空间分布（图8），让学生知道磁通量变化是产生感应电动势的原因。

问题2：已知磁铁下落越快线圈所产生的感应电动势就越大，那么磁铁下落高度与磁通量变化率有什么关系？

引导学生结合自由落体运动规律得到■∝v∝■的关系，从而巧妙地将磁通量变化率转换为下落高度，实现了用容易测量的量替代了难测的量，训练学生的转换思维。

问题3：已知磁通量定义Φ=BS，结合线圈的结构（图8），我们如何在实验过程中控制线圈的有效面积？

引导学生建立磁场与等分环形线圈的立体模型，体会对称性思想的巧妙之处。

问题4：一块磁铁周围产生的磁场为B，那么多块相同的磁铁在空间产生的磁场发生了什么变化？

通过问题4让学生体会倍增思想的应用，同时要引导学生认识到现实中没有完全相同的磁铁，磁铁叠放位置的差异也会让空间磁场不严格倍增，从而导致实验误差，让学生对实验误差保持严谨的态度。

问题5：利用仪器如何探究感应电动势与线圈匝数的关系？

引导学生依据前面的实验问题，自主设计实验，小组完成实验后分享结论。

利用数字化硬件与软件对法拉第电磁感应定律进行了全面、定量且快速的分析，让学生认识到现今物理科学与软件技术的融合，培养科学精神;利用自由落体运动速度变化规律为学生自主设计出实验探究步骤提供了情境载体;实验仪器结构紧凑，方便携带，比传统实验更易读数，让学生感悟到科学技术的魅力，特别是数字化信息技术让科技生活变得方便高效。

3    反思提高

核心素养的培养是建立在科学的物理情境基础上的，物理课堂基于观察与实验，进行模型建构，利用数形结合的数学知识，通过科学推理与论证，从而形成严谨、系统的学科理论。而创新实验是物理学科发展的基石，物理教学中开发创新实验，实施好课堂教学，既能保持学生的好奇心，又能落实核心素养的培养，让他们树立创新意识。因此，广大物理教师要不断学习，积极创新，用一个个创新实验点燃学生学习物理的烟火。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]任振颖，张东林.基于物理学科核心素养的实验教学实践研究——点燃思维的星星之火[J].物理教学探讨，2021，39（6）：11-15.

[3]顾建元.基于核心素养的情境化实验教学[J].物理之友，2021，37（10）：37-39.

[4]胡博.利用Arduino和传感器验证法拉第电磁感应定律[J].物理教学探讨，2019，37（11）：46-48.

（栏目编辑    刘   荣）B244ADAC-21DE-46E9-8980-11681B88D22F