指向核心素养的初中物理创新实验研究

方一颖　丛小涵　肖莹莹　郑渊方

摘   要：文章通过自制教具“电磁演示仪”，进行创新实验探究，以核心素养作为指向标，帮助学生建立电和磁之间相互转换的联系，提高学生科学实践探究与创新能力。

关键词：自制教具；物理核心素养；电生磁；磁生电

2022年版《义务教育课程标准》强调了义务教育物理课程是一门“以实验为基础”的自然科学课程，强化课程综合性和实践性[ 1 ]。在物理课程中，实验研究是体现物理课程实践性的教学内容之一。在初中物理的学习过程中，中学生精力充沛，但接触物理时间不长，科学方法和抽象思维还没有形成。基于学生的思维发展阶段特点，教师可以通过一些有趣的实验设计，让学生观察到不易察觉的实验现象，有效地培养学生基于实验现象去探寻规律的科学探究能力。同时引导学生在進行合理的理论推理的过程中，发现物理现象和规律之间的区别和联系，以达到深化物理规律的理解和应用这一目的。所以笔者决定利用身边常见物品，以自制教具“电磁演示仪”为例，阐述如何通过实验探究来提升学生的思维品质，促进学生物理学科核心素养的发展。

1  物理创新实验的内涵和意义

刘炳升和冯容士在《中学物理实验教学与自制教具》中指出“物理实验”是在受控的条件下，物理研究者使用相关的实验仪器、设备等，重现物理现象进行有目的地观测研究的方法[ 2 ]。物理创新实验里所认为的“创新”，不同于科学家、艺术家的创新，而是指对作为独立个体的中学生施以系统的教育影响，使其在这一教育过程中发现新知识、认识新思想、掌握新方法，发挥自身潜能、利用所学新事物构造全面知识体系，最终达到提高相应能力这一目的，为培养学生的创新素质奠定良好基础。中学物理创新实验并不仅仅是在学校教育中引入一些类似“小设计、小发明、小制作”等具体学科性质的竞赛活动，而是应开展科技创新实践活动，在课堂教学中对常规实验进行创造性改进。即教师应根据教学设计和学生特点来制作不同教具，以达到培养学生创新能力这一效果。

中学生物理创新实验的实施，帮助学生在实验操作过程中解决问题，归纳总结物理规律，并在实验过程中针对实验现象进行质疑创新，不但使学生获得了丰富的感性认识，同时创新实验的引入也将枯燥无趣的教学活动变成吸引学生注意力的趣味探究过程，奠定了学生的主体地位。而物理创新实验的最终目的是发散学生的思维和培养学生的动手实践能力，从而培养学生的创新欲望，丰富学生的创新热情，提高学生的科学创新能力。

2  物理创新实验教具设计制作与创新之处

2.1 电磁演示仪的制作过程以及实物图

电磁秋千部分利用木板、漆包线制作出一个简易秋千模型，挂上一根长约40 cm粗漆包线当做秋千绳，与秋千木板相连接，并制作一个电磁线圈，下面放下磁性较强的圆形汝铁硼磁铁，而磁生电部分要通过不断试错挑选合适的灵敏电流计和强磁铁；之后进行教具电路原理图设计（如图1所示），连接电路，制作好电磁演示仪（如图2所示）。

2.2 电磁演示仪在实验中的创新之处

（1）可以进行磁生电、电生磁、磁生电电生磁组合回路三个演示实验的展示，既可以分别演示电生磁、磁生电的现象，方便学生横向对比；又可以将两部分合二为一，帮助学生建立电和磁之间相互转化的关系；

（2）分别以灵敏电流计的示数和电磁秋千的摇摆来实现磁生电现象和电生磁现象可视化；

（3）本教具外观美观大方，现象有一定的趣味性，能够吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。

3  创设创新实验落实物理核心素养

在课堂教学中，学生利用电磁演示仪进行创新实验研究。将实验装置组装好，分别闭合电生磁、磁生电、磁生电电生磁组合回路的开关，为学生展示相对应现象（如图3所示），在教授物理知识的同时，不但要让学生亲历探究，理解物理规律的形成和发展过程，而且还要挖掘隐藏在知识背后的科学思维，科学态度与责任，适时渗透，让学生加强对科学本质的理解。

3.1  通过创新实验，凝练学生的物理观念

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动和相互作用、能量等内容的总体认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[ 1 ] 4。在初中阶段，教师的主要任务是引导学生在实验探究中获取知识点，从实验过程的多个角度去认识相关物理知识体系，并同化成自身知识体系，从而逐渐升华凝练成物理观念，而物理观念形成这一过程也为高中系统性知识的学习做好全面的铺垫。

在“电与磁”章节中主要是培养学生相互作用观念。在电磁演示仪中，学生通过闭合开关S1时，电磁秋千开始摇摆，初步感受到磁场这一看不见摸不着的物质；断开开关S1，电磁秋千立即停止摇摆，学生思考并猜想电和磁之间的关系，进而得到通电导线周围存在磁场这一物理规律，说明了“各种自然现象之间应该存在着相互联系”。“磁生电”实验的成果，即闭合开关S3，改变磁铁在线圈中的运动方向，灵敏电流计有明显变化，充分说明了电、磁现象的统一性，同时也强化了电和磁相互作用的物理观念。

3.2  通过创新实验，培养学生的科学思维

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，予以检验和修正，进而提出创造性见解的品格与能力[ 1 ] 4。初中学生处于从形象思维向抽象思维转化的过程，而物理是一门实验科学，基于学生所处阶段的思维特点以及物理学科的性质，初中教学的目标之一是为了促进学生在了解实验现象中如何去归纳总结相应的物理概念和物理规律；如何在实验和观察的基础上获取更多的数据与结论所要培养的发散性多角度的思考能力。

在磁场对通电导线的作用这一规律探寻过程中，由于磁极间存在相互作用，而这个作用是通过磁场发生的，学生在操作电磁演示仪中“电生磁”部分已经证实通电直导线周围也存在着磁场，所以磁场应该对通电直导线具有力的作用，学生在一定的事实基础上，通过实验的证据形成清晰的思维链条，发现物理规律，培养学生的论证能力。

在磁生电需要的条件相关实验探究中，学生小组合作操作2013年人教版初中物理教科书电生磁实验时，得到“闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生了电流”这一规律，继而观察现象提出质疑：当导体不动，回路也能产生电流吗？需要什么条件才能产生电流？让学生利用电磁演示仪来进行实验探究，只闭合开关S3，通过线圈匝数、更换磁性不同的磁铁、改变磁铁在线圈中运动方向等实验操作，学生通过实验现象得到当线圈静止时，磁铁上下运动也在切割磁感线运动，回路中产生了电流。让学生在已有电生磁知识点的基础上，对电磁关系重新认识、掌握，促使学生形成严谨的思维习惯，拓宽了学生思维的深度。

3.3  通过创新实验，学生亲历科学探究

科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[ 1 ] 5。物理是一门“以实验为基础”的自然科学课程，同时也是形象思维向抽象思维转化的重要途径，科学探究无疑是初中阶段学生所要倍加重视的素养内容。学生在实验探究中，亲身体验，亲自参与，在实验过程中发现问题，小组讨论交流解决问题。在这一学习过程中，学生的问题解决能力得到有效提高，同时交流合作技巧和科学素养的形成也得到相应加强。

（1）提出猜想。基于普通秋千需要人力才能摇摆这一自然现象，思考电磁秋千摇摆的原因，提出问题：电磁秋千的力是如何产生的？形成猜想为可能是同名磁极相互排斥产生的。

（2）验证猜想。闭合开关S1，电磁秋千不断摇摆，在观察这一结构中，学生结合工作原理（如图4所示）分析電流方向：电源正极—电刷—摆杆—线圈—支架—电源负极，此时通电线圈产生磁性。利用安培定则来分析线圈的极性（如图5所示），线圈和下面的磁铁由于同名磁极相互排斥，摆杆就会被推向一边。保持电刷的位置不动，因摆杆移动了，电路也就断开了，线圈中没有了电流，失去了磁性，也就不再排斥电磁线圈下面的电磁铁，于是摆杆在重力的作用下回到原先的平衡位置。

（3）排除故障。闭合开关S1，电磁秋千不工作，小组讨论分析原因：①从电路连接分析：检查电路是否接通、漆包线上的绝缘漆是否刮干净、鳄鱼夹是否与导线接触良好，检查完毕，观察秋千运动情况；②从工作原理分析：交换电源的电极。因为通过线圈的电流方向相反，线圈磁极方向也随之改变，它就会与磁铁异性相吸，摆杆保持不动。

（4）得出结论。①通电导体周围有力的作用；②通电线圈和磁铁同性相斥促使秋千不断摆动。

4  总结

电磁演示仪对于学生学习电与磁相关知识大有裨益，它不仅让学生巩固电生磁和磁生电之间的关系，还将两者紧密联系，电和磁之间相互转换这一规律深入人心，实验的器材来自生活，增强学生学习兴趣，兴趣可以给学生以持续的动力去学习物理，从而达到“知行合一”，同时在使用过程中结合核心素养来教学，亲历实验进行探究，深化学生对规律的认识，提高学生的问题解决能力，形成相应的物理观念，逐渐培养学生良好的科学思维品质，凸显物理学科的育人功能。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2022：1.

［2］ 刘炳升，冯容士.中学物理实验教学与自制教具[M].上海：上海教育出版社，2000：9-12.