基于核心素养的物理实验设计策略探讨——以“互感”实验为例

(安徽省滁州市第十中学，安徽 滁州 239050)

1 传统实验设计中不足之处分析

(1) 实验设计只注重实验现象、实验结果,不注重实验过程,导致学生只关注结果,对实验的理解不深刻。

(2) 不注重分析实验结果、评析实验及误差来源,实验草草了事,虎头蛇尾,导致学生对实验的设计原理不清楚,对实验认识不够,无法使学生的创新能力得以展现。

(3) 实验中忽视学生的认知特点,没有创设实验的渐进过程,使得学生思维跳跃过大,实验显得突兀。

(4) 实验现象只是机械的罗列、累加,只停留在表面现象,对同一类实验没有深究,实验探究不到位。

2 提升学生核心素养的实验设计策略

心理学研究表明：越奇妙、独特的现象越能引起学生的学习注意,进而产生极大的学习热情。引入生动的物理实验,能够引导学生深入探究现象背后的原因,带着强烈的疑问学习,当然会事半功倍。所以教师应巧设实验、巧做实验,实验现象明显、有趣生动，才会深深打动学生,吸引学生,教学效果不言而喻。笔者以互感实验为例，提出以下设计策略。

2.1 优选实验方案，引发学生好奇心

互感是在一个线圈中输入变化的电流信号,在彼此靠近的另一个闭合回路的线圈中产生感应电流信号。在法拉第的实验中,两个线圈之间并没有导线相连,但当一个线圈中的电流发生变化时,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。如何检验到感应的电流信号呢?

方案一：产生的感应电流可以用电流表来检验。通过电流表的示数变化可以知道是否产生感应电流以及电流的大小。如图1所示,开关闭合或者断开的瞬间在线圈BB′中产生感应电流。

图1

图2

方案二：如图2所示，把电流表换成小灯泡,通过小灯泡是否发光可以判断是否有感应电流产生。为让小灯泡持续发光,原线圈输入信号可以换成交流信号,通过小灯泡的亮暗可以判断感应电流的强弱。

图3

方案三：如图3所示，把原线圈用数据线插入手机耳机插孔中,副线圈与扩音器相连，手机并没有直接与扩音器直接相连,手机播放歌曲时，通过互感从扩音器可听到。

显然上述第三种方案中互感现象最为明显,最能打动学生,学生带着强烈的好奇和疑问来学习,接下来关于互感定义知识的教学就可以轻松完成。

2.2 同一实验现象设计悬疑化,增加思维深度,激起学生的探究热情

对于实验现象明显的实验,但若没有认真设计实验演示的细节,没有充分利用实验来增加学生的思维含量，那培养学生的观察、思考能力的效果就会大打折扣。因此巧妙设计实验，曲径通幽总比一眼望穿更能促使学生在实验过程中深度思考,增强学生探究欲望,提高探究效果。

比如上面互感实验的方案三中,虽然是同一个实验,如果采用魔术的手段，把扩音器和副线圈都藏在箱子里,如图4所示,原线圈的孔为图中笑脸的眼睛,手机打开,让学生随机选一首歌曲,教师通过“秘密武器”把学生所选的歌曲播放出来。这样无异于用一个强大的磁场把学生的注意力全都牢牢吸引过来,学生的思维会立即激活,对于神秘的箱子学生则是急切想一探究竟,学生会大胆猜测、异想天开。魔术一般不揭开谜底,而课堂教学是必须揭开谜底,不仅如此,还要揭开得全面、透彻。面对望眼欲穿的学生,教师把握火候,打开箱子,适时揭开谜底，显露其中实验器材,再介绍互感原理就轻松多了。既有实验器材为依据,又有明显的实验现象为支撑,最主要的还有学生的求知欲望作为内驱力,外因和内因的有效结合使教学效果发生质的飞跃。这种加入魔术的实验教学效果远比用常规实验器材好得多，更能激发学生强大的好奇心,使学生的思维空前活跃。

图4

2.3 以实验为依托,设计问题链,逐步深挖实验内涵,让学生真正理解实验的原理,培养学生缜密思维的习惯

当教师揭开谜底,学生了解真相和互感原理知识后,教师适时提出一系列的问题。

(1) 互感的条件是什么?怎么设计实验证明?这里有可选的实验器材：不同的信号源、灯泡、电流表、原副线圈等。

学生选取实验器材,分组探究实验,很快得出正确的结论。

(2) 互感的强弱与那些因素有关?

对于声音的互感实验,还是让学生去探究,当原、副线圈靠得比较近时,喇叭声音强,说明什么?学生回答：互感强。

当两者比较远时,声音弱,说明什么?学生回答：互感弱。

当副线圈插入原线圈时,喇叭传出的声音更强,说明什么?学生回答：互感更强。

(3) 如何用“电磁感应原理”从理论上分析互感现象?

有了实验现象,理论分析也有了可靠的实验事实为基础,学生思考实验原理,教师适时引导不难得出结论：互感的强弱与两线圈的摆放、远近有关。

(4) 互感的强弱除了跟两线圈的远近有关,还跟哪些因素有关?

教师拿出竹筷、塑料棒、铁棒、磁棒等。同样是学生探究实验,学生根据自己的猜想,然后用实验去验证,学生让副线圈插入原线圈,然后依次试插上述物体,体验互感的效果：有铁芯时喇叭的声音变大,说明互感强。通过分析并得出结论：互感的强弱还与有无铁芯有关,有铁芯比没有铁芯的互感要强。

有效的问题引领,使得学生的探究有方向,使得实验探究逐步深入,使得探究结果更加明了,使得学生充分体验探究过程，并乐在其中。这种有效问题的引领使得学生从被动接受到积极主动参与、思考,通过多问、多探提高学生学习物理的兴趣，培养其观察能力、理论分析能力。

2.4 一物多用,巧设“陷阱”,激发思维冲突,为引入新的概念做好铺垫

比如消除互感应用的引入与讲解，对于刚才的两线圈互感实验,教师仅换了一个原线圈(这时的原线圈改为双线绕法)，重做实验,喇叭并没有响起来。

师：这是为什么?

生1：喇叭坏了。

生2：线圈坏了、断了。

师：怎么证明喇叭是否坏了?怎么设计实验检验?

生：把手机直接与喇叭相连,看喇叭是否会响?

学生动手操作,当连接好后,能放出歌曲,说明喇叭完好。学生一致把矛头指向线圈,认为这个线圈是坏的。

师：如何判断线圈是否断了?怎么设计实验检验?

学生经检验后发现线圈也没有坏。

师：那既然这个线圈完好的,为什么不能产生互感呢?

图5

学生陷入深深的思考当中,这样学生就不会停留在现象的表面,当学生迫切想知道答案时,教学的最佳时机就到来了。教师再引导学生从电磁感应的原理上分析,在连接喇叭的副线圈中要产生感应电流,穿过这个副线圈的磁通量要发生变化,如果穿过线圈的磁通量没有发生变化,则无感应电流产生。与手机连接的原线圈中的电流是变化的,电流产生的磁场也是变化的,副线圈插入原线圈中,穿过子线圈的磁通量怎么就没有变化?这个原线圈的绕法有什么与众不同?一石激起千层浪,学生的思维又一次空前活跃,教师适时展示双线绕法的线圈及图片(如图5)，引导学生自己分析,绕法完全对称,电流虽然是变化的,但是穿过自身的磁通量变化却相互抵消,所以在原线圈中插入副线圈时,通过副线圈中磁通量没有变化,没有感应电流产生,所以喇叭不响。

教师适时教会学生消除互感的方法。互感有用的我们要加以利用,有害的互感就要消除它,一般电阻的绕法采用的是双线绕法,其主要目的就是消除互感带来的弊端。这样的实验设计把“双线绕法”和“消除互感”两个知识点的教学巧妙结合。教师引导,结合趣味实验,促使学生利用原有知识很快地完成知识的迁移,以培养学生的观察、分析和解决问题的能力、实验设计和动手能力,使学生形成严谨的、实事求是的科学态度，为提高学生的物理核心素养搭建平台。

2.5 把同一实验的结果进行评价、分析、总结,提升学生的思维能力

在互感实验中,教师拿出自制的用双线绕制的线圈，请同学重做互感实验,结果喇叭有非常微弱的声音。这又是为什么?

学生很快从原理上找出原因：手工绕制的线圈不是完全的对称,也就是磁通量的变化不能完全抵消，所以会有微弱的感应电流产生。

分析实验现象、得出实验结论、评价实验结果、寻找影响实验结果的因素及实验误差产生的原因，是帮助学生加深理解实验原理,使得学生对新旧知识的联系掌握更牢固,对实验的设计产生新的认识,能从纷繁复杂的实验现象中抓住本质,从各个方面理解实验,对实验分析得全面、透彻。

3 结语

在物理教学中，多做、巧做实验,多设问,巧设陷,多发散,多评析，当研究不仅仅局限于兴趣而是与志趣相结合时,学生的潜力是无限的,热情也是巨大的。在不断探索的过程中,在不知不觉中培养了学生的观察能力、质疑能力,让学生经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养了学生的探索精神、实践能力以及创新意识，提升了其核心素养。