物理核心素养视阈下基于自制实验的教学设计

李勇 杨培军

摘   要：物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的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，实验教学是培养学生物理核心素养不可或缺的部分。交变电流的产生过程复杂，学生探究其规律存在困难。教师通过自制实验，引导学生观察变化过程，构建理论模型，推导变化规律，并设计实验对理论探究结果加以验证。文章阐述了在物理教学过程中如何培养和提升学生的物理核心素养。

关键词：物理核心素养;交变电流;自制实验;构建模型;实验验证

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0030-5

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的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，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面的要素构成[1]。物理核心素养视阈下的 “交变电流”教学凸显实验探究和科学思维，自制实验，创设真实的情境形成物理观念、渗透科学态度与责任，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用。

1    “交变电流”教材及学情分析

1.1    教材分析

“交变电流”是普通高中人教版物理选修3-2第五章第一节的内容，是电磁感应的具体应用。本节内容是通过实验让学生了解交变电流的特点，理解正弦式交变电流的产生过程，掌握其变化规律。因此，正弦式交变电流产生的实验是本节课的点睛之笔。

然而，若按照人教版物理教材图5.1-2的实验装置来演示实验[2]，由于装置过小、变化不明显等原因，不利于学生观察正弦式交变电流产生的具体过程;另外，若按照教材提供的图5.1-3 进行分析，得出正弦式交变电流的变化规律，缺乏实验验证，不利于学生物理核心素养的培养。

1.2    学情分析

学生已经学习过电磁感应的相关知识，这为本节课的学习打下了理论基础，学生对交流电早有耳闻，这也为学习本节课做好了心理准备。但交变电流的相关知识点多，产生过程较为复杂，学生很难构建模型，如果只重视理论分析、结论陈述，会导致很多学生一知半解。因此，让学生通过实验探究正弦式交变电流的变化规律是最为直接和有效的教学方式。基于此，在教材实验的基础上，对实验器材进行改进、优化和创新，使之更方便于正弦式交变电流现象与规律的实验探究，进而培养学生严谨的科学探究的品质。

2    学习目标

学习目标如表1所示。

3    教学重难点

3.1    教学重点

通过实验探究交变电流，让学生理解和掌握交变电流的产生過程及其变化规律。

3.2    教学难点

在探究交变电流规律实验过程中，培养学生发现问题、解决问题的能力，通过对实验的不断创新和改进，培养学生的创新思维。

4    教学思路（如图1所示）

图1  教学思路图

5    教学过程

5.1    实验初探，认识交变电流

（1）认识实验装置，明确原理[3]

师：这是自制手摇发电机的实验装置（如图2所示），上下是两个大条形磁铁，中间是个闭合矩形线圈，转轴一端连接手摇转盘，另一端连接两个电刷。当手摇转盘，带动矩形线圈转动切割磁场，进而产生电流[3]。请问本装置的工作原理是什么？

生：法拉第电磁感应定律。

（2）接通电路，点亮发光二极管

师：如图3所示，接通控制二极管开关，摇动转轮，观察红蓝二极管的发光情况。

生：红蓝两个二极管交替发光。

师：此现象说明了该装置产生的电流方向有何特点？

生：电流方向发生周期性■

图2  自制手摇发电机实验装置

（3）接入灵敏电流计，观察指针变化

师：按照图3所示，将灵敏电流计接入电路，摇动转轮，观察灵敏电流计指针的偏转情况。

生：灵敏电流计的指针在“0”左右来回摆动。

师：表明该装置产生的电流大小有何特点？

生：电流大小发生周期性变化。

（4）放慢过程，观察特殊位置

师：如图3所示，接通灵敏电流计，缓慢匀速转动转轮，分别观察一个周期内电流的变化规律，观察线圈与磁场方向满足什么关系时，电流方向发生改变。

图3  手摇发电机演示电路

生：线圈平面与磁场方向垂直时，电流方向发生改变。

师：能用我们学过的哪个定律解释原因呢？怎么解释？

生：楞次定律。磁场方向不变，假定线圈平面从与磁场平行开始计时，在线圈转到与磁场垂直前，磁通量一直在增大，当线圈平面与磁场垂直后，磁场从线圈另一面穿过线圈，相当于磁通量变反向，而且磁通量在减小，故线圈输出的电流方向发生变化。

师：继续缓慢匀速转动转轮，观察一个周期内电流的变化规律，观察线圈与磁场方向满足什么关系时，电流最小。

生：线圈平面与磁场方向垂直时，电流最小。

师：继续缓慢匀速转动转轮，观察一个周期内电流的变化规律，观察线圈与磁场方向满足什么关系时，电流最大。

生：线圈平面与磁场方向平行时，电流最大。

师：能用我们学过的哪个定律解释原因呢？怎么解释？

生：法拉第电磁感应定律。磁场方向不变，线圈转动过程中其各边一直在切割磁场，当线圈转到与磁场方向垂直时，线圈运动方向与磁场平行，电动势为零;当线圈转到与磁场方向平行时，线圈运动方向与磁场垂直，此时电动势最大，输出的电流也最大。

【设计意图】

（1）通过借助生活中的大磁铁和漆包线等自制手摇发电机，激发了学生的兴趣，拉近了学生与知识的距离;自制的手摇发电机装置大，磁场更强，匝数更多，方便拆卸，更有利于学生观察，增加了实验装置的可视性。

（2）实验过程先演示二极管交替发光，说明电流方向变化，再到灵敏电流计显示电流变化，最后放慢过程，有目的地观察，实验过程层层递进，体现了教学过程的进阶性，符合学生的认知发展规律。

（3）通过缓慢转动线圈，让学生观察电流方向发生改变时线圈的位置，以及电流大小为极值时线圈的位置，能帮助学生正确理解中性面等概念，突破不易观察的教学难点。

5.2    理论探究，探究交变电流的变化规律

（1）自制教具，构建模型

师：如图4所示，自制磁感线模型，两个磁极间的磁场用细线模拟，用一个矩形硬纸片代替线圈在磁场中转动[4]，矩形硬纸片在磁场中转动时，哪些边在切割磁场？

图4  自制磁感线模型

生：图中4个边转动，相当于只有2个边在切割，而且它们产生的电动势方向相同。

师：请同学们尝试着将磁场和线圈画在同一个平面区域内，画图时思考主视图、俯视图、侧视图以及磁场和线圈呈现的状态。

（2）明确概念，理论推导

师：由刚才定性分析可知，线圈平面与磁场垂直时，电流最小，电流方向在此处发生变化，物理学中将该位置称为中性面。线圈在一个周期内几次经过中性面，电流方向改变几次？

生：一个周期内线圈两次经过中性面，电流方向改变两次。

师：假定从中性面计时，绕中心轴以角速度ω匀速转动，转动时间为t，磁感应强度为B，线圈面积为S，线圈匝数为N。利用法拉第电磁感应定律等知识推导电动势的表达式。

课件展示问题链：①转动过程哪些边在切割磁感线;②t时刻速度与磁感应强度B的夹角怎么表示;③N匝线圈同时切割，总的电动势与每一匝产生电动势是什么关系。

生：（自主探究，如图5所示）

图5  学生理论探究交变电流的电动势流程图

（3）验证结论，感受成果

师：我们将自制发电机连接DIS电压传感器，并接入计算机，尽量匀速转动线圈，观察电压随时间的变化规律（如图6所示）。思考电压随时间是否按正弦规律变化。

图6  自制实验输出的交变电流电动势变化规律图

生：电压随时间的变化图大概像正弦图，但很不标准。

师：是不是我们的理论探究存在问题呢？请大家发表自己的看法。

生：我们推导时，建立的模型是线圈在匀强磁场中匀速转动，而该实验装置的磁场不是匀强磁场，线圈也不是匀速转动的，所以，图像不是标准的正弦图，理论推导应该没有问题。

【设计意图】

自制磁感线模型，化抽象为具体，展示线圈转动切割磁感线的过程，同时引导学生画出平面图，有利于学生将立体问题转化为平面问题，促进学生建立模型;充分利用自制实验，及时用实验验证交变电流正弦式变化规律，让学生享受探究成果，增强探究信心，同时引发学生更加深入地思考，将课堂推向深度探究之中。

5.3    创新实验，验证交变电流电动势峰值的决定因素

（1）创新实验，提升效果

师：我们还可以怎么改进实验呢？

生A：可以用机器带动线圈转动，实现匀速转动。

生B：改换磁铁，寻找能够提供匀强磁场的装置。

師：大家请看改进后的装置，如图7所示。

图7  自制定量探究交变电流实验装置

利用亥姆霍兹线圈提供磁场，可以获得匀强磁场，并可根据需要改变磁场的强弱;利用直流电动机带动线圈转动，可实现匀速转动，并可根据需要通过电压改变转速;利用滑环代替电刷，可根据需要改变切割磁场的线圈匝数;更换线圈，改变线圈面积[5]。这样我们就实现了手摇发电机的改进升级。我们再一次来观察电压随时间变化的图像（如图8所示）。

生：集体自发热烈鼓掌。

（2）深入探讨，定量研究

师：科学探究要有证据意识。我们已经证明了线圈在匀强磁场转动产生的是符合正弦变化规律的电压，由e=NBSWsinωt可知，电动势的峰值与磁感应强度B、线圈面积S、线圈匝数N以及线圈转动的角速度ω有关，且均成正比关系，能不能设计实验来验证一下呢？

图8  改进后的实验输出的电压变化规律图

生：可以，我们可以采用改进后的实验装置，用控制变量法进行定量研究。

师：具体是什么样的呢？

生：探究电动势的峰值Em与磁感应强度B的关系。保持匝数N、线圈面积S、角速度ω不变，通过励磁电流成倍改变B，记录Em，并作出Em-B变化关系图。其他因素也按照这样的方法探究。

师：课堂演示。控制其他条件不变，探究线圈电动势峰值与匀强磁场磁感应强度B的关系。直流电动机U调到12 V，成倍增大励磁电流的工作电压U。观察线圈稳定后输出的最大电压值Um。如表2、图9所示。

表2  探究交变电流电动势的峰值与

磁感应强度B的关系（U'=12 V）

图9   线圈最大电压与励磁电流电压的关系图

师：线圈最大电压与励磁电流电压图像是一条倾斜直线，又知磁感应强度B与励磁电流电压成正比关系，由此可得出什么结论？

生：在误差允许的范围内，电动势的峰值Em与磁感应强度B成正比关系。

（3）课堂留白，意味深远

因上课时间有限，课堂上教师按照原理图简单操作几组数据，引导学生课后继续探究，将课堂延伸到课外。

【设计意图】

采用改进后的装置可以观察到比较标准的正弦图像，增强学生的探究兴趣，培养学生严谨的科学探究习惯;通过定量探究电动势的峰值Em的几个决定因素的讨论，开阔学生的视野，发散学生的思维，培养学生的创新思维，进一步培养学生科学探究的证据意识，提升学生的科学探究素养。

6    教学反思

本节课采用“探究进阶式”教学，即实验初探—构建模型—理论推导—实验验证。本课是以培养学生思维为中心、以创新实验为基础、以巧设问题为导向的进阶式教学。通过让学生动手操作、动眼观察、动脑质疑，引导学生发现问题、解决问题，培养学生勇于探索、不断创新的科学态度，同时提高学生的思维能力和创造能力。

借助自制手摇发电机实验，增强实验的可视性，实现放慢变化过程，有利于学生理解交变电流的变化，为定量推导交变电流电动势表达式奠定了心理基础;自制线圈模型，化抽象为具体，有利于学生构建理论模型，促進理论探究;及时验证，让学生享受探究成果，增强学生科学探究的信心;创新实验，实现由定性到定量的探究，发散学生思维，进一步培养学生科学探究的证据意识，提升学生科学探究的能力。

通过一系列实验活动，让学生经历情感体验和知识探究的过程，通过有效改进实验，培养学生具有创新的科学思维，严谨的科学探究态度，不怕困难的科学探究精神。教学中定量探究正弦交变电流的改进实验存在操作困难等一些缺陷，仍需进一步优化、改进。

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版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-52.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010：31-34.

[3]孔兴隆，王建浩.交流电产生原理的实验装置改进[J].物理教学与仪器，2018（3）：26-27.

[4]田阳阳.基于物理核心素养导向的“交变电流”教学案例[J].物理教师，2017，38（2）：7-12.

[5]廖永容，杨晓梅，陈琪睿.基于物理核心素养的探究实验教学案例设计——以交变电流为例[J].物理教师，2018，39（10）：7-11.

（栏目编辑    邓   磊）