优化改进物理实验　提升科学探究能力

［摘 要］“科学探究”是基于观察和实验提出物理问题、进行猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、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。如何在实验探究中提升学生的科学探究能力是一个重要课题。文章以“探究影响感应电流方向的因素”实验为例，分析实验探究中发现的问题，并提出实验探究的改进措施，让学生经历完整的科学探究过程，提升学生的科学探究能力。

［关键词］科学探究能力；改进；实验探究；感应电流

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）17-0048-03

“探究影响感应电流方向的因素”是人教版（2019年版）高中物理选择性必修第二册第二章第1节“楞次定律”中较为抽象、难以理解的实验 ，一直以来都是“楞次定律”新课教学的难点。为了突破教学难点，增强实验探究效果，提升学生的科学探究能力，笔者根据新修订的普通高中物理课程标准，在了解实验探究思路的基础上，分析实验探究中发现的问题，并提出实验的改进措施，让学生经历完整的探究过程，提升学生的科学探究能力。

一 、实验探究思路

对于“探究影响感应电流方向的因素”实验，教材首先安排学生根据“条形磁铁的N极或S极插入、抽出闭合线圈，导致穿过线圈的磁通量发生变化而产生感应电流”初步猜想感应电流的方向与磁通量的变化之间的关系。为验证猜想，要求学生利用如图1所示的实验装置进行实验探究，并在纸上画出实验草图，根据实验结果，记录如图2所示的磁极运动的四种情况。

结果发现，当穿过线圈的磁通量增大时，若磁场方向不同，则感应电流的方向并不相同（如图2甲、乙）；当穿过线圈的磁通量减小时，感应电流的方向也不同（如图2丙、丁），从而得出感应电流的方向与磁通量变化并无直接关系。于是转换角度，联想到磁体周围存在磁场，感应电流也会产生磁场，便再次提出猜想：感应电流磁场的磁通量与磁体磁场的磁通量有关系。进一步分析发现，磁通量的变化可以用磁场的变化来体现，即感应电流的方向与磁场的方向有关，最后得出应该选择磁体的磁场和感应电流的磁场这两个物理量进行分析。于是探究得出如表1、表2所示的实验结果，并根据实验结果归纳出结论：当穿过线圈的磁通量增大时，感应电流的磁场与磁体的磁场方向相反，阻碍磁通量增加；当穿过线圈的磁通量减小时，感应电流的磁场与磁体的磁场方向相同，阻碍磁通量减小，进而总结出楞次定律。

学生首先根据观察到的物理现象提出可探究的问题，并提出初步猜想，再作出有依据的假设，相互讨论制定实验探究方案，使用基本的器材进行实验探究，获得实验结果，然后分析实验结果，用学过的物理术语、图表等交流实验探究过程，发现规律并总结出楞次定律。

二、实验探究中发现的问题

此次实验探究按照“原磁场方向→原磁场（磁通量）的变化→感应电流方向（包含识别线圈绕向及电表指针偏转方向）→感应电流的磁场方向（中间量）”这一思路来引导学生探究楞次定律。在实验教学中，笔者发现学生的实验探究效果不尽如人意，究其原因，一是该实验探究过程需要理解、记忆、推理的东西较多，而且较抽象，致使学生不知如何进行实验探究、怎样确认感应电流的方向，影响了实验探究的效率和成功率；二是在实验探究过程中学生发现实验器材、实验操作等方面存在一些问题，这些问题影响了实验探究效果。具体问题如下：

（一）感应电流流向与电流表指针偏转方向的关系不清楚

在实验探究方案中，一开始就让学生画出如图3所示的实验装置简图，然后让学生根据如图2所示的磁极运动四种情况，分别标出线圈中感应电流的方向。然而，感应电流看不见摸不着，虽然可用电流表来观察，但是学生不清楚电流表指针偏转方向与线圈中感应电流方向的关系。原实验探究方案并未明确总结出解决方法，这给实验探究增加了难度。对此，教师可以将其作为问题抛给学生，让他们思考、讨论，以培养他们的解决问题能力。

（二）实际使用的螺旋管线圈绕向不易观察

由学生画的实验装置简图可以看出导线的绕向，然而实验中实际使用的是如图4所示的线圈，该线圈是立体的、匝数又多又密，尽管单独标记了导线绕向，还是有很多学生分不清楚线圈的绕向，而且把两个接线柱都放到了顶部，哪个接线柱接哪端导线也不够直观，使得一些学生很难准确画出感应电流的流向，影响了探究实验的成功率。

（三）磁铁插入和抽出线圈的操作不精准

磁感线是闭合曲线，磁铁外部的磁感线从N极指向S极，内部从S极指向N极。当磁铁N极由线圈上方一定高度接近线圈时，穿过线圈的磁感线向下，磁通量增加；而当磁铁N极继续插入线圈内（如图5），由于既有磁铁内部向下的磁感线穿过线圈，又有磁铁外部向上的磁感线穿过线圈，因此学生质疑磁铁插入线圈的过程磁通量不一定增大，反之将磁铁拔出线圈的过程磁通量也不一定就减少。

三、实验改进措施

针对上述实验探究中发现的问题，师生间、生生间展开了交流讨论，最终提出了具体的解决措施。通过下面一系列改进和完善，使实验探究得以顺利进行，同时提升了学生的科学探究能力。

（一） 增加“感应电流流向与电流计指针偏转方向关系”的探究环节

在正式进行实验探究前，先进行“感应电流流向与电流计指针偏转方向关系”的探究，即利用如图6所示的电路图和结合表3，探究感应电流流向与电流计指针偏转方向的关系，为下一步根据电流计指针的偏转方向判断感应电流的方向做好准备。

（二）改进实验器材，让线圈的绕向变得直观可视

把如图4所示的线圈上端的黑色接线柱移到线圈底部，然后在两个接线柱之间缠绕几圈有颜色的导线（如图7），以此来表示线圈的绕向，这样学生便能直观地看出导线绕向和电流流向，大幅度降低学生根据磁极运动画线圈中感应电流方向的难度。这个线圈接线柱的小改进彰显了学生发现问题并解决问题的能力，大大提升了学生的科学探究能力。

（三）将磁铁插入和抽出线圈改为移近和远离线圈

为了避免对磁铁在线圈内运动时磁通量是增加还是减少产生困惑，有学生提出实验操作时将条形磁铁插入和抽出线圈改为移近和远离线圈，即条形磁铁只在线圈上方迅速移动，不插入线圈内，这样就很容易判断出穿过线圈的磁通量是增加还是减少了，同时让磁通量的变化成为准确表述的物理量，从而形成正确的科学探究结论。这一改进体现了学生对科学探究的严谨态度。

（四）设计简单明了的实验方案

为了降低实验探究的难度，让学生很好地体验科学探究过程，体会科学探究的快乐，本着“实验器材、实验原理、实验过程及实验现象越简单越好”的原则，笔者与学生共同探讨是否可以选用“楞次环”来进行该探究实验。“楞次环”如图8所示，A是闭合铝环，B是不闭合铝环，横梁可以绕中间的支点转动。实验时，用条形磁铁的任意一极移近、远离A环，观察A环的运动情况，并思考铝环为什么会被磁铁排斥和吸引。通过探究，归纳总结出如表4所示的实验现象与结论。

通过教学对比发现，相较于教材中的实验探究方案，用“楞次环”进行实验探究的优势在于：实验仪器简单、操作不复杂、成功率高、实验现象直观。学生观察表4中第二列的实验现象和第三列的磁通量变化，再通过独立思考和小组讨论得出铝环在磁铁作用下运动的原因——铝环中的感应电流产生的磁场和磁铁的磁场发生了相互作用。因此，可以根据“同极相斥、异极相吸”的原理，先判断出感应电流的磁场方向，然后再由右手定则判断出感应电流的方向，由此得出表4中第四列和第五列的规律。显然，学生通过实验探究结果很容易总结出“感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通量的变化”这一核心规律，同时也能形成判断感应电流方向的思路：先找出容易判断的感应电流产生的磁场方向，再由右手定则判断感应电流的方向。这样省去了确定导线绕向、电流计指针偏向等烦琐冗长的过程，体现了实验探究的可操作性和直观性，大幅度提高了实验探究的效率。

四、反思与总结

如何让科学探究落到实处并让学生的科学探究能力得到提升，是每一个物理教师应当思考的问题。教师应充分挖掘教材资源，对教材资源进行合理、优化处理，做到既源于教材又不拘泥于教材。诚然，按照教材“原磁场方向→原磁场（磁通量）变化→感应电流方向→感应电流的磁场方向”这一思路进行实验探究更能揭示电磁感应的本质与内涵；而利用“楞次环”，按照“原磁场方向→原磁场（磁通量）变化→感应电流的磁场方向→感应电流方向”这一思路进行实验探究看似有些本末倒置，但通过结果反推原因、由现象反究其本质也是一种常用的物理研究方法，也能得出正确的探究结论。从教学本质来讲，教学的目的在于使抽象知识具体化、烦琐知识简单化。因此，在科学探究实践中，教师可以根据学生的探究情况完善和调整探究方案，让学生真正经历和体验科学探究环节，切实提高学生的科学探究能力。

［   参   考   文   献   ］

[1]  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.普通高中教科书   物理   选择性必修   第二册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]  冯杰.高中物理探究实验及案例教学设计[M].北京：北京大学出版社，2011.

[3]  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[M].北京：人民教育出版社，2020.

（责任编辑 黄春香）