开发失败实验价值 培养学生创新思维

收稿日期：2024-01-07

基金项目：2022年毕节市教育科学规划立项课题“县域中学科技创新教育校本课程开发实践研究”（ 2022B131）；2022年毕节市教育规划立项课题“农村中学物理学科自制教具开发应用的实践研究”（2022B050）；2023年贵州省教育科学规划重点课题“基于‘PBL’教学法初中物理跨学科教学的实践研究”（2023A033）。

作者简介：王乾军（1973-），男，中学高级教师，研究方向为中学物理教学与实验教学。

摘   要：物理学是一门以实验为基础的自然科学。物理学中有丰富多彩的实验现象，不仅能激发学生的学习兴趣和热情，还能在实验过程中培养学生的科学探究能力。失败的实验也可以引发学生思考，培养创新思维。自制教具是中学物理课程资源的重要组成部分，利用自制教具在课堂教学中做演示实验以完成课堂教学的课例屡见不鲜。在验证“法拉第电磁感应定律”时，尝试自制出一套实验教具，实现电磁感应定律的定量测量验证，达到有效完成本节课实验教学的效果。

关键词：物理实验；自制教具；实验教学；失败实验；定量测量

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0062-4

关于人教版普通高中教科书物理选择性必修第二册第二章第2节的“法拉第电磁感应定律”，在讲解这堂课的内容时，现有物理教材中对法拉第电磁感应定律仅仅局限在对法拉第电磁感应现象的介绍；教材中也明确指出，感应电动势与磁通量的变化率成正比［1］，如2019年版的物理教材直接给出法拉第电磁感应定律的概念及推导公式，并没有相应的实验仪器把实验数据及现象展现在学生面前。于是，笔者尝试设计出一套实验教学仪器，通过实验，能把抽象的理论用直观的实验现象展现在学生面前，让学生观察实验现象，记录实验数据，并进行数据处理，有助于学生掌握物理知识的外延及内涵。实验教学在物理教学中具有不可替代的作用，在日常实验教学中，常常由于种种原因造成物理实验效果不明显，甚至实验以失败而告终的事例时有发生。然而，失败的实验结果何尝不是课堂教学的点睛之笔呢？失败的实验可以引发学生思考，更能成为知识内化的强有力抓手。因此，开发失败实验价值，对失败实验的后续探究，可以激活创新思维，激励创新实践，提升创新能力，培养创新人才。本文将以“法拉第电磁感应定律”实验为例，讲述在课堂教学中如何将“失败”化为“神奇”。

实践是检验真理的唯一标准。当前的高中物理教学注重知识的传授，对于物理规律的获得过程并没有重视，而新课程标准中强调实验对学生科学思维能力的培养有潜移默化的作用［２］。在物理课堂教学中，教师应重视演示实验，尽量用实验说明问题、解决问题，同时让学生在课堂实操中完成每一个分组实验。从实验中获取新知、理解新知、掌握新知，真正做到从感性认识上升到理性认识。

笔者在教学过程中采用如图1所示的演示实验：线圈的两端与电压传感器相连。将强磁体从长玻璃管上端由静止下落，穿过线圈。分别使线圈从距离上管口20 cm，30 cm，40 cm和50 cm处由静止开始下落，记录每次下落时电压传感器测得的最大值。分别改变线圈的匝数、磁体的强度，重复上面的实验，得出线圈的匝数越多，磁体下落的高度越高，产生的电压越大。这只是一种定性的关系，无法得出“闭合电路中感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比”的结论［1］。因此，不少学生产生疑问：感应电动势究竟是与■成正比，还是与（■）2，（■）3成正比呢？因此，在教学过程中，从实验演示到得出结论还存在较大的研究空间。面对质疑，笔者在教学中尝试让学生设计一套能定量研究“感应电动势的大小与哪些因素有关”的实验装置。学生通过深入研究，设计了许多定量探究“感应电动势的大小与哪些因素有关”的实验装置，其中“一款低成本定量探究法拉第电磁感应定律装置”（图2）是比较成功的案例。

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图1  法拉第电磁感应定律演示实验示意图

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图 2  一款低成本定量探究法拉第电磁感应定律装置

1    实验的难点分析

当前高中物理教材对该实验没有较好的突破，笔者认为导致实验失败的难点有两个：第一，在电磁感应的实验中往往产生的电流较小，并且不稳定，需要结合传感器和电脑来进行测量和记录；第二，感应电动势与磁通量变化率成正比，但是如何产生一个变化的磁场并测量磁通量变化率呢？这里就需要一系列昂贵的设备，因此在高中阶段不适合进行实验演示；那么，有没有一套价格低廉、使用方便而且能定量探究法拉第电磁感应定律的装置呢？

2    实验设计

根据感应电动势公式E=N■得出，这个实验关键是要测量感应电动势和磁通量变化率。在电路电阻一定的前提下，电动势可以通过测量感应电流来替代，但是在实验设计中却有以下两个难点：一是产生感应电流的时间短，来不及测量；二是磁通量变化率无法定量测量。

2.1    针对产生感应电流的时间短的设计

感应电动势与感应电流大小成正比，所以我们可以把测量电动势转换为测量感应电流。受到电脑光驱的启发，学生在光盘上粘上磁铁，然后利用电动机的转动带动光盘持续稳定转动，这样在线圈中就会产生持续稳定的感应电流，方便较长时间测量。在测量电流方面采用数字式电流表来测量，比指针式电流表更易操作和读数。

2.2    针对磁通量变化率测量的设计

实验的第二个难题是如何测量磁通量变化率。磁场的变化率依靠实验室的仪器很难测量。学生利用倍增思维，通过按比例增加电动机的转速，磁通量变化率必然也会按比例增加。因此，只需要验证当电动机的转速成倍增加时，产生的感应电流是否也成倍增加即可。这样就能够验证感应电动势是否与磁通量变化率成正比。

实验仪器的使用与实验论证逻辑：如图3、图4所示，接通电源，电动机开始旋转，将线圈放到圆形横梁上，用电流表测量产生的电流，然后不断增加线圈的个数，观察电流表的示数变化，这样就完成了感应电动势与线圈匝数关系的实验。在探究感应电动势与磁通量变化率关系的实验中，由于磁通量变化率不好测量，因此我们采用了让电动机转速增加的方法，电动机转速越快，磁通量变化率也就越快，通过测速仪测量电动机的转速就可以观察感应电动势与磁通量变化率的关系。

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图3   实验电路连接示意图

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图4  电路实物图

3    实验器材

实验所需的器材有废旧光盘、木棒、电动机、转速仪、数字电流表、学生电源、线圈三个、导线若干。

4    实验装置制作

4.1    支架的制作

用边长分别为30 cm，25 cm，25 cm的木板做成n型支架，其中在边长为30 cm的木板中央开了一个孔。

4.2    实验的组装

将三块木板用直角固定铁片进行连接做成支架，把电动机转动轴穿过木板中央的孔，将粘有4块强磁铁的光盘固定在电动机转动轴上，固定好电动机。这样随着电动机带动磁铁的转动便能产生一个稳定的磁场变化，从而也就能够产生一个稳定的电流，以方便我们进行观察并测量。为了测量电动机的转速，我们在光盘下方安装转速测速仪，通过转速测速仪可以直接测量电动机的转速。

4.3    横梁的安装

横梁的安装是一个很关键的设计，因为磁铁随着光盘匀速转动，那么就在光盘的下方形成了一个均匀变化的磁场。为了让每个线圈的磁通量变化率相同，在光盘下方设计了一个圆形的横梁，横梁的圆心和光盘的圆心在同一重垂线上，这样就保证了放在横梁上的每个线圈到光盘的距离相等，那么磁通量变化率也就相同了。

5    实验方法和效果

在实验教学过程中，我们采用控制变量法，通过控制单一变量，使得实验数据真实有效，实验现象明显，效果较好。

5.1    感应电流与匝数的关系

保证光盘转速不变，改变线圈的匝数，探究电流（i）与线圈匝数的关系（图5）。为了便于记录和分析，我们设计了表1记录实验数据。

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图5  实验现象

表1  光盘转速不变情况下电流与线圈匝数的关系

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结论：磁通量变化率不变的情况下，在误差允许的范围内，感应电流的大小（i）与匝数（N）成正比。

经过测试发现电流稳定，符合我们设计的预期，并且当线圈的匝数成倍增加时，电流也会成倍增加。

另外，我们还进行了另一组测试，当改变电动机的转速时，电流也会按照相应的比例增加。保证线圈的匝数不变，改变光盘的转速，探究电流与磁通量变化率的关系。由于磁铁固定在光盘上，随着转速的增加，磁通量变化率也会随之增加，通过测量转速增加倍率来替代磁通量变化率增加的倍率。实验中电流变化记录如表2所示，电流大小变化的过程如图6所示。

表2   匝数不变情况下电流i与转速的关系

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图6  实验现象

通过对数据的分析发现，当转速由389.7 r/min增加到502.8 r/min时，转速扩大了1.290倍，电流由0.53 mA增大到0.68 mA，电流扩大了1.283倍，在误差允许的范围内，两者非常接近。同理，转速增大到666.3 r/min时，电流也是按照十分接近的比例增大。

结论：匝数不变时，在实验误差允许的范围内，感应电流与磁通量变化率成正比。

5.2    实验改进带来的思考

本实验设计利用电机转动代替以往演示实验中用手移动磁铁，有助于产生稳定的电流，便于测量。利用测量电机转速的增加替代磁通量变化率的增加，改变了目前很难测量■的难题，解决了当前教材无法定量验证法拉第电磁感应定律的现状。

6    结束语

古人云“失败是成功之母”，无论是老师、学生，还是科学家，每一次实验都有失败的可能性，我们只要把握实验原理，遵循实验步骤逐步进行实验，分析、处理实验数据，做到在每一次实验中成长。把实验从定性的验证性实验转变为定量探究性实验，是初中物理与高中物理的一个螺旋形的上升，从定量实验得到的物理规律更利于学生理解和接受［３］。实验失败了，我们要和学生一起分析原因，提出假设，找出改进方法，利用失败实验激发学生的创新思维，鼓励学生探索实践，培养正确分析问题、解决问题的能力。正确运用失败实验的价值，在教学中能够起到意想不到的效果，失败实验也许会成为教学的点睛之笔。于是在教学过程中，我们可以自制各类实验教具，弥补当前实验室内教具不足的问题，形成一套易复制、可推广的实践应用教学模式，切实有效地提升中学物理教育教学的质量［４］。

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，２０２０：３０－３３．

［2］陈斯钿，李德安，黄大平，等.自制多功能光学实验探究仪［Ｊ］．物理通报，２０１９（４）：７５-７９．

［３］高子义.基于物理学科核心素养的问题链设计策略研究——以“电磁感应”为例［Ｄ］．兰州：西北师范大学，２０２１．

［４］陈显灶.创新教具制作 突破“三线共面”［Ｊ］．物理教学，２０２３，45（１２）：３７－３９．

（栏目编辑    刘   荣）