摘 要：從“互感和自感”一課的實驗過程設(shè)計入手，以實驗為基礎(chǔ)，過程為主線，思維為中心，通過觀察生活中的物理現(xiàn)象，自制實驗器具，設(shè)計實驗方案，重視演示實驗的過程設(shè)計.從“物理觀念”“科學(xué)思維”“實驗探究”“科學(xué)態(tài)度”幾個方面討論如何在物理教學(xué)中提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，把物理知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生的個體知識和觀念，把物理思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認識能力和思維方式，真正讓“物理教學(xué)”走向“物理教育”.

關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計；能量觀；實驗探究；科學(xué)態(tài)度

新一輪高中課程改革，提出構(gòu)建學(xué)生的核心素養(yǎng)，以讓學(xué)生具備能夠適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.對于高中物理學(xué)科，抓住物理學(xué)科核心素養(yǎng)，才能抓住物理學(xué)科教育的根本，才能使我們物理教學(xué)具有獨特的重要育人價值.作為高中一線物理教師，在平時教學(xué)中如何定位物理學(xué)科價值？如何以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，將物理觀、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責任等要求始終貫穿整個教學(xué)過程，讓物理教學(xué)過程成為學(xué)生核心素養(yǎng)的形成過程，讓教育本質(zhì)真正地全面回歸呢？下面以“互感和自感”中的實驗過程設(shè)計為例談幾點思考.

一、通過物理現(xiàn)象設(shè)計實驗方案，樹立能量守恒觀點

現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2第四章第6節(jié)《互感和自感》中，介紹了收音機中的“磁性線圈”，它是利用電磁感應(yīng)把廣播電臺的信號從一個線圈傳送到另外一個線圈.但是現(xiàn)在學(xué)生大多不使用收音機，對其很陌生，更何況其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以可以根據(jù)收音機的接收和轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計探究實驗，對以上物理現(xiàn)象進行還原和重演.

（一）設(shè)計演示實驗：自制簡單收音機[1]

我們結(jié)合教室中現(xiàn)成的器材，從教室的平板電腦中引出音頻線連在一個大線圈（約為600匝）上，將一個小線圈（約為100匝）與音箱構(gòu)成閉合回路，為直觀顯示平板電腦的聲音電流信號通過互感使小線圈中產(chǎn)生了電流，小線圈和音箱的閉合回路中再串聯(lián)一個G表（如圖1）[2].

現(xiàn)象：在電腦中播放音樂，當小線圈插入大線圈中（如圖2），讓學(xué)生震撼的一刻出現(xiàn)，音箱中竟傳出相同的音樂.

分析：當沒有用導(dǎo)線相連的大小線圈靠在一起，其中一個線圈的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象叫做互感，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫互感電動勢.在剛才的教學(xué)中，根據(jù)收音機接收原理，設(shè)計實驗，讓學(xué)生經(jīng)歷知識發(fā)生過程后，再引入互感概念，兩個線圈實現(xiàn)了把信號從一個線圈傳播到另一個線圈，把能量守恒觀點滲透到概念教學(xué)中.

（二）互感的實際應(yīng)用：變壓器

圖3是我們生活中常見的變壓器，其作用是電壓變換和能量輸送，圖4是對應(yīng)的教學(xué)用變壓器，簡化成變壓器示意圖（如圖5）.圖5左右分別是由銅導(dǎo)線繞制而成沒有相連的線圈，左線圈（約為200匝）通入220V交流電，右線圈（約為5匝）與額定電壓2.5V的小燈泡相連.

現(xiàn)象：當左線圈中某段時間電流改變時，沒有用導(dǎo)線相連的右線圈回路中小燈泡“莫名”地亮了起來，這個現(xiàn)象對學(xué)生產(chǎn)生了強烈的視覺沖擊.

分析：當左線圈中某段時間電流增大，穿過右線圈的磁通量增大，根據(jù)電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件，右端線圈產(chǎn)生如圖6的等效電源，所以此時小燈泡發(fā)光，實現(xiàn)了能量從一個線圈轉(zhuǎn)移到另一個線圈，使學(xué)生嘗試用能量觀來分析互感現(xiàn)象.

（三）互感的防止

互感現(xiàn)象不但發(fā)生在兩個線圈之間，還可以發(fā)生在兩個相互靠近的電路間，在電工和電子技術(shù)的電路中，互感有時會影響電路的正常工作，我們可以通過屏蔽電纜減小互感的影響，在電路板的刻制時就要設(shè)法減小電路之間的互感現(xiàn)象（如圖7）.

有意義的學(xué)習活動總是從物理現(xiàn)象開始的，觀察實驗現(xiàn)象的過程中，讓學(xué)生與原有的生活經(jīng)驗相沖突，通過回憶電磁感應(yīng)現(xiàn)象，聽到音響傳出相同的音樂，看到小燈泡發(fā)光三種不同的感官體驗，讓學(xué)生真正體會到現(xiàn)象是物理學(xué)的根源.這不僅有助于掌握互感知識點，還利于學(xué)生把物理應(yīng)用到生活中來.作為客觀存在的磁場，其能量通過互感現(xiàn)象從一個線圈傳輸?shù)搅硗庖粋€線圈，讓學(xué)生從物理學(xué)視角形成對互感現(xiàn)象中能量的基本認識，加深理解電磁感應(yīng)的本質(zhì)，樹立學(xué)生的能量觀.

二、通過自感演示實驗的過程設(shè)計，提升實驗探究能力

互感既是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實例，又為自感的引入起到了承上啟下的作用，當一個線圈中磁通量發(fā)生變化，在另一個線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.如果把另一個線圈撤去，只考慮一個線圈（如圖8），當這個線圈的電流發(fā)生變化，它本身會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢嗎？

分析：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，顯然線圈本身會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，我們把自身激發(fā)的感應(yīng)電動勢稱為自感電動勢.

學(xué)生對知識的感悟和物理素養(yǎng)的提升只有在與情境的互動中才能達成，從而使物理教學(xué)拓深到教育形態(tài)中去.在以物理素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理教學(xué)中，以情境引出問題，以問題引導(dǎo)探究，通過學(xué)生的思維參與自感演示實驗教學(xué)的過程設(shè)計，將物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責任等要求，自始至終貫穿到教學(xué)活動中來.

情境1：如圖8，當左線圈中某段時間電流增大時，通過左側(cè)線圈的磁通量增加，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析產(chǎn)生了自感電動勢.

探究1：

問題：設(shè)計怎樣的實驗，來檢驗自感電動勢的存在，并觀察到自感電動勢對電流增大時的影響？[3]

分析：檢驗這個自感現(xiàn)象的存在需要老師和同學(xué)們的智慧，我們應(yīng)該設(shè)計恰當?shù)膶嶒灧桨溉ヌ骄浚鸩揭龑?dǎo)學(xué)生去經(jīng)歷自感知識的發(fā)生過程.對于圖8，為了安全起見我們可以把220V交流電改成干電池，用開關(guān)S的閉合使電流從0開始增大，從而使線圈中的磁通量增大，這樣圖8等效為圖9.但是圖9中沒有檢測自感電動勢的設(shè)備，是否可以讓小燈泡充當檢測設(shè)備呢？把小燈泡串聯(lián)到回路中（如圖10），顯然還是無法檢測自感電動勢的存在.進一步思考，能否通過直觀的對比實驗來進行檢測呢？鼓勵學(xué)生科學(xué)推理，如果線圈L電路中能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，另外相同條件的電路中不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過對結(jié)果的比較分析，問題就迎刃而解.最終同學(xué)們設(shè)計出了檢測電流增大時自感電動勢對電路的影響的電路（如圖11）.兩個燈泡A1，A2規(guī)格相同，線圈L和燈泡A1串聯(lián)后接到電源上，可變電阻和燈泡A2串聯(lián)后接到電源上，這就是課本中圖4.6-2電路閉合時觀察自感現(xiàn)象的典型電路.

現(xiàn)象：當閉合電鍵時，燈泡A2馬上亮，而燈泡A1較慢地亮起來.

問題：從現(xiàn)象分析，電流增大時，線圈L的自感電動勢會阻礙電流增大，使電流增大的過程延遲了，那么如何應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來分析解釋這個現(xiàn)象？

分析：圖11中的線圈L放大如圖12，線圈中電流方向向右，線圈中電流產(chǎn)生的磁場B0向右，且增強（如圖13），感應(yīng)電流的磁場B感向左，感應(yīng)電流向左流入線圈，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢正極在左端（如圖14），所以自感電動勢會阻礙電流增大，使電流增大的過程延遲了.

問題：以上探究了電流增大時線圈自感的影響，那么當閉合電路中斷開開關(guān)，左線圈中某段時間電流減小時，這時燈泡的亮度會怎么變化呢？

探究2：

問題：同學(xué)們還應(yīng)設(shè)計怎么樣的實驗來檢測當電流減小時的自感電動勢情況呢？教師自然而然引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計相關(guān)電路來探究自感電動勢的存在.

與探究一類似，圖15這個電路無法探測電動勢的存在，同樣采用對比實驗，用燈泡和線圈L兩個支路并聯(lián)做比較（如圖16），先閉合電鍵使燈泡正常發(fā)光，然后電鍵斷開，觀察燈泡的變化.

現(xiàn)象：通過觀察發(fā)現(xiàn)小燈泡突然變亮，然后逐漸暗下來，實驗現(xiàn)象馬上引起了同學(xué)們的好奇心和興趣.

問題：從現(xiàn)象分析，這樣的電流會是原來的電源產(chǎn)生的嗎？

分析：電鍵斷開，電源不再供電，這樣的電流不是原來的電源產(chǎn)生的.電源斷開瞬間，電流減小，線圈L的自感電動勢阻礙了電流的減小，它與燈泡構(gòu)成閉合回路，閉合瞬間線圈L中的電流比原來閉合前燈泡中的電流大，所以出現(xiàn)了燈泡突然變亮的現(xiàn)象.

問題：如何應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來分析解釋這個現(xiàn)象？

分析：圖16中的L放大如圖17，線圈中電流方向向右，電流逐漸減小，產(chǎn)生的磁場B0方向向右，且逐漸減?。ㄈ鐖D18），感應(yīng)電流的磁場B感向右，感應(yīng)電流向右流入線圈，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢正極在右端（如圖19）.

以上探究過程以通過線圈的電流發(fā)生變化的具體情境入手，以電流增大或減小時自感電動勢對電路的影響設(shè)置問題，兩種不同情境中發(fā)現(xiàn)并提出探究的物理問題，邊推理邊設(shè)計電路檢測自感電動勢的存在，并應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律來探究這個現(xiàn)象.這樣的教學(xué)讓學(xué)生主動建構(gòu)自感知識，通過情境、問題、設(shè)計電路方案、觀察實驗現(xiàn)象、分析推理，保留了從現(xiàn)象到結(jié)論的一段極具教育價值的過程[4]，鼓勵學(xué)生重蹈科學(xué)探究中最關(guān)鍵的步子，以使他們從中理解自感知識的本質(zhì)，運用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力.

三、理論推理與實驗分析相結(jié)合，彰顯科學(xué)態(tài)度

根據(jù)以上實驗現(xiàn)象，當電流增大和減小時，線圈中產(chǎn)生了自感電動勢阻礙了原來電流的變化.

問題：那么自感電動勢的大小可能與哪些因素有關(guān)？

分析：科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗.有時這條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但是只有兩條腿走路才能前進，也就是說我們可以采取理論推理和實驗探究相結(jié)合的方法研究物理問題.

（一）實驗現(xiàn)象分析

從自感演示實驗可以得出自感電動勢的大小應(yīng)該與線圈本身有關(guān).

（二）理論分析

自感電動勢本質(zhì)就是感應(yīng)電動勢，其大小遵循法拉第電磁感應(yīng)定律E=n[ΔφΔt]，對于確定的線圈L，磁通量的變化[Δφ]決定于磁場的變化[ΔB]，而磁場是由電流產(chǎn)生，磁場的變化決定于電流的變化[ΔI]，所以磁通量的變化率正比于電流的變化率，即[ΔφΔt∝ΔIΔt]，則自感電動勢[E][∝nΔIΔt]，寫成等式為[E=LΔIΔt]，其中L稱為自感系數(shù).

問題：那么L與什么因素有關(guān)？

分析：猜想L應(yīng)該由匝數(shù)等線圈本身因素決定.

（三）與自感系數(shù)有關(guān)的因素和單位

進一步實驗表明，自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、匝數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關(guān)（如圖20），它是一個由線圈本身決定的物理量.自感系數(shù)的單位是亨利，符號H，常用單位還有mH、μH.

（四）簡單介紹自感的應(yīng)用與防止

煤氣灶的點火裝置、油浸開關(guān)等.

通過對自感系數(shù)的學(xué)習，學(xué)生經(jīng)歷了實驗現(xiàn)象分析，理論推導(dǎo)，猜想假設(shè)，進一步精確實驗探究的科學(xué)方法，讓學(xué)生嘗試用證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解，充分發(fā)揮物理學(xué)科的育人價值，彰顯科學(xué)態(tài)度.

四、小結(jié)

“物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西，理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路.”這告訴我們讓學(xué)生終身受益的不是具體的物理知識，而是所學(xué)的知識忘掉之后剩下的東西，這就是物理學(xué)科核心素養(yǎng).物理學(xué)科活動才是形成物理學(xué)科素養(yǎng)的渠道，新課改讓我們教師思考和踐行如何使學(xué)習過程成為素養(yǎng)發(fā)展過程，再轉(zhuǎn)化為解決問題的能力與智慧？教師們在提升學(xué)生的核心素養(yǎng)的道路上不斷探索前行.

參考文獻：

[1]阮傳志.“互感”與“自感”兩個演示實驗的設(shè)計[J].中學(xué)物理：高中版，2016，34（12）：54.

[2]孫坤鵬.重視自主探究 掌握物理規(guī)律[J] .中國教育技術(shù)裝備，2016（23）：138.

[3]葉晟波.物理實驗教學(xué)中的過程設(shè)計[J] .物理教學(xué)，2013（1）：17.

[4]吳加澍.核心素養(yǎng)視域下的物理教學(xué)[EB/OL]http：//www.doc88.com/p-5136375363047.html . 2016.09.