巧用自制教具 培养科学思维能力

温州大学数理学院(325035) 魏 萌 吴 钒 潘星志 罗海军

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中提出要以培养学生的物理学科核心素养为第一要义，其中科学思维更是物理学科核心素养的核心内容[1]。那么，如何在实际的物理教学过程中培养学生科学思维能力呢？物理是一门以实验为基础的学科，它对学生的动手能力和思维水平都有着极高的要求。将自制教具引入到高中物理课堂之中，以自制教具为“媒介”，将教材知识与实际生活相联系，将物理教学与思维培育相融合，不失为一个直接有效的方法。本文将以扬声器、电动机及无线充电器3种自制教具为例，通过教师设问、引导，学生分析、制作，帮助学生克服物理知识难点，在整个问答、制作、建构过程中培养学生的模型建构、质疑创新、科学推理和论证能力。

1 自制扬声器，激发推理论证能力

1.1 实验制作

主要器材：学生自备扬声器发声体(如塑料杯、纸盒等)、直径0.1～0.3 mm的漆包线、双面胶、透明胶、功放、强磁铁、导线若干。

实验制作：在纸盒或纸杯表面先用双面胶粘一层，确定好所要缠绕的形状，将漆包线一端留5～10 cm端口后进行缠绕，缠绕完成后，尾端同样留出5～10 cm，将首端和尾端漆包线的绝缘层刮掉，用透明胶在制作好的扬声器表面粘一层，用以固定，如图1所示。

图1 自制扬声器

实验操作：接通功放，通过导线将自制的扬声器接在功放两端，将强磁铁放于自制扬声器下方，此时扬声器即可发声。

1.2 实验探讨

在实验之初，教师带领学生观摩自制扬声器的样本，讨论扬声器发声的工作原理，学生初次接触，具有极大兴趣，萌生问题：纸杯、纸盒为什么可以发声？对此学生便可展开初步推理：声音产生必会有振动，振动从何而来？进而展开论证：可能是线圈通有电流—受到安培力—振动发声；验证猜想：接通功放，将扬声器和万用表串联，观察万用表指针的动态变化过程，如若万用表有示数，即初步论证成功。在此基础上学生进一步推理：永久磁体所产生的磁场是一个非均匀的磁场，通入的电流是交变电信号，线圈上每一点的安培力都不同，为什么扬声器可以精准发声？就此问题学生展开论证后得，线圈中输入的是交流电信号：I=A0cos(ωt+ø)；单位长度的线圈在磁场中所受的安培力：F=BLA0cos(ωt+ø)；声音振荡信号：V=Ccos(ωt+ø)；频率决定音调，振幅决定响度，可见在电信号转换为声音信号的过程中，频率始终没有发生变化，变化的只有振幅，因此，声音被精准还原。

扬声器发声原理涉及振动发声、磁场对通电导线的作用力、交变电流频率等多个知识点，教师在整个实验过程中，循序渐进地引导学生不断提出问题，反思交流，科学推理，合理论证，将所学知识融会贯通，并将物理与生活相融合。学生的推理论证能力在此实验过程中得到发展，而这正落实了物理学科核心素养培养目标，即让学生正确理解和应用科学思维方法，积极面对问题，运用质疑和批判等高级思维能力提出论点，科学推理，找出规律，解释自然现象和解决实际问题。

2 自制电动机，提升质疑创新能力

2.1 实验制作

主要器材：0.1～0.3 mm直径的漆包线、1号干电池、1号电池槽、铁丝若干、直径为22 mm的强磁铁若干。

实验制作：如图2所示，取2根12 cm长的铁丝，将其上端弯曲做成支架固定在电池槽的两端，将漆包线缠绕制作成圆形、矩形或心形多匝线圈，将漆包线两端引出，将引出端的部分绝缘漆刮掉。

图2 自制电动机的转子

实验操作：如图3所示，将制作好的圆形、矩形或心形多匝线圈放在铁丝支架上，电池安装在电槽中，将圆形磁铁吸附在电池上，线圈将持续快速转动。

图3 自制电动机

2.2 实验剖析

教材上给出的直流电动机配有换向器，其作用是在每转半个周期后，通过改变电流方向，使得直流电动机线圈所受安培力的方向改变，达到持续转动的目的。但实际情况是，换向器成本高且难操作，在对电动机工作原理有一定掌握后，教师可引导学生在电动机制作材料上进行创新，使用漆包线制作转子。此时，学生会产生初步质疑：换向器可以改变电流方向，若使用漆包线该如何刮取才能保证线圈连续转动呢？经实践操作和思辨交流后得出，要让转子持续转动，可以只给线圈通半个周期的电流，另外半个周期依靠惯性转动，因此，可以选择都刮引出端的上侧或下侧。在实验操作中，部分学生进一步创新发现，全刮绝缘层也可持续转动，学生有了新的质疑：该现象与原理分析有所出入，是否分析有误？在教师引导下，学生对此现象展开讨论，通过观察实验现象，得出结论：自制线圈为非对称线圈，全刮的转子较半刮来说不够稳定，有“跳竿”的现象(线圈在支架上抖动)，转子在转动半个周期后易产生“跳竿”现象，导致转子在后半个周期没有电流通过，依然靠惯性进行。

改进后的直流电动机没有换向器，这与学生的已有认知冲突，极易激起学生的探索欲望和质疑热情。在实际教学中，教师引导学生自制电动机，让学生在科学知识学习、科学问题解决和科学教具创造的一系列探究活动中，培养自身的科学创造力，提升自身质疑创新能力，促使自己的思维、想象更加流畅，更具灵活性和独创性。

3 自制无线充电器，培养模型建构能力

3.1 实验制作

主要器材：1节5号干电池、1只8050三极管、1只发光二极管，0.1～0.3 mm直径的漆包线，导线若干。

实验制作：如图4所示，使用漆包线制作原线圈和副线圈，将线圈的两端引出，刮掉绝缘层，连接导线。根据如图5所示电路图，将原线圈一端与开关相连，开关再与电源正极相连，另一端与三极管的集电极相连，三极管的基极接地，发射极与电源负极相连，发光二极管与副线圈相连。

图4 自制线圈

图5 电路图

实验操作：如图6所示，安装电池，可以看到二极管正常发光，将原、副线圈逐渐远离，二极管的光由亮到弱直至熄灭。

图6 自制无线充电器

3.2 实验顿悟

互感是高中物理选择性必修二第2章第4节的内容，教学目标要求学生要了解互感现象，并能联系生活实际解释互感现象。在学习互感之前，学生已掌握楞次定律及法拉第电磁感应定律等相关知识，已有解释互感现象的理论基础。在课程开始前，教师带领学生观摩自制无线充电教具，分析各个元件的作用，其中干电池用于提供直流电；三极管用于将干电池中的直流电转换为振荡电流并将微弱电流信号放大；漆包线所制成的原线圈用于产生变化的磁场，进而在副线圈中产生感应电流；发光二极管则用于检验装置制作成功与否。在此基础上，学生在问题情景下，对实验教具充电原理进行抽象概括，运用头脑中已有的知识抽象概括出理想实验模型——互感模型，即在原线圈中通以变化的电流，产生变化的磁场，将副线圈放入变化的磁场中产生感应电流，进而为设备充电。

利用原始物理问题提升学生模型建构能力是物理模型教学的重要方法之一，能否有效建构物理模型解决生活中的真实问题是衡量学生物理核心素养高低的重要标准[2]。探究无线充电器的工作原理就是一个真实的物理问题，就是互感现象在生活中的实例应用，而且学生头脑中已有相关理论知识，具备模型建构的理论可行性。在教学中，教师建立实际情景，带领学生研究自制无线充电教具，对客观事物进行分析，抽象概括出易于研究的、能够反映事物本质特征的理想模型。在此过程中，学生对事物的认识手段得到发展，研究问题的思维方式得到提高，从而培养了学生的模型建构能力。

4 总结

简而言之，自制教具能够使抽象的物理概念、物理规律通过实验现象具象化，因此，教师在教学中需要将自制教具的优势发挥出来，使得学生能够积极主动地参与到实践探索中来，在实验操作中深入理解、掌握物理概念和物理规律。在物理教学中巧用自制教具，不但可以激发学生学习物理的兴趣，优化物理课堂，更有助于培养学生的模型建构能力、质疑创新能力以及科学推理和论证能力，提升科学思维能力，达到落实物理学科核心素养的目的[3]。