启发式教学在物理设计性实验课中的应用探究

启发式教学是以学生为主体，教师为主导，通过提问、置疑、实验演示、师生互动等方式引导学生独立钻研，使学生全面发展的一种教学方法。将其应用到设计性实验教学中，可实现新课程标准所提出的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等教学目标。

“电动机原理”属于中学物理设计性实验，教学目的是观察通电线圈在磁场中的运动，分析其原因，说明电动机转子转动的原理。下面以“电动机原理”教学为例，介绍如何在设计性实验教学中应用启发式教学法。

1 提出问题

引导学生观察通电线圈在磁场中的运动，并分层次提出以下问题：

(1)电能生磁，磁也能生电，交流发电机是磁生电的装置，那它是如何将磁转化为电的呢？

(2)通电直导线在磁场中要受到安培力的作用，用左手定则就可判断出安培力的方向，但线圈总的受力情况又是怎样呢？

(3)通过实验观察可知，有的线圈可以在导体支架上连续转动，有的线圈转动后却停留在平衡位置处，那么线圈连续转动的条件又是什么呢？

2 理论分析

理论教学是本实验的重点和难点。先提出问题：发电机为什么能发电？

由法拉第电磁感应定律可知电路中感应电动势ε的大小与穿过闭合回路的磁通量的变化率成正比，即

ε=-NΔΦΔt（1）

其中，N为线圈的匝数。

在磁感应强度为B的均匀强磁场中放一平面线圈，位置如图1所示。线圈与磁场方向的夹角为θ，磁通量

Φ=BScosθ（2）

其中磁感应强度B、平面线圈面积S、面法线方向和磁场强度方向的夹角θ均可变化，所以磁通量的改变量可写为

由式（4）可知，当B与S不变时，只改变θ角也可在线圈中产生感应电动势。发电机是通过外力使线圈在磁场中旋转，改变θ角来发电的。如水电站就是通过水的冲力使涡轮机带动发电机的转子使线圈在磁场中相对转动，θ角发生变化，使线圈中产生出感应电动势，从而向外电路提供电流，实现发电。

能否再将电流转化为电动机转子的转动呢？

实验观察：将一通电的边长为L的正方形线圈放于磁场中，会发现线圈要转动，这又是什么原因呢？线圈能转动，它一定是受到了力矩的作用。力矩是哪个力产生的呢？是安培力吗？磁场中通电直导线所受安培力

当线圈处于图2所示的位置时θ0 的作用下，线圈开始顺时针转动，并通过平衡位置，使得θ

这就需要在θ>0 时让电流反向或为零，即须制作一个换向器。为简便起见，让θ>0 时断开回路中的电流，使线圈在由惯性得到的转动中不受安培力矩作用，仍保持原有的转动状态，当θ=π 时，再接通回路，线圈又重新受到力矩M

如何制作换向器呢？

如图3所示，将线圈一端用漆包线连接，且漆包线一半导通，一半绝缘，线圈另一端用去掉所有绝缘漆的裸线连接。让线圈在-π

3 实验探索

实验是在人工控制条件下，使物理现象可重复出现，供学生观察的行为。通过实验，学生很容易理解物理概念、了解物理规律、提高动手能力、产生对物理的浓厚兴趣。由于“电动机原理”属于设计性实验，中学实验室一般没有常规的实验仪器，这就要求教师具有制作实验器材的能力，自制一些教学仪器。

3.1 制作工艺

将准备好的永久磁铁、包有绝缘漆的铜丝(漆包线)、细铁丝、绕制线圈的正方形模具和圆形模具放于实验桌上。教师带领学生绕制线圈、制作导体支架的主要过程如下：

首先取出正方形模具或圆形模具，把事先准备好的漆包线绕在模具上，绕10至15匝，如图4（a）所示。从模型上取下线圈，并用线圈接口处多余的漆包线固定线圈。接着将线圈一端用一半导通，一半绝缘的漆包线连接；线圈另一端用去掉所有绝缘漆的漆包线连接，实验所用的“转子”就做好了。当然学生还可绕制没有换向器的“转子”，也可按不同的模具绕制不同形状的线圈。

接下来用细铁丝按照图4(b)所示制作导体支架。在制作过程中，两支架间的距离应略大于线圈的直径或长度。为了使线圈在转动中不碰到永久磁铁，支架的高度要略大于线圈的半径与永久磁铁厚度的总和。

3.2 实验教学

实验器材：自制的线圈与导体支架、永久磁铁、导线、直流电源和开关。

实验内容：此实验主要是让学生完成仪器的制作与组装，并通过所学物理知识设计该实验，观察实验现象，对物理概念和规律进行总结。

实验分组：三人一组，分别完成线圈绕制、支架制作和组装工作。

实验步骤：

(1)将导体支架固定在表面绝缘的实验桌上，并用导线将电源、开关、导体支架按图5连接起来。

(2)将线圈放在导体支架上，并将永久磁铁置于线圈的正下方。

(3)闭合开关，让学生观察实验现象。

(4)断开开关，换其它形状的线圈进行实验。

在学生做实验时，教师可以将前面所提问题和理论分析简略地重复一遍，让学生带着疑问做实验。通过实验直观地再现物理现象，使能学生在实验中寻找乐趣，加深对理论知识的理解，激发学习物理的兴趣。比如观察没有换向器的线圈的转动，观看线圈是振动还是停留在平衡位置不动？为什么？

3.3 总结提高

由于采用了启发式教学，学生易懂易学，95%以上的实验小组都能完成实验仪器制作、实验观察并写出实验报告。实验完成后还要注意总结与提高。

总结：通电线圈在磁场中受到安培力的作用，它们为非共点力，这些力使线圈受到一力偶矩的作用，在力偶矩的作用下线圈围绕固定轴转动。

提高：电动机发生转动，必然存在能量的转化。那么，电动机转动过程中是哪些能量在相互转化呢？

参考答案：水电站是利用水的冲力来发电，它是将水的机械能转化为电能。火电站是将煤炭燃烧所产生的一部分热能转化为电能。而电动机的能量转化却是将电能转化为机械能。详细的物理过程有待于同学们去学习与探索。

4 结论

启发式教学在“电动机原理”设计性实验中的应用实践说明，坚持以学生为主体，教师为主导，通过提问、质疑、实验演示、师生互动等方式引导学生独立钻研的启发式教学方法，确实是一种能使学生全面发展的好方法，将其应用到设计性实验教学中，就可以培养学生的创新能力，把新课程标准所提出的教学目标落到实处。

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