摘 要 初中物理實驗教學(xué)中，改進實驗普遍存在改進方向選擇的問題。本文研究了初中物理實驗器材改進的“可視化”方向，以直流電動機換向器模型為例，闡述了改進實驗器材對學(xué)生理解電動機工作原理和電流方向變化的重要性。該模型采用LED燈帶、光耦模塊和主控單片機等組件，動態(tài)指示電流方向，簡化了教學(xué)過程，提升了課堂效率。

關(guān)鍵詞 初中物理；可視化；實驗裝置；創(chuàng)新改進

中圖分類號 G633.7 文獻標識碼 A 文章編號 2095-5995（2024）12-0046-03

根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標準（2022）版》的要求，第二板塊“運動和相互作用”第四部分電和磁，需要了解“直流電動機的工作原理”。[1]學(xué)生在學(xué)習(xí)這一知識時，常常面臨電流方向隨換向器轉(zhuǎn)動而變化的現(xiàn)象，這一過程由于其“不可視”和“不可控”的特性，使得學(xué)生難以直觀理解。尤其是在講解電流在不同位置時的方向變化時，學(xué)生往往無法迅速把握動態(tài)導(dǎo)體在磁場中受力方向的轉(zhuǎn)變，進而產(chǎn)生畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果。為了解決上述問題，開發(fā)和制作“可視可控”的物理實驗器材顯得尤為重要。以直流電動機換向器模型的制作為例，我們可以通過可視化的裝置，讓學(xué)生直觀地觀察到電流方向的變化。這種“可視助理解，可控促探究”的教學(xué)思路，不僅能夠幫助學(xué)生更清晰地理解電流變化的過程，還能降低教師教學(xué)的難度，提高課堂的教學(xué)效率。通過這種方式，學(xué)生能夠在實踐中探索物理現(xiàn)象，增強對知識的理解和應(yīng)用能力，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。[2]

一、直流電動機換向器演示裝置的原理和制作方法

（一）使用方法及原理

直流電動機換向器演示裝置的設(shè)計旨在通過可視化的方式幫助學(xué)生理解電動機的工作原理及電流方向的變化。該裝置使用明緯S350可調(diào)電源，將220V交流電轉(zhuǎn)換為所需的直流電，供給LED燈帶（WS2812控制芯片）和電動機線圈。當(dāng)電動機線圈通電時，電流在電動機線圈中流動，產(chǎn)生磁場，并在兩側(cè)永磁體的作用下使線圈開始轉(zhuǎn)動。在此過程中，LED燈帶的作用是通過光耦模塊探測電流方向，并將信息傳遞給主控單片機（STC15W4K58S4）。主控單片機根據(jù)接收到的電流方向信息控制LED燈帶的閃爍，形成動態(tài)的電流方向指示。當(dāng)電動機線圈轉(zhuǎn)動時，換向器也隨之轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致線圈中的電流方向發(fā)生變化。底座內(nèi)的槽型光電傳感器通過裝在下方軸心上的半圓擋片，實時傳遞換向器位置變化的信息給主控單片機，從而改變LED燈帶的閃爍方向，直觀地顯示線圈中電流方向的變化。

（二）制作材料用具及選用說明

機架和底座：選用黑色電木板，機架尺寸為450 mm×300 mm，底座尺寸為300 mm×200 mm×100 mm，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且美觀。

電動機線圈軸心：采用直徑15 mm、長度500 mm的鋁合金金屬棒，具有良好的強度和耐腐蝕性。

換向器：使用圓柱電木、透明硅膠和銅片。圓柱電木的直徑和高度均為80 mm，銅片分為換向器銅半環(huán)和電刷，尺寸與圓柱電木相匹配。

顯示電流跑馬燈：選用長度為1000 mm、包含140個燈珠的RGB全彩LED燈帶，控制芯片為WS2812，采用單總線控制，便于連接和控制。

光耦模塊：使用兩片光耦模塊，用于探測電流方向，確保信號傳遞的準確性。

跑馬燈總控芯片：選用國產(chǎn)STC15W4K58S4單片機，負責(zé)控制LED燈帶的顯示，具有良好的兼容性和穩(wěn)定性。

槽型光電傳感器：與換向器同向安裝，用于精確探測換向器的轉(zhuǎn)動位置，確保信號的及時反饋。

電動機線圈：使用直徑0.7mm、長度450米的漆包銅線纏繞成線圈，圈數(shù)為400圈，總電阻為18Ω，確保電動機的正常工作。

可調(diào)電源：采購明緯S350可調(diào)電源，調(diào)流調(diào)壓范圍為0～95 V，滿足不同實驗需求。

（三）制作方法步驟

1.直流電動機線圈制作

首先，將黑色電木按設(shè)計尺寸切割，上半部分用強力膠制成方框，下半部分制成木盒。方框作為電動機支架，通過螺母固定在木盒上，木盒則作為底座。小方框內(nèi)凹線槽用于線圈支架，鋁合金金屬棒貫穿小方框和換向器，作為電動機的軸心。將漆包銅線纏繞在小方框的線槽內(nèi)，線圈的兩端分別連接到換向器的銅片。方框的左右內(nèi)側(cè)固定卡座，用于固定永磁體的N極和S極，外側(cè)安裝銅柱以連接電源。電流流過的路徑上粘貼RGB全彩LED燈帶，以便于觀察電流方向的變化（見圖1）。

2.直流電動機換向器制作

在圓柱體電木上粘貼透明硅膠，并嵌入RGB全彩LED燈帶的燈珠。根據(jù)燈珠的位置在銅片上打孔，將銅片分為兩段粘貼在硅膠上，確保銅片與燈珠對應(yīng)。在方框頂部合適位置用螺絲固定兩個絕緣柱，安裝銅片作為電刷，電刷的松緊可通過螺母調(diào)節(jié)，以確保良好的接觸。

3.直流電動機模型演示輔助器材安裝

下半部分的木盒不僅作為底座，還用于安裝控制和傳感器設(shè)備，使模型整體外觀更為簡潔。光耦模塊、STC15W4K58S4單片機和槽型光電傳感器均布置在木盒內(nèi)，確保電路的整潔和安全。

二、制作過程碰到的難點以及改進方法

（一）電動機線圈匝數(shù)確定

首次纏繞線圈200圈，需調(diào)高電壓到至24V，線圈才能轉(zhuǎn)動，但線圈發(fā)熱現(xiàn)象明顯，溫度短時間可達900C。改進后，選擇纏繞線圈400圈，上述難點突破，問題排除，電壓只需10V左右線圈就可低速轉(zhuǎn)動，同時達成也“可控促理解”的教學(xué)目標。

（二）電磁相互影響

安裝上跑馬燈led燈帶試機的時候，線圈不通電，跑馬燈能正常顯示方向，但線圈通電時，跑馬燈會無規(guī)則閃動，無法顯示方向，且單片機STC15W4K58S4頻繁錯誤重啟。經(jīng)過檢查后初步判斷為電磁干擾，后檢測到跑馬燈在未接入電源時，只要線圈轉(zhuǎn)動時，跑馬燈內(nèi)部線路兩端有電壓，驗證判斷正確。為消除電磁干擾，做出以下改進：（1）對跑馬燈的PCB基板進行敷銅處理，以形成電磁屏蔽；（2）在槽型光電傳感器和光耦模塊中加裝隔離電路；（3）將跑馬燈的電源與控制芯片進行隔離；（4）對導(dǎo)線和線圈進行屏蔽處理。經(jīng)過改進后，跑馬燈就能正常工作。

（三）實驗裝置質(zhì)量大

為了實現(xiàn)“可視化”效果，該實驗裝置的體積和質(zhì)量較大，給實驗的移動和操作帶來了不便。在后期的改進中，我們增加了可移動底座，使電動機模型的移動更加方便和安全?？傠娫匆部蓛?nèi)置到底座，使結(jié)構(gòu)一體化（見圖2）。

（四）換向器跑馬燈的安裝

模型早期制作中，換向器并未安裝跑馬燈以顯示電流方向，無法有效突破“換向器改變電流方向”的教學(xué)難點。后期改進中，首先在換向器的軸心粘貼透明硅膠，硅膠質(zhì)地松軟，能夠鑲嵌入跑馬燈。隨后，在換向器的兩片銅片上對應(yīng)位置打孔，覆蓋在硅膠和跑馬燈上，使燈珠露出，跑馬燈的閃爍就可以顯現(xiàn)出來，電流方向得以顯示。

（五）跑馬燈的亮度“可控”

早期模型中，跑馬燈的亮度過于強烈，長時間注視會導(dǎo)致學(xué)生眼睛不適。在后期改進中，我們增加了跑馬燈帶三檔亮度調(diào)節(jié)按鈕，并配有提示音?？稍诃h(huán)境光線亮?xí)r調(diào)高跑馬燈帶亮度，環(huán)境光線暗時增加跑馬燈亮度，使學(xué)生更易于觀察實驗。

三、直流電動機換向器演示裝置的應(yīng)用與效果

（一）教學(xué)過程

1.直觀地觀察電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

教師首先通過提問引導(dǎo)學(xué)生思考電動車的工作原理，激發(fā)他們的好奇心。接著，教師介紹直流電動機的內(nèi)部構(gòu)造，重點講解永磁體和線圈的作用。當(dāng)電動機線圈通電時，產(chǎn)生的磁場在永磁體的作用下使線圈轉(zhuǎn)動。教師啟動演示裝置，并根據(jù)教室的環(huán)境情況調(diào)整亮度和轉(zhuǎn)速，以便學(xué)生能夠更清晰地觀察到電動機的運行狀態(tài)。學(xué)生活動中，教師鼓勵學(xué)生搶答電動機內(nèi)部的元件，增強他們的參與感和主動性。

2.基于具象分析線圈受力情況

在這一環(huán)節(jié)，教師提出問題：“線圈為什么會轉(zhuǎn)起來呢？”學(xué)生通過觀察和思考，回答“因為受到了力的作用”。教師進一步引導(dǎo)學(xué)生分析線圈中ab段和cd段受到的力的大小是否相同。通過觀察磁場方向和電流方向，學(xué)生能夠得出ab段和cd段的電流方向相反，磁場方向相同，因此受到的力的方向正好相反，從而使線圈轉(zhuǎn)動。這一過程不僅幫助學(xué)生理解了力的作用，還培養(yǎng)了他們的分析能力。

3.突破難點“換向器改變電流方向”

教師提出問題：“為什么同學(xué)們自己做的電動機只能轉(zhuǎn)半圈，之后就逐漸停下來了？”學(xué)生回答是因為線圈中的ab段和cd段受到的力的方向始終不變。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察演示裝置，討論換向器的作用。通過觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)換向器能夠改變ab段和cd段的電流方向，從而改變受力方向。教師鼓勵學(xué)生用自己的語言描述換向器的工作原理，進一步鞏固他們的理解。

（二）制作“電動機+X”組合式科技小發(fā)明

在理解了電動機的基本原理后，教師引導(dǎo)學(xué)生進行“電動機+X”組合式科技小發(fā)明的活動。如教師提出問題：“電動機為我們的生活提供了便利，我們可以利用‘電動機和X’組合，比如‘電動機+扇葉’可以做成電風(fēng)扇?！睂W(xué)生們積極參與，設(shè)計出各種創(chuàng)意點子，并討論其創(chuàng)新點和解決的問題。

（三）教學(xué)應(yīng)用效果

在電動機的教學(xué)中，換向器的理解一直是一個難點。傳統(tǒng)的教學(xué)方法如實物展臺展示、動畫展示和視頻演示等，雖然能夠傳達一定的信息，但往往無法讓學(xué)生直觀地理解電流的方向。我們設(shè)計的“直流電動機換向器演示裝置”通過跑馬燈顏色的變化（藍色表示電流方向向下，紅色表示電流方向向上）有效地解決了這一問題。學(xué)生可以通過觀察跑馬燈的顏色變化，直觀地看到電流在電動機線圈中的流向，從而更好地理解換向器的工作原理。

在教學(xué)過程中，我們還在換向器和線圈的連接處安裝了顯示電流的跑馬燈。這一改進使得學(xué)生在觀察電動機運行時，能夠?qū)崟r看到電流的變化，進一步增強了他們對換向器功能的理解。只要線圈轉(zhuǎn)到靠近磁場S極的一側(cè)，其線圈中的電流始終是從上往下流動的，因此線圈的受力方向總是相同的，電動機便能夠持續(xù)運動。這種可視化的教學(xué)方式不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使得復(fù)雜的物理概念變得更加易于理解。

（程宏亮，深圳市光明區(qū)教育科學(xué)研究院，廣東 深圳 518107；馮麗燕 何其聰，南方科技大學(xué)附屬光明鳳凰學(xué)校，廣東 深圳 518103）

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：18.

[2] 熊華，李建鋒，盧天宇.逆向-可視化教學(xué)法：一種促進理解的物理教學(xué)方法[J].中學(xué)物理，2022（16）：34-37.

責(zé)任編輯：劉 源

讀者熱線：027-67863517

基金項目：廣東省教育研究院立項課題“關(guān)于初中物理思維可視化教學(xué)方法的案例研究”（編號：GDJY-2014-A-b291）。