劉紫微，黃彥媚，陳 剛

華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海200062

1 問(wèn)題的提出

有關(guān)“電流的磁效應(yīng)”知識(shí)，人教版初中物理教材中是以?shī)W斯特實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)來(lái)講授的。筆者認(rèn)為，在高中階段講解“電流的磁效應(yīng)”時(shí)，除了采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法之外，也可以著眼于科學(xué)方法的教學(xué)和科學(xué)思維的培養(yǎng)。筆者建議，不妨在高中采用比較新奇的磁力小火車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“電流的磁效應(yīng)”的探究性教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，為后面安培力、電磁感應(yīng)等一系列物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)做好鋪墊，并進(jìn)一步落實(shí)核心素養(yǎng)的要求。

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 新課引入

“磁力小火車”是一個(gè)有趣的裝置，它是將兩個(gè)扁圓柱形的磁鐵片分別吸在電池的兩極，再把電池放進(jìn)銅線圈內(nèi)（如圖1、圖2），松手后，電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，快速穿過(guò)線圈，從另一端沖出后停下。

教師可在新課引入環(huán)節(jié)中進(jìn)行上述演示實(shí)驗(yàn)，也將此實(shí)驗(yàn)作為后續(xù)的教學(xué)材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

圖1 磁力小火車立體結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁力小火車成品圖

設(shè)計(jì)意圖：選用與奧斯特實(shí)驗(yàn)不同的新穎教學(xué)材料，可以避免學(xué)生的機(jī)械記憶，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 科學(xué)探究1：獲得子結(jié)論“是磁力使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的”

【提出問(wèn)題】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生明確要研究的問(wèn)題。教師進(jìn)行上述演示實(shí)驗(yàn)后，可提出問(wèn)題：為什么電池會(huì)在銅線圈里運(yùn)動(dòng)呢？

【猜想與假設(shè)】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生猜測(cè)出研究對(duì)象或?qū)傩缘挠绊懸蛩亍＝處熞龑?dǎo)學(xué)生假設(shè)與猜測(cè)：

生：電池從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，說(shuō)明受到了力的作用。

師：那使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的力可能是什么力呢？

生1：電池是沿水平方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的，說(shuō)明其受到水平方向的力。

生2：電池在水平方向上好像沒(méi)有接觸到物體，所以這個(gè)力應(yīng)該是非接觸力。

生3：非接觸力一般有重力和磁力，重力是豎直方向上的，所以使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的力可能是磁力。而且水平方向上，電池兩極也吸了磁鐵。

【規(guī)劃研究方案】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生形成研究的方案。在上一環(huán)節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)得出猜想：使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的力可能是磁力。在本環(huán)節(jié)學(xué)生應(yīng)該可以想到遵循差異法來(lái)規(guī)劃方案，即改變電池受力情況，再觀察和分析電池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。

師：那你們能用什么方案驗(yàn)證是不是磁力使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的呢？

生：需要做兩次實(shí)驗(yàn)，第一次電池受到磁力，第二次電池不受磁力，但其他變量要保持一致。如果第一次電池運(yùn)動(dòng)而第二次不動(dòng)，則說(shuō)明是磁力使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的。

【設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生形成用于研究問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)。

由于在課堂教學(xué)中提供了基本的實(shí)驗(yàn)裝置，如：銅線圈、電池、兩個(gè)扁圓柱形的磁鐵片、兩個(gè)扁圓柱形的銅片（無(wú)磁性）等，也就是測(cè)量的技能都是確定的，在此基礎(chǔ)上可遵循設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表1）。

表1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略的運(yùn)用

確定好實(shí)驗(yàn)步驟后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【獲得結(jié)論】

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用差異法（見(jiàn)表2）獲得子結(jié)論：是磁力使電池開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的。

表2 運(yùn)用差異法獲得子結(jié)論

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在科學(xué)方法的指引下，經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過(guò)程，獲得子結(jié)論，為接下來(lái)結(jié)論1的獲得奠定基礎(chǔ)，有助于學(xué)生理解知識(shí)。

2.3 科學(xué)探究2：獲得結(jié)論1“通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)”

【提出問(wèn)題】

師：在初中階段，我們經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)已經(jīng)知道，放入磁場(chǎng)的磁體會(huì)受到磁力的作用。吸了磁鐵的電池受到磁力，說(shuō)明周圍存在磁場(chǎng)。那周圍的磁場(chǎng)是從哪里來(lái)的呢？

【猜想與假設(shè)】

此時(shí)，學(xué)生因不具備相關(guān)知識(shí)，很難做出假設(shè)與猜測(cè)，只能瞎猜。因而，教師可呈現(xiàn)如下演示實(shí)驗(yàn)，并提醒學(xué)生注意觀察與歸納。

師：同學(xué)們注意觀察，我把吸了磁鐵的電池放在線圈外，它會(huì)運(yùn)動(dòng)嗎？

生：不會(huì)。

師：那一端放在線圈內(nèi)，一端放在線圈外呢？

生：不會(huì)。

師：那兩端都放在線圈內(nèi)呢？

生：會(huì)，電池動(dòng)起來(lái)了。

師：那電池穿過(guò)線圈，從線圈另一端沖出后，電池還會(huì)運(yùn)動(dòng)嗎？

生：電池停下來(lái)了，不再運(yùn)動(dòng)。

師：上面這幾種情況有什么特點(diǎn)？

生：只有電池整個(gè)進(jìn)入線圈，兩端都接觸到線圈后，電池才會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

師：這種情況有什么特殊性？

生：電池的正負(fù)極通過(guò)線圈被連起來(lái)了！

師：也就是說(shuō)，這種情況下，電池的正極通過(guò)導(dǎo)電的磁鐵和銅線圈，與電池的負(fù)極相連，形成了回路，線圈中產(chǎn)生了電流。

師：現(xiàn)在你們猜測(cè)周圍的磁場(chǎng)可能是從哪里來(lái)的呢？

生：可能是電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

【規(guī)劃研究方案】

得出猜想后，學(xué)生同樣可以想到遵循差異法來(lái)規(guī)劃方案，即改變回路的通電情況，再觀察和分析電池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。

師：這只是我們的猜想，因?yàn)槲覀儎偛艣](méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。你們能用什么方案驗(yàn)證這一猜想呢？

生：需要做兩次實(shí)驗(yàn)，第一次線圈中有電流，第二次線圈中無(wú)電流，但其他變量要保持一致。如果第一次電池運(yùn)動(dòng)而第二次不動(dòng)，則說(shuō)明是電流產(chǎn)生了磁場(chǎng)。

【設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】

與科學(xué)探究1類似，可遵循設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通用策略，在“確定每次實(shí)驗(yàn)中的條件”子環(huán)節(jié)中，第一次選用電量充足的新電池，第二次選擇電量耗盡的舊電池。

確定好實(shí)驗(yàn)步驟后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【獲得結(jié)論】

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用差異法獲得結(jié)論1：通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)。其邏輯過(guò)程與表2類似。

設(shè)計(jì)意圖：聯(lián)系前面所得的子結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷第二次科學(xué)探究，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及子結(jié)論進(jìn)行邏輯推理，獲得結(jié)論1。此外，讓學(xué)生經(jīng)歷通過(guò)環(huán)環(huán)相扣的邏輯鏈獲得結(jié)論的過(guò)程，目的是培養(yǎng)其科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

2.4 科學(xué)探究3：獲得結(jié)論2“通電導(dǎo)線磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)”

結(jié)論2也可通過(guò)與上述類似的科學(xué)探究，運(yùn)用共變法（見(jiàn)表3）和演繹推理獲得，此處不再贅述。

表3 運(yùn)用共變法獲得結(jié)論2

以兩端吸有磁鐵片的電池為研究對(duì)象，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作為小前提進(jìn)行演繹推理 （如表4、表5）。

表4 演繹推理1

表5 演繹推理2

通過(guò)上述演繹推理可知，電池運(yùn)動(dòng)方向改變說(shuō)明磁場(chǎng)方向改變，而通過(guò)科學(xué)探究已得出，電池運(yùn)動(dòng)方向與電流方向有關(guān)，因此可以歸納得到結(jié)論2：通電導(dǎo)線磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān)。

考慮到課時(shí)等因素的限制，若讓學(xué)生完整經(jīng)歷三個(gè)科學(xué)探究難度較大，教師可根據(jù)實(shí)際情況選擇其中一個(gè)讓學(xué)生完整經(jīng)歷，另兩個(gè)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，這也使教學(xué)更有彈性。

3 結(jié)語(yǔ)

物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)來(lái)源不應(yīng)局限于教材，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行開(kāi)拓創(chuàng)新，做到立足于教材又超越教材，這就要求教師要善于發(fā)掘或創(chuàng)造有利于提高課堂教學(xué)效能的新穎素材[1]。本文所選用的磁力小火車材料簡(jiǎn)單、制作簡(jiǎn)易、趣味性強(qiáng)、效果明顯，能充分展現(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。在“電流的磁效應(yīng)”課堂教學(xué)中利用其搭建起“思維”的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整且有條理的科學(xué)探究過(guò)程，讓學(xué)生“帶著頭腦來(lái)探究”，而非“帶著雙手來(lái)探究”，能有效幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。