趙妍妮 許 志

(1. 南京外國語學(xué)校仙林分校，江蘇 南京 210023；2. 江蘇省南京市教學(xué)研究室，江蘇 南京 210001)

1 教學(xué)設(shè)計(jì)總體定位

磁場作為一種較為抽象的物質(zhì)形態(tài)，初中生一般很難理解其內(nèi)涵，只能通過豐富多彩的磁現(xiàn)象來感知它的存在。而電流的磁場要求則更高，需要學(xué)生在磁場的基礎(chǔ)上探尋磁場的產(chǎn)生，分析電流產(chǎn)生的磁場的特點(diǎn)，并與之前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對比分析，進(jìn)而領(lǐng)悟電與磁之間的聯(lián)系。因此就該課題本身而言，所涉及的內(nèi)容非常多，需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)，選取合適的素材和方法，進(jìn)行環(huán)環(huán)相扣的課堂教學(xué)。

探究通電直導(dǎo)線周圍的磁場和通電螺線管周圍的磁場是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)課需要借助實(shí)驗(yàn)手段輔助教學(xué)，學(xué)生通過小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。如圖1所示，在每一次實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生不僅需要通過觀察現(xiàn)象得出結(jié)論，還要能夠根據(jù)問題發(fā)散思維、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，再從實(shí)驗(yàn)中尋找新的思維生長點(diǎn)，層層遞進(jìn)，不斷促進(jìn)思維的生長。通過這樣的方式達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，完成教學(xué)內(nèi)容，使整個(gè)教學(xué)流程一氣呵成，顯得自然流暢。

圖1

2 教學(xué)目標(biāo)的逐步達(dá)成

2.1 確定思維生長原點(diǎn)

學(xué)生在已有的電學(xué)知識和簡單磁現(xiàn)象知識的基礎(chǔ)上，通過課前物理學(xué)史的微課學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)引入，初步感受到電流與磁鐵都能吸引鐵質(zhì)物體，因此猜測電流具有磁性，進(jìn)而猜想電流周圍存在磁場，同時(shí)會(huì)提出兩種磁場有什么區(qū)別等有意義的物理問題。

2.2 物理概念的形成——思維的第一次生長

師：要探究電流周圍是否存在磁場，需要哪些實(shí)驗(yàn)器材？

生：電池、導(dǎo)線、開關(guān)、小磁針。

師：如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作？可能會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對應(yīng)的結(jié)論是什么？

生：在導(dǎo)線中通入電流，如果小磁針偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)線周圍有磁場，反之沒有磁場。

師：請大家以小組為單位動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察通電直導(dǎo)線周圍是否存在磁場。

各小組進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究(圖2)，在實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)了許多意想不到的問題(表1)。學(xué)生雖然認(rèn)為通電直導(dǎo)線周圍存在磁場，但有的小組在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了認(rèn)知沖突。

圖2

表1

師：(先選擇實(shí)驗(yàn)成功的小組A，并現(xiàn)場投影實(shí)驗(yàn)過程)請描述你們小組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

生：我們觀察到直導(dǎo)線下方的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明通電直導(dǎo)線周圍存在磁場。

師：大家同意他的觀點(diǎn)嗎？

生：同意。

師：每個(gè)小組都觀察到了相同的現(xiàn)象嗎？

生：我們小組的小磁針并沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

現(xiàn)場投影實(shí)驗(yàn)失敗的小組B、C導(dǎo)線和小磁針的擺放情況。

師：請大家對比以上兩組實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自己小組的實(shí)驗(yàn)過程，思考如何讓小磁針在通電直導(dǎo)線的磁場中偏轉(zhuǎn)得更加明顯？

生1：應(yīng)該先將小磁針放在直導(dǎo)線下方，等小磁針靜止后，再閉合開關(guān)。

生2：我們發(fā)現(xiàn)剛開始不應(yīng)該讓小磁針和導(dǎo)線垂直放置，要先轉(zhuǎn)動(dòng)直導(dǎo)線讓兩者平行，現(xiàn)象更明顯。

師：大家按照以上同學(xué)的建議，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證小磁針是否偏轉(zhuǎn)得更加明顯。

活動(dòng)分析：物理概念的形成要關(guān)注學(xué)生的前概念和探究過程中的認(rèn)知沖突。學(xué)生通過小組評價(jià)和討論，自主總結(jié)奧斯特實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)：將直導(dǎo)線架在靜止小磁針的上方，并使直導(dǎo)線與小磁針平行。大家再次實(shí)驗(yàn)，之前失敗的小組觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)后，學(xué)生會(huì)感到格外驚喜。學(xué)生自主突破認(rèn)知障礙，從而建立新概念，遠(yuǎn)比教師直接講解或觀察演示實(shí)驗(yàn)來得更加有效，印象也更深刻。

2.3 科學(xué)思維的養(yǎng)成——思維的第二次生長

師：在剛才的實(shí)驗(yàn)中，你注意到小磁針偏轉(zhuǎn)的方向嗎？有什么辦法能改變小磁針偏轉(zhuǎn)的方向？

生：改變電流的方向。

師：請討論、設(shè)計(jì)簡潔有效的實(shí)驗(yàn)方案并動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象能得到什么結(jié)論？

生：我們組直接把電源兩端的導(dǎo)線對調(diào)位置，發(fā)現(xiàn)小磁針N極反方向偏轉(zhuǎn)。說明通電導(dǎo)線周圍的磁場方向與電流方向有關(guān)。

活動(dòng)分析：科學(xué)思維的養(yǎng)成要讓學(xué)生不斷面臨新問題和研究的困惑，繼而思考解決的方案并動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，加以驗(yàn)證。如果教師直接進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，表面上看教學(xué)很順利，但學(xué)生的認(rèn)知和思維都會(huì)錯(cuò)失一次“天賜良機(jī)”。每當(dāng)推進(jìn)下一項(xiàng)探究活動(dòng)時(shí)，教師應(yīng)與學(xué)生一起明確“我們要研究的問題”，這是突破困境時(shí)的有效思維方法。學(xué)生在潛移默化中，才能養(yǎng)成這樣思考問題的習(xí)慣。

2.4 知識應(yīng)用的教學(xué)——思維的第三次生長

師：大家除了觀察到小磁針的偏轉(zhuǎn)，是否還觀察到其他的現(xiàn)象？

生：剛開始我們將小磁針放在靠近導(dǎo)線兩端的位置，小磁針雖然偏轉(zhuǎn)不明顯，但卻有一端向上翹起來。

師：這個(gè)現(xiàn)象非常珍貴，大家想想這可能是什么原因？

生：小磁針可能受到向上的磁力。

師：大家能否根據(jù)該現(xiàn)象，猜想通電直導(dǎo)線周圍的磁場有怎樣的特點(diǎn)？

生：通電直導(dǎo)線的磁場應(yīng)該是立體的，在導(dǎo)線的周圍都有磁場。

師：小磁針不好懸空放置，如何用簡單的方法觀察到通電直導(dǎo)線周圍磁場的空間分布？

生：把通電直導(dǎo)線豎直插在一個(gè)平面上，多放幾個(gè)小磁針。

教師在討論后演示實(shí)驗(yàn)(圖3)。

圖3

師：除了放小磁針，還有其他能顯示磁場分布特點(diǎn)的辦法嗎？

生：在平面上撒鐵屑。

活動(dòng)分析：知識應(yīng)用的教學(xué)要給學(xué)生留有思索的空間，不斷激勵(lì)學(xué)生思考能否用所學(xué)的知識解決新問題。教師在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的匯報(bào)中，應(yīng)善于抓住與后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象或沖突，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因或解決新問題的辦法。從而不斷打破學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從點(diǎn)到面再到空間逐步引導(dǎo)學(xué)生思維的進(jìn)階。

2.5 核心素養(yǎng)的滲透——思維的第四次生長

師：請大家繼續(xù)思考，如何增強(qiáng)通電直導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度？

生：導(dǎo)線長一點(diǎn)、粗一點(diǎn)，電路中電流大一點(diǎn)……

師：在有限空間內(nèi)，如何改變直導(dǎo)線的形狀，使電流產(chǎn)生的磁場更強(qiáng)？

生：就像滑動(dòng)變阻器一樣，將直導(dǎo)線繞在圓筒上，接入電路。

師：利用所提供的器材，將導(dǎo)線繞在圓筒上制成螺線管，分組實(shí)驗(yàn)，探究通電螺線管外部的磁場方向(圖4)。

圖4

A和B兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組采用不同的繞線方式，利用8個(gè)小磁針設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后自主觀察通電螺線管外部的磁場方向。

師：請簡單描述通電螺線管外部磁感線的形狀。

生：和條形磁鐵的磁感線很像。

師：請大家思考，能否使用其他的方式，多角度驗(yàn)證通電螺線管外部的磁場分布和條形磁鐵相似？

生：在通電螺線管周圍撒鐵屑。

除此之外，還可以使用DIS傳感器現(xiàn)場展示通電螺線管的磁場強(qiáng)弱，從中軸線上距螺線管較遠(yuǎn)的點(diǎn)向螺線管靠近的過程中磁場逐漸增強(qiáng)，說明與條形磁鐵在磁場強(qiáng)度的變化上相似，再利用中空的立體磁感線演示儀展示通電螺線管和條形磁鐵的磁場在空間分布相似。

師：請各小組在黑板上標(biāo)出本組實(shí)驗(yàn)中通電螺線管的N、S極和電流方向。然后仔細(xì)觀察黑板上的4幅圖，你能總結(jié)出判斷通電螺線管極性的方法嗎？

生：如圖5所示，從正面看過去，水平放置的通電螺線管如果電流向上，N極就在左邊；電流向下，N極就在右邊。所以口訣“上左下右”方便記憶。

圖5

師：你與物理學(xué)家安培一樣，都發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)中的對稱美和簡潔美!

活動(dòng)分析：要通過課堂教學(xué)逐步引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，用辯證的眼光看待科學(xué)的世界，用發(fā)展的眼光看待科學(xué)的進(jìn)程，用審美的眼光看待科學(xué)的成果。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生多角度探究問題，得到結(jié)論慎用“一步到位”，要從不同的維度對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對比和分析，最終得到解決該類問題的多種方法或總結(jié)得出一般規(guī)律。

3 總結(jié)反思

由上述分析可知，在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師需要明確學(xué)生的思維生長原點(diǎn)，教師的任務(wù)是要通過課堂教學(xué)讓不同層次的學(xué)生在原有能力基礎(chǔ)上有所“進(jìn)階”，因此需要提出精心設(shè)置的問題串，引導(dǎo)學(xué)生在原點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行認(rèn)知的生成和思維的生長，在實(shí)驗(yàn)過程中自主轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤認(rèn)知，不斷更新認(rèn)知框架，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。