吳明海 黃致新 李維 田奇

摘 ? 要：以物理學(xué)科核心素養(yǎng)“四個要素”為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，是當前初中物理教學(xué)設(shè)計的主流方向，教學(xué)活動既生動有趣，又能讓學(xué)生在探究過程中親自發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律、切身體會知識自然生成的過程、自主總結(jié)科學(xué)規(guī)律，提高學(xué)生觀察現(xiàn)象、提出問題、分析問題、解決問題的能力，很好地培養(yǎng)初中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。以2019年全國物理創(chuàng)新大賽參賽案例——“電生磁”為例，重點分析了該案例的設(shè)計亮點及其“四個要素”的達成途徑，以期為相關(guān)課堂設(shè)計提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：電生磁;教學(xué)活動;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0037-5

“電生磁”是人教版初中物理第二十章第2節(jié)的內(nèi)容，筆者在多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對磁現(xiàn)象的認識比較模糊，不能很好地理解和掌握磁場的概念，更是對電流周圍磁場的產(chǎn)生和應(yīng)用沒有認識。筆者在參加2019年全國物理創(chuàng)新大賽時，選擇“電與磁”作為參賽章節(jié)，以物理核心素養(yǎng)的四要素為指導(dǎo)，進行了有趣、有效的教學(xué)活動設(shè)計。

“電生磁”是學(xué)生在學(xué)習(xí)了磁體、磁場的前提下，通過奧斯特實驗發(fā)現(xiàn)電流（通電導(dǎo)線）周圍存在磁場，從而了解電流的磁效應(yīng)，進而知道電與磁之間的聯(lián)系[1]。本節(jié)內(nèi)容由電流的磁效應(yīng)、通電螺線管的磁場、安培定則三部分構(gòu)成。由于知識較抽象且難度較大，教師如何通過教學(xué)活動引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)設(shè)計時需要特別思考的問題。筆者從引導(dǎo)學(xué)生進行實驗分析和做好探究實驗入手，設(shè)計了4個實驗，并穿插視頻微課、規(guī)律小結(jié)等活動，讓學(xué)生在探究過程中提高觀察、提問、邏輯推理的能力。

1 ? ?教學(xué)用具與實驗準備

1.1 ? ?教師演示實驗器材

（1）趣味實驗器材：玩具魚的魚嘴里粘貼有N極朝上的磁片。四根釣魚竿，其中兩根是普通磁鐵釣魚竿，一根釣魚竿的釣頭上的磁鐵S極朝下，一根釣魚竿的釣頭上的磁鐵N極朝下;另外兩根是特制釣魚竿，釣頭是小銅絲線圈，但是電池盒內(nèi)的電池安裝相反，閉合開關(guān)后，兩個通電線圈下端的極性不同。

（2）奧斯特實驗器材：大磁針組件、塑料平臺、兩根銅立柱、恒流源、電流表（0刻度在表盤中間，指針左右偏轉(zhuǎn)方向的改變可表示電路中電流方向的改變）、家裝電線。

（3）通電螺線管磁場增強原理演示器材：大磁針組件、恒流源、電流表、3個線圈（1匝、2匝、5匝）。

1.2 ? ?學(xué)生分組實驗器材

螺線管（藍色和紅色兩種繞法不同的螺線管）、鐵芯、磁粉、小磁針、帶開關(guān)的電池盒、導(dǎo)線。

2 ? ?教學(xué)流程圖（圖1）

3 ? ?教學(xué)過程亮點與亮點分析

3.1 ? ?亮點1：趣味游戲，設(shè)疑引課

師：今天我們來進行“釣魚”比賽，這是兩根普通的磁鐵釣魚竿，這是兩根特制的釣魚竿，在規(guī)定的時間內(nèi)，比一比誰釣的魚多，注意全程不能用手去觸碰魚。

（學(xué)生釣完魚后，回答釣魚的體驗。）

生1：釣頭是磁鐵的釣魚竿，釣頭能夠釣起魚，但是魚掉不下來，原因是磁體間異名磁極相互吸引。

生2：釣頭是磁鐵的釣魚竿，釣頭總是排斥魚，原因是磁體間同名磁極相互排斥。

生2特制釣竿，閉合開關(guān)，釣頭與魚相互排斥，斷開開關(guān)，釣頭也不吸引魚，釣不上來魚。

生3：特制釣竿，閉合開關(guān)，釣頭吸起魚，斷開開關(guān)，釣頭不吸引魚，魚能自動掉在魚簍里。

師：這根成功的釣魚竿既能釣起魚，又能自動放下魚的奧秘是什么呢？失敗的釣魚竿怎樣才能順利釣起魚呢？通過學(xué)習(xí)今天的內(nèi)容，就能解決這些問題。

亮點分析 結(jié)合初中學(xué)生好奇的學(xué)習(xí)心理特點，用喜聞樂見的小游戲引入新課，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣;展示神奇釣魚竿的幾個元件（電池、導(dǎo)線和線圈），幾個裝置的組合構(gòu)成了能收放自如的神奇釣魚竿，使學(xué)生進入主動探索狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生從身邊熟悉的生活情境來探索物理現(xiàn)象背后的規(guī)律，很好地體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

3.2 ? ?亮點2：關(guān)注細節(jié)，啟發(fā)提問

3.2.1 ? ?奧斯特實驗Ⅰ

師：這是一個小磁針，在地磁場的作用下，小磁針的北極指向北方。現(xiàn)在我在小磁針的上方放置一根與小磁針平行的銅導(dǎo)線，請大家觀察小磁針有什么變化？

生：小磁針沒有變化。

師：現(xiàn)在給銅導(dǎo)線通電，電流表可以觀察到導(dǎo)線通電，請同學(xué)們觀察小磁針有什么變化？（電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)說明導(dǎo)線中有電流）

生：小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)，說明小“磁”針受到了力（強調(diào)“磁”），這個力是什么力？

生：磁力。

師：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了磁場，那么是誰的磁場給這個小磁針施加了磁力呢？

生：通電的導(dǎo)線。

師：通過這個實驗，請說說你得到的規(guī)律。

生：通電導(dǎo)線周圍存在磁場。

3.2.2 ? ?奧斯特實驗Ⅱ

師：現(xiàn)在我改變導(dǎo)線中的電流方向，請大家再次觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)？（由電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的改變可知導(dǎo)線中電流方向改變）

生：小磁針偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，意味著小磁針受到的磁力方向發(fā)生改變，那么磁力方向發(fā)生改變說明了什么呢？

生：說明磁場方向發(fā)生改變。

師：磁場方向為什么會發(fā)生改變呢？

生：因為電流方向發(fā)生了改變。

師：通過進一步的實驗，請說說你得到的規(guī)律。

生：通電導(dǎo)線周圍的磁場方向與電流方向有關(guān)。

師：這個電路中沒有用電器，能不能長時間接通電路，為什么？

生：不能，由于電路中沒有用電器，相當于短路，比較危險。

亮點分析 學(xué)生對于抽象物理規(guī)律的理解程度與教師引導(dǎo)式的教學(xué)方式是密切相關(guān)的。本環(huán)節(jié)，筆者根據(jù)學(xué)生對磁現(xiàn)象掌握的實際情況，對所探究的物理現(xiàn)象的解釋進行分解，然后在此基礎(chǔ)上進行了問題的預(yù)設(shè)和分層，所提的問題由易到難，兼顧性強，措辭準確，邏輯性強。在提問中，既突出了教材中的關(guān)鍵問題，還充分考慮了學(xué)生的接受能力，通過一系列的“問題串”能使學(xué)生的思維更清晰，更深刻地理解其正在探究的問題，領(lǐng)悟探究活動的精髓[2]。該提問環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，使他們積極參與到課堂實踐中來，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。在進行演示實驗時，筆者在細微處做了鋪墊，拓展了學(xué)生思維的廣度和思維的深度，避免了學(xué)生沒有頭緒的思考，引導(dǎo)學(xué)生朝教師預(yù)設(shè)的情境進行思考。比如，（1）在放置小磁針時，強調(diào)小磁針任意放置時，在地磁場磁力的作用下，小磁針最后總是N極指北，為后續(xù)學(xué)生分析小磁針在電流的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的實驗現(xiàn)象做鋪墊;（2）電流看不見，演示實驗增加大型電流表，給學(xué)生以證據(jù)意識，讓學(xué)生直觀感受到電流產(chǎn)生的同時也產(chǎn)生磁場，并且為后面通過演示電流表來直觀感受電流方向改變提供證據(jù)。

3.3 ? ?亮點3：視頻微課，傳遞科學(xué)精神

師：通過上面的兩個實驗，我們觀察出通電導(dǎo)線周圍存在與電流方向有關(guān)的磁場，這就是電流的磁效應(yīng)，這個現(xiàn)象最早由丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)，我們通過一段微課來了解這一段物理學(xué)史。

微課包括四個小部分：首先，介紹康德的學(xué)說，各種自然現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的;其次，指出奧斯特根據(jù)前人尋找電與磁聯(lián)系的經(jīng)驗提出自己的想法;然后，奧斯特發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象后進行三個月的深入研究到發(fā)表結(jié)論;最后，奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭示了長期以來不同性質(zhì)的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從而使得電磁學(xué)進入一個嶄新的發(fā)展時期[3]。

師：請同學(xué)們發(fā)表觀看視頻后的感想。

生1：通過觀看這段視頻，我知道了自然界的各種現(xiàn)象都不是孤立存在的，它們之間都有一定的聯(lián)系。

生2：奧斯特為了自己的科學(xué)信仰勇于探索，善于總結(jié)前人的經(jīng)驗，為自己的科學(xué)發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，所以奧斯特的發(fā)現(xiàn)并不是偶然的。

在學(xué)生發(fā)表自己的想法之后，筆者引導(dǎo)學(xué)生齊聲誦讀一首由筆者創(chuàng)作的紀念奧斯特的小詩《致奧斯特》：有人認為，你的發(fā)現(xiàn)，純屬偶然。因為，你的實驗，并非事先安排。但是科學(xué)，基于推理，也能預(yù)測。那次“普通”的嘗試啊，小磁針輕輕地偏轉(zhuǎn)，你立刻抓住，深入研究，打開了一個未知領(lǐng)域的大門，你的名字，烙印在了電磁紀元。你的發(fā)現(xiàn)，不是偶然的，而是必然，因為，偶然和意外，只對有準備的頭腦，才有作用。

亮點分析 物理學(xué)史料有助于增強學(xué)生科學(xué)探究精神的塑造[4]。本環(huán)節(jié)，筆者充分挖掘教材的物理學(xué)史料，采用“歷史重演”的教學(xué)法，制作了奧斯特實驗的歷史背景和研究過程的視頻短片，展現(xiàn)了奧斯特在追求科學(xué)真理的過程中所表現(xiàn)出的對物理之美的不懈追求，用奧斯特高尚的科學(xué)情操來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責任。同時，學(xué)生在看完視頻短片之后，分享心得體會，有利于啟發(fā)學(xué)生探究真理的志趣，樹立正確的科學(xué)態(tài)度與勇于探索的科學(xué)精神。

3.4 ? ?亮點4：實驗升級，科學(xué)推理

師：奧斯特的發(fā)現(xiàn)催生了大量的發(fā)明創(chuàng)造，其中一項重要的發(fā)明就是電流表。這是世界上最早的電流計模型，就是一匝線圈加一個小磁針，給線圈通電，小磁針偏轉(zhuǎn)了，通過磁針的偏轉(zhuǎn)，就能知道導(dǎo)體中有電流。保持電流大小不變，現(xiàn)在增加一匝線圈，請觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。

生：小磁針偏轉(zhuǎn)角度變大。

師：如果繼續(xù)增加線圈匝數(shù)，請同學(xué)們猜想小磁針偏轉(zhuǎn)角度會發(fā)生什么變化？

生：小磁針偏轉(zhuǎn)角度會進一步變大。

師：繼續(xù)增加線圈匝數(shù)，驗證學(xué)生的猜想。因為使用的是恒流源，三次實驗通過線圈的電流大小相等，三次實驗中電流表的指針的示數(shù)是相同的。

生：小磁針的偏轉(zhuǎn)角度果然變得更大了。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)角度變大，說明小磁針所受磁力變大;磁力變大，說明小磁針所處的磁場強度變強。那么電流大小不變，為什么隨著線圈匝數(shù)增加磁場強度會變強呢？

生：每匝線圈都會產(chǎn)生磁場，各個磁場相互疊加，所以磁場強度會增強。

亮點分析 該演示實驗是依據(jù)教材上介紹通電螺線管的原理而創(chuàng)造性地開發(fā)的一個實驗，增加這個演示實驗的目的，是讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象，運用科學(xué)思維來推理得出通電螺線管的強磁場的原因，學(xué)生在體驗和思考中建立起正確的物理觀念，在這個過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力得到了進一步提高。

3.5 ? ?亮點5：現(xiàn)象對比，尋找規(guī)律

3.5.1 ? ?通電螺線管的磁場特征

師：像這樣的導(dǎo)線一圈一圈繞在一起，構(gòu)成螺線管，螺線管的磁性變強，對我們幫助很大，所以接下來我們來研究通電螺線管的磁場。利用什么器材來研究磁場的特點？

生：鐵屑。

師：請同學(xué)們利用鐵屑來研究通電螺線管的磁場的特點。

生：（分組實驗）學(xué)生按照以前研究各種磁體的磁場的方法，利用鐵屑和小磁針來研究通電螺線管的磁場特征。

生：通電螺線管外部的鐵屑分布與條形磁體的類似，說明通電螺線管外部的磁場與條形磁體的類似。

3.5.2 ? ?通電螺線管的極性規(guī)律

師：通電螺線管外部的磁場與條形磁體的類似，可以將通電螺線管看成條形磁體，其兩端就相當于磁極，那么利用什么工具來確定它的極性呢？

生：利用小磁針來確定極性。

師：演示利用小磁針來判斷通電螺線管的極性。通電螺線管的極性是不變的還是改變的？

生：可能是變化的？

師：怎樣可以改變通電螺線管的極性？請同學(xué)們進行猜想。

生：改變電流方向。

師：通過交換電源的正負極來改變電流方向，請同學(xué)們利用小磁針來判定通電螺線管的極性，將極性寫在對應(yīng)的學(xué)案上，驗證電流方向的改變是否能改變通電螺線管的極性？

生：（分組實驗）每個實驗小組有一個螺線管和對應(yīng)的實驗記錄單，學(xué)生完成實驗，將對應(yīng)的極性填寫在實驗圖上。螺線管有兩種纏繞方式，分別用藍色和紅色電線區(qū)分。學(xué)生完成實驗，教師將不同繞線方式的實驗記錄在圖上進行展示。

師：同學(xué)們通過實驗驗證了通電螺線管的極性與電流方向有關(guān)。請觀察紅色螺線管與藍色螺線管，它們的外部電流方向相同，但是從實驗結(jié)果來看，它們的極性并不相同，這是為什么呢？請仔細觀察兩個螺線管有什么不同？

生：（經(jīng)過對比分析后發(fā)現(xiàn)）繞線方式不同，通電螺線管的極性與繞線方式也有關(guān)。

亮點分析 本環(huán)節(jié)將教材中根據(jù)實驗結(jié)果找規(guī)律的部分設(shè)計成學(xué)生分組探究實驗。通過此探究實驗，學(xué)生完整地經(jīng)歷科學(xué)探究的七個環(huán)節(jié)，進一步鞏固學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)，特別是在分析和論證、評估、交流與合作這三個環(huán)節(jié)中，采用“分組同伴互助”教學(xué)法[5]，具有使任務(wù)具體化和勞動分工、促進責任心和思想共享等這些有效合作學(xué)習(xí)的標志[6]，不僅體現(xiàn)了團體合作的作用，還發(fā)現(xiàn)了預(yù)設(shè)之外的規(guī)律，讓學(xué)生切身感受到互助合作的價值與意義。

3.6 ? ?亮點6：尋找規(guī)律，巧記關(guān)系

師：比較極性相同的紅色通電螺線管和藍色通電螺線管，它們的繞線方式不同，外部電流方向不同，但它們的極性是相同的，請同學(xué)們仔細觀察，為什么它們的磁場相同呢？

生：對照比較，發(fā)現(xiàn)極性相同的通電螺線管的內(nèi)部環(huán)繞電流方向是相同的。

師：外部電流方向和繞線方式共同決定了環(huán)繞電流方向，只要環(huán)繞電流方向相同，則通電螺線管的極性就是相同的。通電螺線管的極性與環(huán)繞電流方向存在一一對應(yīng)的關(guān)系。你能想出什么辦法來記住這個對應(yīng)關(guān)系呢？請同學(xué)們分小組討論。

生1：我們面對通電螺線管，若看到的電流向上，則左邊是通電螺線管的N極，若看到的電流向下，則右邊是通電螺線管的N極，即“上左N，下右N”。

生2：可以借用課本上的安培定則幫助我們來判斷。

亮點分析 在記憶通電螺線管的極性和環(huán)繞電流的關(guān)系時，鼓勵學(xué)生用自己的方式和方法記憶科學(xué)規(guī)律，增加了學(xué)習(xí)的主動性，有利于促進學(xué)生的深度思考，同時鼓勵學(xué)生之間互相分享學(xué)習(xí)心得，有助于進一步營造互助合作的學(xué)習(xí)氛圍。

3.7 ? ?亮點7：掌握規(guī)律，學(xué)以致用

3.7.1 ? ?反饋活動一：揭開特殊釣魚竿的奧秘

師：通過上面的學(xué)習(xí)，請大家說一說這根既能釣起魚又能放下魚的魚竿蘊含著怎樣的科學(xué)原理呢？（進一步放大釣頭的構(gòu)造）

生：釣頭是通電螺線管，通電后，通電螺線管能吸引魚嘴里面的磁片;斷電后，通電螺線管就沒有了磁性。

師：那么，如何讓這根失敗的特制釣魚竿也能釣上魚呢？

生：改變電流的方向，就能改變通電螺線管的極性，讓這根魚竿從排斥魚變?yōu)槲~。

3.7.2 ? ?反饋活動二：學(xué)以致用，電磁彈射小車

教師分發(fā)給每個小組繞制好的螺線管、電源和導(dǎo)線，講臺上放置好尾部粘有磁片的輕質(zhì)塑料小車（磁片的S極朝向外側(cè)）。學(xué)生進行小組討論，想一想如何正確連接螺線管和電源的正負極，才能將粘有磁片的小車彈射出去。學(xué)生分小組合作連接好彈射裝置，并分組上臺來展示彈射小車的情況，教師總結(jié)學(xué)生的展示活動。同時，開展教學(xué)延伸，展示航母上的電磁彈射系統(tǒng)。

亮點分析 ?第一，該環(huán)節(jié)主要是當堂反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，檢驗學(xué)習(xí)成果。第二，揭秘神奇釣魚竿，解決了引入時設(shè)置的懸念，首尾呼應(yīng)，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。第三，電磁彈射小車趣味活動立足于課后習(xí)題素材，將課本上的題目訓(xùn)練變成有實際操作價值的反饋活動，既反映了對教材的靈活運用，也增加了課堂的趣味性，對學(xué)生有效掌握安培定則起到鞏固作用。與此同時，該活動仍采用小組形式，進一步夯實互助合作的學(xué)習(xí)氛圍。第四，在此基礎(chǔ)上開展教學(xué)延伸活動，通過介紹航母上的電磁彈射系統(tǒng)，讓學(xué)生深刻感知物理學(xué)科的實用性，體會到學(xué)習(xí)物理的價值與意義。

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）