基于科學探究實驗的“磁現象 磁場”教學設計

馬 靜 馬文婧 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

2014年4月,我國教育部印發《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》,提出了核心素養的概念,將核心素養落實到物理教學中就是要培養學生的物理核心素養,物理學科核心素養是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,是學生科學素養的重要構成．物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面構成．在物理核心素養的4個要素中,科學探究是一個過程,是一種學習方式和科學研究的方式,是一種學習物理觀念、發展科學思維、形成科學態度和責任的途徑．物理觀念、科學思維、科學態度與責任是通過物理學習而形成的核心素養．

培養學生的物理核心素養,就要從知識記憶到知識理解,從基于習題訓練到面對實際問題解決,從具體性知識學習到核心觀念建構．例如:建構“磁場”中的相互作用觀念,課堂以科學探究實驗為主線,充分發揮教師的主導作用,學生的主體地位,讓學生做,讓學生說,讓學生得出最終結論,達到學生真正理解記憶物理概念,建構物理觀念的目的．發展物理核心素養目的就是學生學會學習,用科學研究的方法解決問題,用科學研究的態度探索世界．

基于以上分析,筆者將以人教版9年級物理“磁現象 磁場”一節教學設計為例,體現科學探究實驗在中學物理課堂中的應用．

2 “磁現象 磁場”教學設計

2.1 “磁現象 磁場”教學流程圖

教學流程圖如圖1所示.

圖1 教學流程圖

2.2 教學過程

2.2.1 創設情境,激發學生的學習興趣,促進學生形成物理觀念

魔術表演:“開心果入杯”,將燒杯倒置,再將開心果置于燒杯頂部,倒數3個數,開心果穿杯而入,如圖2所示．

圖2 魔術表演圖3 魔術揭秘

魔術揭秘:杯子完好無損,開心果到底是怎樣穿杯而入的呢?其實,在教師的手里有兩個一模一樣的開心果,并且這兩個開心果里都裝有小磁體,同時,在教師的手上還戴有一個磁體戒指,教師先把一個開心果放在燒杯上,然后,再悄悄把另一個開心果放進燒杯里面,用磁體戒指隔著燒杯把開心果吸起來,到頂部后再吸走放在燒杯上面的開心果,最后拿開手,燒杯里面的開心果就掉了下去,如圖3所示．

建立概念:像磁鐵戒指這樣帶有磁性的物體叫做磁體,磁性又是指物體能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質．日常生活中我們能見到各種各樣的磁體:條形磁體、U形磁體、針形磁體(小磁針)等等．

提出問題:磁體上各部分磁性都相同嗎?

猜想:相同(或不同).

學生活動:利用條形磁體、鐵屑、大頭針等實驗儀器,設計實驗．學生可以用條形磁體分別吸引大頭針與鐵屑,如圖4、5所示．

圖4 條形磁體吸引大頭針圖5 條形磁體吸引鐵屑

分析推理:通過圖4、5以及表1可以發現:條形磁體上各部分磁性不同,條形磁體兩邊吸引的大頭針和鐵屑最多,中間吸引的最少,就證明條形磁體兩端的磁性最強,中間的磁性最弱．

表1 條形磁體不同部位磁性弱

建立概念:在物理學中,我們把磁性最強的部分叫做磁極,并且磁體上指北方的磁極叫北極,用N表示;磁體上指南方的磁極叫南極,用S表示．

圖6 運動的小車

學生活動:如果條形磁體的兩個磁極互相靠近,會有什么樣的現象呢?小車會如何運動呢?如圖6所示．

分析推理:當兩條形磁體相同的磁極相互靠近時,小車會被排斥;當兩條形磁體不同的磁極相互靠近時,小車會被吸引,這就證明:同名磁極互相排斥,異名磁極互相吸引．

提出問題:兩個條形磁體只是靠近,他們并沒有接觸,為什么小車還會運動呢?

分析推理:小車原本靜止在桌面上,由于條形磁體的吸引(或排斥)由靜止變為運動,由牛頓第一定律可知“力是改變物體運動狀態的原因”,因此可以判斷:小車受到了“力”．

建構觀念:在物理學中,接觸的兩個物體之間的相互作用被稱為接觸力,例如常見的彈力、摩擦力等;像兩個條形磁體沒有接觸就產生的力,叫做非接觸力．能夠產生非接觸力是因為磁體周圍確實存在著一種我們看不見也摸不著的特殊物質,這種客觀存在的特殊物質叫做磁場,磁場能夠對放入它其中的磁體有“力”的作用,磁體間的相互作用就是通過“磁場”來實現的．

設計意圖:利用魔術表演激發學生的學習興趣,通過提問的方式誘發學生思考,先幫助學生建立“磁性”、“磁體”的概念,然后利用簡單的探究實驗建立“磁極”的概念,最后建構“運動與相互作用”觀念,層層遞進,讓學生從知識記憶到知識理解、從具體性知識學習到核心觀念建構,為后面解釋自然現象和解決實際問題打下基礎．

2.2.2 利用探究實驗構建磁感應線模型

磁感應線模型的建立:在日常生活中,風也是看不見也摸不著的物質,但是我們可以通過觀察國旗的飄動來直觀的判斷風的方向和大小,這叫作轉換法,如圖7所示．在物理學中,我們把一些看不見也摸不著的物理量,用一些非常直觀的圖形模型去描述,如光路圖、風向圖．

圖7 飄動的五星紅旗 圖8 地圖上的風向

提出問題： 能否建立一種像地圖上風向一樣的模型來描述磁場的性質?如圖8所示．

猜想與假設： 磁場的分布也是有規律的,可以畫出類似表示風向線的磁場線．

實驗設計：

(A) 實驗1-實驗4的器材如圖9所示;

(B) 學生準備紙、筆;

(C) 將學生分成4人一組,組內確定每個任務的主持人(輪流做組長).

制定方案：

任務1: 根據前面介紹的“轉換法”,小組討論并陳述如何利用轉換法來研究磁場．

要求: 學生陳述后,讓學生指明這樣做的好處．

任務2: 首先按照1、2兩個實驗圖進行分組實驗,每組承擔1個實驗．

要求: ① 設計實驗方案; ② 按方案實驗并記錄實驗現象; ③ 對實驗現象分析討論后,歸納實驗結論(填入表1); ④ 每組實驗分別由兩位學生合作進行實驗．

說明:實驗1、實驗2中的“位置X”是指小磁針的擺放位置,小磁針黑色部分代表南極,灰色代表北極．

圖9 實驗儀器

任務3:先完成實驗1、2,根據自己組的實驗與組內其他同學的實驗匯報,完成表2．

表2 實驗現象的記錄與解釋

解釋與結論:由實驗1、2可知,小磁針在磁場中會受到非接觸力的作用,每個小磁針的指向都不相同,說明小磁針受到的力的方向不同,就證明磁場具有方向性．因此,物理學中規定,小磁針在磁場中某一點靜止時,N極的指向就是該點的磁場方向．

任務4:兩人一組合作完成實驗3、4,根據自己組的實驗與組內其他同學的實驗匯報,完成表3．

表3 實驗現象的記錄與解釋

解釋與結論:由實驗3、4可知,條形磁體的磁場呈曲線分布,并且曲線的分布關于條形磁體上下、左右對稱,同時可以發現在磁極部分,曲線最密集,在磁性較弱的部分,曲線較稀疏．

任務5:在紙上仿照著鐵屑(或小磁針)的分布畫出幾條曲線,這些曲線代表磁場,并把每條曲線都標上方向,這些曲線的方向就是磁場的方向．

說明:磁場的方向是小磁針靜止時N極所指的方向,曲線的疏密代表磁場磁性的強弱．

表達與交流： 由實驗3和實驗4可知,磁場的方向是從北極出發,最終回到南極,并且在磁極部分,曲線最密集,如圖10所示．

圖10 條形磁體磁場分布圖

驗證假設:可以畫出一組線來描述磁場．

教師提示:物理學中不叫磁場線,而叫這組線為磁感線．大家發現磁感線只是為了研究磁場方便而假象的物理模型,這種方法我們稱之為模型法,我們今天自己建立了這種模型．

建立概念:把小磁針在磁場中的排列情況,用一些帶有箭頭的曲線畫出來,可以方便、形象地描述磁場,這樣的曲線叫做磁感線．磁感線具有以下特點: (1) 磁感線是人為假想的(磁場真實存在); (2) 磁感線上某點的切線方向,(小磁針在該點靜止后北極的指向),就是該點的磁場方向; (3) 從磁體N極出來,回到S極; (4) 磁感線的疏密表示磁場的強弱．

任務6:請根據任務5所得的結論,畫出蹄形磁體(U型磁體)的磁感線,組內討論“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”的磁感線,并試著畫出磁感線．小組成員互相交流,分享成果．

圖11 蹄形磁體磁感線

表達與交流. 與條形磁體相同,磁感線從磁體N極出來,回到S極,磁感線的疏密表示磁場的強弱．由此可得蹄形磁體磁感線如圖11所示,“同名磁極相互排斥”磁感線如圖12所示,“異名磁極相互吸引”磁感線如圖13所示．

形成結論： 磁場的分布有規律,可以用“磁感線”來描述．

圖12 同名磁極磁感線 圖13 異名磁極磁感線

任務7:“磁”在生活中的應用廣泛,請查閱資料并了解交流“磁懸浮列車的運行原理”．

設計意圖:本環節主要利用科學探究實驗讓學生自主探究,最終通過實驗得出與磁場相關的物理知識．實驗1和實驗2的設計目的如下: (1) 通過實驗感受磁場的基本性質——對放入磁場的磁體有力的作用,使得物理概念和規律等在頭腦中進一步提煉和升華; (2) 由學生主動得出結論:磁場具有方向性,為下面的探究內容打下基礎．通過實驗3與實驗4的探究過程,讓學生用畫圖、口頭表達、書面表達等形式描述實驗現象,提高學生的科學探究技能,同時講解科學方法“轉換法”、“模型法”的運用,培養學生從不同角度考慮問題,具有建構理想模型的意識．

3 結語

科學探究在本節課是一個非常重要的過程,利用科學探究實驗可以充分調動學生的主動性,以團隊合作的形式探索知識,逐步形成物理觀念;在合作學習的過程中,運用科學思維方法,定性的進行科學推理、找出規律、形成結論,并能解釋現象;同時讓學生具有學習和研究物理的好奇心與求知欲,尊重他人,能基于證據發表自己的看法,實事求是,培養學生的創新精神．

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