基于物理學科核心素養的“電流的磁場”教學設計

陳曦 徐曉梅 黃佳佳 李肖

摘?要：物理學科核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面的要素構成。主要基于物理學科核心素養，嘗試做了初中物理“電流的磁場”教學設計，主要探索及展示了物理學科核心素養如何制定教學目標及設計教學過程兩環節。

關鍵詞：物理學科核心素養;電流的磁場;教學設計

一、 教學任務分析

“電流的磁場”是滬科版九年級第十七章“從指南針到磁懸浮列車”課程中的內容，是初中物理電磁學部分的一個重點，它將前一節簡單的磁現象和已有的電學知識聯系起來，拉開了研究電磁本質聯系的序幕。“電流的磁場”含有三個核心概念：電流的磁效應、通電螺線管的磁場和安培定則，這是前面簡單磁現象的延伸，也是后面學習電動機的基礎。在備課時，先要設計好探究問題，遵循“從一般到特殊、從易到難”的原則;在授課時，利用問題創造情境，讓學生參與探究的全過程，提升物理學科核心素養。前面學生已經學習了磁體與磁場，對磁場的研究方法有一定了解，所以本節重復奧斯特實驗和研究通電螺線管外部磁場的特點在方法上較容易些。

二、 教學目標

（一） 物理觀念

通過奧斯特實驗，了解電流周圍存在磁場，認識電流的磁效應;通過探究通電螺線管外部磁場的特點，知道通電螺線管的磁場與條形磁鐵的磁場相似;通過學習和交流理解安培定則，會判斷通電螺線管兩端的極性和通電螺線管的電流方向。

（二） 科學思維

通過奧斯特實驗和探究通電螺線管磁場的特點實驗，對實驗現象歸納分析，體會邏輯推理是科學研究的重要方法;通過類比通電螺線管外部的磁場和條形磁鐵的磁場，了解類比法的使用方法。

（三） 科學探究

重新經歷奧斯特實驗的探究過程，體驗科學探究中的艱難歷程;經歷探究通電螺線管外部磁場的特點，體悟科學探究的一般過程與方法。

（四） 科學態度與責任

了解奧斯特發現電流的磁效應相關的故事，體會科學家敢于質疑、實事求是、尊重事實、尊重科學的科學態度。通過小組合作實驗，使學生逐步掌握合作學習技能。

三、 教學重點與難點

（一） 教學重點

電流的磁效應、通電螺線管外部的磁場。

（二） 教學難點

用安培定則判斷通電螺線管外部磁場的方向。

四、 教學準備

PPT教學課件、多媒體、電鈴、小磁針、螺線管、大頭針、通電螺線管周圍磁感線的演示教具、電源、銅導線、滑動變阻器、兩種不同纏繞方式的螺線管。

五、 教學過程

（一） 導入新課

[創設情境，提出問題]

讓事先準備好的電鈴響起。

提出問題：電鈴一直存在我們身邊，大家有沒有想過電鈴的工作原理？學習完這節課，同學們就能理解其中的奧秘。

利用電鈴吸引鐵釘，引導學生猜一猜：電鈴由什么組成的？將電鈴展示給學生，引導學生觀察，學生沒有找到磁鐵，而是一個電池和一個元件組成的電路。

[思維引導]

帶電體和磁鐵都能吸引鐵釘，這些相似是巧合還是存在某種聯系，科學家一次又一次地尋找電與磁的聯系。在1820年丹麥物理學家奧斯特終于用實驗驗證了猜想，使電磁學進入一個新的發展時期，這節課我們來重復奧斯特實驗，一起研究電生磁。

學生活動：觀察電鈴吸引鐵釘，猜想電鈴有磁鐵等元件。

設計意圖：通過生活中的電器作為引入，不僅能吸引學生的注意力，還能激發學生探究興趣。

（二） 推進新課

1. 電流的磁效應

[驗證性實驗]

連接電路（如圖1），將一根直導線平行放在小磁針的上方，給導線通電、斷電，改變電流方向，觀察小磁針的偏轉情況。

[現象歸納]

①有部分小組實驗現象不明顯;②閉合開關，小磁針會發生偏轉;改變導線電流方向，小磁針會發生偏轉。

[交流心得]

①直導線要沿南北方向和小磁針平行放置;②電流周圍存在磁場;③電流的磁場方向跟電流的方向有關。

[提出問題]

為什么直導線一定要沿南北方向和小磁針平行放置？

[答案點撥]

通電導線在南北方向時，產生的磁場和地磁場方向不同，才會使小磁針偏轉。

[自主學習]

閱讀奧斯特發現電流的磁效應相關的故事。奧斯特第一個發現了電與磁之間的聯系;通電導線周圍存在磁場，這種現象叫電流的磁效應。

學生活動：分小組進行實驗，注意觀察和記錄現象。對實驗現象進行因果分析，根據分析對探究結果進行描述，歸納形成結論。根據活動體驗。思考問題答案。體會科學家艱難的探索旅程，進一步了解電與磁的概念。

設計意圖：為了促進電流的磁效應這一物理觀念的形成，讓學生重復奧斯特實驗，經歷探究過程，了解電流周圍存在磁場。在探究過程中，對實驗現象進行分析綜合，歸納推理，發展學生科學思維能力。利用奧斯特的相關故事，滲透物理學史，培養學生科學態度與責任。

2. 通電螺線管

[思維引導]

奧斯特實驗中，通電導線必須與小磁針平行且一定要在特定方向才可以發生偏轉，地磁場對單根通電直導線產生的磁場影響太大，普通電流的磁效應太小，在實際生活中我們將導線繞在圓筒上，做成一個螺線管，來增加導體的磁性。接下來我們一起來探究通電螺線管的磁場有什么特點。

[演示實驗]

在螺線管穿過的玻璃板上均勻地撒滿鐵屑，再給螺線管通以電流并輕輕敲擊玻璃板面，觀察玻璃板面上鐵屑的分布情況（如圖2）。改變電流方向，再觀察一次。

[現象歸納]

通電螺線管的鐵屑分布與條形磁體相似，兩頭密中間疏（如圖3）。

[交流心得]

通電螺線管的磁場分布與條形磁鐵相似，也有兩個磁極。

[探究性實驗]

[提出問題]

通電螺線管的磁極與哪些因素有關？

[猜想與假設]

磁極可能與電流方向有關，還可能與螺線管的繞線有關等。

[設計實驗]

（1）實驗中需要測量哪些物理量，利用什么實驗儀器？

需要測量通過通電螺線管的電流方向，直接記錄數據;測量通電螺線管的磁極，利用小磁針判斷方向。需要利用的儀器有：電源、導線、滑動變阻器、開關、小磁針（至少4個）、不同纏繞方向的螺線管每樣一個。

（2）改變通電螺線管的電流方向都有什么方法？

改變接入電源的正負極方向;改變通電螺線管的纏繞方向。

（3）按照分析，把不同的電路圖畫出來（如圖4）。

[進行實驗]

指導學生按照電路圖連接實驗儀器，在通電螺線管的外部放一些小磁針，利用不同繞線的螺線管，改變電流方向，確定通電螺線管的磁極。根據實驗結果把通電螺線管的N極和S極在圖4中標出。

[分析與論證]

當通電螺線管的電流方向改變時，小磁針N極的指向也發生改變。通電螺線管兩端的極性與其中的電流方向有關。電流方向改變，極性對調。

[交流與合作]

指導學生分小組匯報整個實驗的探究問題、過程與結果，不同小組之間進行評價，小組內進行自我反思和評價，并撰寫探究報告。

學生活動：了解螺線管的相關知識。觀察鐵屑的排列情況，畫出通電螺線管的磁感線。根據實驗現象，類比條形磁鐵與通電螺線管磁場的分布，得出結論。猜想通電螺線管的磁極與電流方向和螺線管的繞線等有關。聆聽老師介紹，分組設計實驗并進行操作。嘗試畫出電路圖。通過實驗，判斷通電螺線管的N極和S極，并標在圖中。對實驗現象進行因果分析，根據分析對探究結果進行描述，歸納形成結論。

設計意圖：利用演示實驗和探究實驗相結合來探究通電螺線管的磁場特點這一物理觀念，總結通電螺線管的磁場分布與條形磁鐵磁場分布相似，學習科學思維方法——類比法。在探究實驗中，通過提出問題、形成猜想與假設、設計實驗并獲取實驗信息、基于證據得出結論并做出解釋等探究實驗的基本步驟，讓學生了解探究實驗的一般過程，培養學生科學探究能力。利用圖像法把實驗結果進行總結，根據結果進行因果分析，推理得出結論，并將結果進行表達，討論交流，培養學生邏輯思維能力和語言表達能力，發展學生核心素養。

3. 安培定則

[提出問題]

通電螺線管外部磁場的方向與電流方向存在什么規律？

[現象歸納]

通電螺線管外部磁場的N極方向始終在螺線管電流方向的左邊;通電螺線管外部磁場的S極方向始終在螺線管電流方向的右邊。

[討論交流]

采用什么辦法可以簡便地判定通電螺線管的磁性與電流的關系？

[課件展示]

介紹安培定則并用動畫展開安培定則教學。安培定則：用右手握住螺線管，讓四指彎曲的方向跟螺線管中電流的方向一致，則大拇指所指的那端就是通電螺線管的N極（如圖5）。

學生活動：嘗試用自己的方法把這種關系表達出來。通過圖片和文字理解安培定則。

設計意圖：利用動畫課件學習安培定則這一物理觀念，安培定則是由規律上升為一種判定法則。本節課沒有直接呈現結果，引導學生體會科學家總結現象的能力，滲透科學思維，培養學生科學態度與責任。

4. 結束新課

利用這節課的知識分析電鈴的工作原理。（如圖6）和（如圖7）

學生活動：嘗試用自己的方法把這種關系表達出來。通過圖片和文字理解安培定則。

設計意圖：通過解決生活中電鈴實際問題來促進物理學科核心素養的達成。

六、 教學反思

（一） 發展物理學科核心素養要依托具體的教學內容，結合不同的教學內容，其側重點不同。絕不能認為這些教學內容所承擔的核心素養是唯一和孤立的。物理學科核心素養由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面的要素組成。在這四個要素中，物理觀念是知識的內化，是其他核心素養的基礎;科學思維和科學探究是關鍵能力;科學態度和責任是必備品格。四個方面相互依賴，共同發展。本節課由電流的磁效應、通電螺線管的磁場和安培定則三個核心概念組成，電流的磁效應側重于物理觀念的形成;通電螺線管的磁場側重于科學探究能力的培養;安培定則側重于物理觀念的形成和應用。在促進電流的磁效應這一物理觀念形成的教學設計中，通過探究實驗了解電流的磁效應，利用物理學史加深對電流的磁效應的認識，過程中培養學生邏輯分析能力，發展科學思維，形成良好的科學態度。

（二） 注重實驗探究形成知識的過程。把奧斯特實驗由演示實驗改為學生實驗，增強了學生對通電直導線的感性認識。通過奧斯特實驗，體會科學家艱難的探索旅程，感悟物理實驗嚴謹和求實的必要性。在通電螺線管和安培定則的教學過程中，通過語言交流與評價，讓學生慢慢學會概括探究的結果，提高學生對探究結果的概括能力。科學探究是一個過程，是一種學習方式和科研探究方式，是學習物理觀念、發展科學思維、科學態度與責任的手段和途徑，同時，也是一種綜合的能力。

（三） 本節設計在實驗方面涉及較多，對安培定則的應用涉及較少，需要在下一節課進行補充;可以適當拓展電磁繼電器方面的內容，滲透STSE教育。

參考文獻：

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