基于學生體驗的物理實驗教學設計——以“通電螺線管周圍的磁場”教學為例

(江蘇省南京市人民中學，江蘇 南京 210005)

蘇科版九年級物理第十六章“電磁轉換”不僅介紹了磁現象，還介紹了電與磁之間的聯系及其應用，其中實驗“通電螺線管周圍的磁場”在本章中起著承前啟后的作用，既是磁現象的延伸與拓展，也是電磁繼電器、電動機、磁生電的基礎，在初中物理教學中占有重要的地位。

1 實驗設計與器材

引導學生自主設計“探究通電螺線管周圍磁場”的實驗方案,探究螺線管的多種繞法,可使實驗探究結論更具普遍性。通過將通電螺線管放入布滿小磁針的透明玻璃板中,觀察通電螺線管周圍的磁場,使所得的探究結論更具有說服力。

實驗器材包括：電池、開關、導線、小磁針、漆包線、鐵釘、A4紙等(圖1)。

圖1

2 實驗改進

2.1 實驗引入

教材引入螺線管時是直接介紹：將一根導線纏繞在圓筒上，就叫螺線管。學生對螺線管缺乏感性認識，直接進行實驗顯得有點匆忙。

筆者對實驗進行了改進，先請學生觀察實驗室中使用的螺線管(圖2)，再觀察老師制作好的螺線管(圖3)，討論以下問題：導線在圓筒上怎么纏繞比較好？纏繞的方式有幾種？再進行學生交流。這不僅為后面探究“通電螺線管周圍存在磁場”做鋪墊，也為后面讓學生標出電源正負極、電流方向、通電螺線管的N和S極、研究安培定則做鋪墊。

圖2

圖3

2.2 探究通電螺線管周圍磁場的分布情況

教材要求學生邊實驗、邊記錄通電螺線管周圍各點的磁場方向，畫出通電螺線管外部磁感線的分布圖，進而得出結論：通電螺線管外部的磁場分布與條形磁體周圍的磁場分布相似。

筆者對實驗方案進行了改進，先讓學生回憶條形磁鐵周圍磁感線的特點，然后讓學生自己制定探究通電螺線管周圍磁場的計劃及實驗步驟，再用實物展臺予以展示(圖4)。讓學生對實驗的操作有一個直觀印象，從而使學生體會研究電磁問題的方法，提升學生模型建構和類比思維能力

圖4

2.3 學生進行實驗，總結實驗結論

教材是用現成的通電螺線管進行實驗探究，畫出通電螺線管外少量磁感線的形狀，進而得出結論：通電螺線管外部的磁場分布與條形磁體周圍的磁場相似，磁場方向與電流方向相關。學生利用老師提供的器材進行實驗，螺線管線圈的繞法較為單一，在幾個不同位置放置小磁針，觀察通電螺線管周圍的磁場分布，實驗和結論均不具有普遍性。

筆者對此進行了改進，由學生自己制作如圖5所示的螺線管，將它們接入電路進行實驗。這一環節培養了學生的實驗動手能力，學生自選一種繞法進行實驗，可以讓實驗的結論更具普遍性，提高了學生自主探究的興趣，并展示學生畫出的磁感線分布圖(圖6)，初步認識到：通電螺線管周圍的磁場分布與條形磁鐵周圍磁場的分布相類似。

圖5

圖6

進而筆者向學生提出問題：圖片上還有很多空白的部分，這些位置的磁場方向是怎樣的？學生提出：可放入更多的小磁針，教師做演示實驗(圖7)，將通電螺線管放入布滿小磁針的透明板中，可看出通電螺線管周圍磁場的大致分布，從而得出結論：通電螺線管周圍的磁場分布與條形磁鐵周圍的磁場分布相似。

圖7

筆者再提問：通電螺線管的磁場方向是否與電流方向有關？實驗如何操作？在什么位置放小磁針，觀察小磁針偏轉的變化？學生還改變流過螺線管的電流方向(圖8)，得到的通電螺線管的磁場方向與電流方向的結論也更具有普遍性。

圖8

3 實驗效果評價

(1) 科學探究過程一般包括以下環節：提出問題、猜想與假設、設計實驗與制定計劃、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作。通過回憶條形磁鐵的磁場分布情況,學生猜想通電螺線管周圍磁場的分布情況，類比“探究條形磁鐵的磁場分布”實驗，制定研究通電螺線管周圍磁場分布情況的實驗步驟，進行實驗，在白紙上記錄實驗結果，小組成員通過交流討論得出實驗結論，提升了學生的科學探究能力。

(2) 學生通過自己制作螺線管,自主完成以下探究實驗：通電螺線管周圍存在磁場、磁場的方向與電流的方向有關,在實驗中學生動腦動手,團結協作，共同解決實驗中的問題,提升了學生的實驗能力。

(3) 教師引導學生回憶條形磁鐵的磁場分布，建立相應的物理模型，培養了學生的建模能力。通過研究通電螺線管周圍的磁場分布以及最后得到的螺線管周圍磁感線的分布圖，與條形磁鐵作類比，培養了學生的科學思維能力。

(4) 在整個實驗過程中，需要小組成員之間相互配合、合作完成，每個小組成員各有分工，一起探討和解決實驗中遇到的問題，使實驗得以順利進行，從而得出實驗結論，提升了學生的合作能力。