優化《磁鐵的兩極》實驗設計

小學科學的學習以學生親身經歷的探究活動為核心，以科學實驗作為科學探究的重要載體。學生通過親身經歷科學實驗，了解科學探究的具體方法和技能，理解基本的科學知識、發現和提出生活實際中的簡單科學問題，并能嘗試用科學方法和科學知識予以解決，在科學實驗中提高科學素養，培養科學態度。因此，小學生進行的實驗設計必須嚴謹、科學，按其進行實驗能得到明顯的實驗現象，通過明顯的實驗現象能推出準確的實驗結論。然而教材給出的部分實驗設計出現與事實相違背的結論。比如教科版（2018年版）的二年級下冊第一單元第二課《磁鐵的兩極》實驗設計存在此種問題。本課實驗設計目的是讓學生認識到條形磁鐵的磁力分布是兩端大，中間磁力小。但是按照其進行實驗，磁鐵南北極的中間部位，磁力特別的微弱，不能被檢測出來，因此很容易得出結論：條形磁鐵兩端磁力最大，條形磁鐵的中間部位沒有磁性。很顯然“磁鐵中間部位沒有磁性”這一結論與客觀事實相違背。由此可見，教材的部分實驗設計需要進行優化改進。《磁鐵的兩極》實驗設計的改進過程在文中將被詳細的論述，以說明優化小學科學實驗設計的一般思路。

一、研究教科版教材實驗設計

《磁鐵的兩極》實驗教學目標是：磁鐵上的磁力大小是不相同的，磁力最強的部分稱為磁極；條形磁鐵的磁力分布是兩端磁力大，中間磁力小。為了達到實驗教學目標，教科版教材設計了三個實驗活動，具體介紹如下：

（一）感受磁性

先將條形磁鐵放置桌面上，用手拿著回形針在條形磁鐵的各個部位移動，感受條形磁鐵各個部位的磁力大小。通過這個活動，學生能清楚地感受都“條形磁鐵兩端磁力大”。但對于中間部位磁力是否有磁力卻又不同意見：有學生認為，回形針放在磁鐵的中間部位，握住回形針的手沒有感受到磁鐵的磁力。有的學生認為，條形磁鐵中間部位是有磁力的，只是磁力太小，所以感受不到磁鐵磁力的存在。條形磁鐵中間部位是否有磁力存在爭議，因此教材又設計了第二個實驗活動。

（二）等距離靠近法

平放一根條形磁鐵，在離條形磁鐵同等距離的地方平放五個回形針，輕輕推動條形磁鐵向回形針平行移動（條形磁鐵移動過程中，條形磁鐵要保持和回形針平行），磁力最強的部分能最快吸引回形針。實驗設計期待出現實驗現象：磁鐵在前進的過程中，磁鐵兩端的回形針最快被吸引住，越往磁鐵中間，回形針被吸引住越往后。然而按照教材的實驗設計，實驗會出現兩個問題現象。問題現象一：條形磁鐵兩端不是同時吸引住回形針，而往往是一端還沒有吸住回形針，另外一端在距離更遠的時候就已經吸引住回形針。問題現象二：條形磁鐵的一端靠近中間位置，比另一端末端位置更快吸引住回形針。

問題現象一容易給學生造成錯誤觀念：磁鐵兩端的磁力大小不同。問題現象二容易得出“中間部位比另一端末端磁性強”與教學實驗目標相違背的實驗結論。出現這樣的錯誤是因為在平移條形磁鐵中，條形磁鐵不能絕對地保持與5個回形針平行，只要磁鐵出現一點傾斜，就會出現“一端末端先吸住回形針” “靠近中間部位比另一端末端更快吸住回形針”的結果。

（三）鐵粉-分布法

將條形磁鐵放在裝有鐵粉的密封盒上部，“輕輕”晃動鐵粉。實驗設計期待的實驗現象是：輕輕晃動鐵粉盒，能清晰看到鐵粉大部分被吸引在兩端，越往磁鐵中間部位，鐵粉的數量逐漸遞減，而且磁鐵中間部位是能吸引住鐵粉。實驗設計意圖讓學生發現條形磁鐵兩端磁力最大，然后向中間逐漸減小，最中間磁力最小，同時讓學生建立起磁場的概念。然而按照教材方法使用小牛頓提供的鐵粉反復進行操作：鐵粉只被磁鐵的兩端吸引住，磁鐵中間部位根本沒有吸引住鐵粉！根據實驗現象學生很容易得出，條形磁鐵中間部位沒有磁力這一錯誤結論。

二、研究其他版本教材實驗設計

教材實驗設計的研究應當全面、廣泛，不僅要將深圳地區使用的教科版教材納入研究，也應當將國內使用較為廣泛的教材都納入研究。除教科版外，目前國內較為流行的小學科學教材版本包括：廣東教育出版社（粵教版）、江蘇教育出版社（江蘇版）、湖南科學技術出版社（湘教版）、大象出版社（大象版）、湖北教育出版社（鄂教版）、青島出版社（青島版）、首都師范出版社（首師版）。各個版本的新舊教材關于“磁鐵的磁極”的實驗設計被逐個研究發現，尋找磁鐵磁極的方法可歸為三類：吸引法、分布法、懸掛法。（一）吸引法：直接用磁鐵的不同部位去吸引回形針、鋼針、鐵釘等這類鐵制物品，根據磁鐵不同部位吸引鐵制物品的數量來判斷磁力的大小。該實驗設計的操作方法是將磁鐵接近小鐵制品，小鐵制品會被磁鐵吸引。該實驗方法，能觀察到磁鐵的兩個磁極能吸引住很多小鐵制品，但是其他部位根本不能吸引住小鐵制品。（二）分布法：用磁鐵直接靠近一堆回形針、鋼針等類似的小物體或者直接靠近鐵粉等，觀察小物體在磁鐵周圍重新分布體。該實驗能清楚看到，小物體會向磁極聚攏，磁極部位吸引的小物體數量最多，磁鐵的其他部位幾乎不吸引小物體。用鐵粉作為小物體，能觀察到磁鐵的每個部位都吸引住了鐵粉。懸掛法：在磁鐵的不同位置懸掛回形針，觀察不同部位懸掛回形針的個數，從而找出條形磁鐵磁力最大的地方。該實驗設計能清楚觀察到：磁極部位能緊緊地懸掛著數量較多的回形針，但是磁鐵的其他部位一個回形針都不能被懸掛住。由此，教材給出的所有實驗設計，實驗現象都能很輕松地找到磁鐵的磁極。但是磁鐵南北極的中間部位，磁力特別的微弱，除“鐵粉-分布法”能觀察到磁鐵的每個部位都吸引住了鐵粉外，其他所有實驗設計都不能將條形磁鐵中間部位磁力檢測出來。由此可見，目前我國教材《磁鐵的兩極》的實驗設計能很容易找出磁極，但是也容易得出“條形磁鐵中間部位沒有磁力”這一錯誤實驗結論。

三、優化實驗設計

綜合所有版本教材關于《磁鐵的磁極》實驗設計研究，在反復實驗的基礎上，探究條形磁鐵各個部位的磁力實驗設計應當分為兩步走：第一步：尋找磁極，找出磁鐵中磁力最強的部位，即找出磁鐵的磁極；第二步：探究磁鐵中間部位是否也有磁力。兩步走的新實驗設計，不僅能找到磁極，也能在層層遞進的實驗過程中探究磁鐵不同部位的磁力大小。

（一）尋找磁極

在前期大量實驗的基礎上，實驗操作難度最低和實驗效果最明顯的實驗設計應該是“回形針-分布法”。因此將“回形針-分布法”作為第一步“尋找磁極”的實驗設計方案最為合適。尋找磁極的優化實驗設計詳細介紹如下：

1.實驗原理。條形磁鐵的兩端吸引的回形針數量多，因此兩端磁力最強是磁鐵的磁極。

2.實驗材料。磁鐵條形（規格：重量189.65g，長175mm，寬18mm，高8mm）；一個塑料容器（長216mm，寬172mm，高24mm）；回形針：約300支。

3.實驗步驟。（1）把條形磁鐵放在裝了約300支回形針的塑料容器中。（2）條形磁鐵每部分充分接觸回形針。（3）將條形磁鐵輕輕拿起。

此實驗設計，能清楚地觀察到：條形磁鐵的兩端吸引回形針的個數多，中間幾乎不吸引回形針；從而可以得出實驗結論：磁鐵磁力最強部位稱為磁極，條形磁鐵的磁極在兩端。并且，實驗設計的實驗材料容易獲得，實驗操作簡單易行。因此，“回形針-分步法”是探究條形磁鐵磁力最強部位、尋找條形磁鐵磁極的最佳實驗設計。

（二）探究條形磁鐵中間是否有磁力

“鐵粉-分布法”實驗設計出現在“教科版二年級下冊（2019年版）”和“青島版二年級下冊（2019年版）”。教科版的“鐵粉-分布法”實驗設計，將鐵粉裝在了密封的盒子里，把條形磁鐵放在盒子的外面，輕輕晃動鐵粉盒，觀察盒子中鐵粉被條形磁鐵吸引的現象。教科版的實驗設計，條形磁鐵和鐵粉隔著一層盒子，有一定的距離，條形磁鐵中間部位很容易吸引不起鐵粉，出現“只有磁鐵兩端能吸引鐵粉，中間不能吸引鐵粉”的現象。青島版中的“鐵粉-分布法”的實驗設計，將條形磁鐵直接放入鐵粉中（鐵粉用一個沒有密封的開放式容器裝著），再將條形磁鐵拿起，能很清楚地看到鐵粉在條形磁鐵中的分布：整個條形磁鐵都吸引住鐵粉，其中條形磁鐵兩端吸引的鐵粉最多，中間部位也能吸引少量鐵粉。青島版中的“鐵粉-分布法”的實驗設計，其實驗現象能很容易推出：條形磁鐵兩端磁力最強是磁鐵的磁極，磁鐵的中間部位也存在磁力。但是該實驗設計也會出現兩個問題，一是顆粒狀的鐵粉會弄得到處都是，污染環境；二是鐵粉顆粒像塵埃，容易被學生吸入，造成對身體的傷害。綜合“教科版”和“青島版”的實驗設計，以及多次實驗的經驗效果，“探究條形磁鐵中間是否有磁力”實驗設計可以采用“油鐵粉法”。優化改進后的“油鐵粉法”實驗設計具備以下的優點：實驗材料容易獲得，實驗操作簡單易行、實驗現象明顯、實驗安全無污染。“油鐵粉法”的實驗設計介紹如下：

1.實驗原理。將適量的鐵粉、磁鐵、油放入一個密封的盒子中。將盒子中的油和鐵粉進行充分震蕩使得鐵粉在油中均勻分布，然后靜置桌面上；鐵粉在磁鐵的作用下會重新分布，磁力強的部位吸引得鐵粉多，磁力弱的部位吸引得鐵粉少，并且磁鐵的周圍會形成鐵粉磁感線。

2.實驗材料。磁鐵（規格：重量28.48g，長48mm，寬13mm，高8mm）；杯子帶蓋（體積100cm3）；鐵粉1.5g～3g（粗鐵粉）；油60-75毫升。

3.實驗步驟。（1）往杯子倒入60-75毫升的油；（2）再向油里倒入1.5g～3g鐵粉；（3）再放入條形磁鐵；（4）將杯子蓋上蓋子后充分震蕩，使得鐵粉能均勻分散在油中；（5）將杯子放在水平面上靜置一段時間，直至鐵粉不再移動變化。（6）觀察杯子中鐵粉在油中分布。

4.實驗結果。一部分鐵粉被條形磁鐵吸引住，條形磁鐵的兩端吸引的鐵粉多，中間部位吸引的鐵粉少；同時，鐵粉在條形磁鐵周圍降落，在條形磁鐵周圍形成磁感線。根據實驗現象可以得出實驗結論：條形磁鐵兩端磁力最大，最中間磁力最小。

5.實驗注意事項。經過優化的實驗設計，要得到明顯的目標實驗現象，需要注意以下幾個方面：一是磁鐵整體的磁力大小要與鐵粉的數量相匹配，最好選擇磁力適中，但體積小的磁鐵，如此才能節約油、鐵粉材料。二是經過多次實驗，發現選擇磁鐵（規格：重量28.48g，長48mm，寬13mm，高8mm），底面直徑大于7cm、體積為100mc3的帶蓋塑料容器，很適合。三是鐵粉要適量，不能太多。太多鐵粉，被震蕩后的杯子一片黑壓壓，看不清楚鐵粉在油中移動的過程。同時鐵粉太少，則鐵粉在條形磁鐵周圍形成的磁感線不明顯。使用鐵粉的多少，由磁鐵大小和盒子大小而決定。如果鐵粉使用量與磁鐵、油、杯子大小不相匹配，實驗效果則大打折扣，出現的實驗結果也達不到預期實驗目標。因此，在教學之前，教師應該做好預實驗，摸清實驗條件，根據選擇的實驗材料規格確定鐵粉的數量。

四、總結反思

科學課程標準指出：義務教育科學課程具有實踐性，倡導以科學探究為主要學習方式。要使得科學探究高效，科學實驗設計就必須嚴謹、準確、科學。科學老師要清楚地認識到，實驗的目的是驗證科學事實。若實驗設計不嚴謹，得出來的卻是與科學事實背道而馳的結果，會嚴重影響教學效果，也達不到實驗教學的目的。為此科學老師必須多思考勤動手，做好教材所給實驗的課前預實驗；同時也要探索改進實驗的新方法。總而言之，改進實驗設計的一般思路有：（一）研究所用教材的實驗設計。研究教材的實驗方法，按照教材所給的實驗方法進行反復操作，檢驗教材的實驗設計是否能得到正確的實驗結果，是否能達到實驗教學目標。（二）研究其他版本的實驗設計。將國內流行的各個版本的新舊教材與目標實驗相關的實驗設計逐個研究，對比不同實驗設計的實驗效果，為下一步實驗改進積累經驗，打下基礎。（三）優化實驗設計。綜合所有版本教材關于目標實驗設計研究，制定新的實驗設計方案，反復對設計方案進行實驗，探索最佳的實驗條件和方法，并且將實驗條件和步驟進行細化，不僅要詳細列出實驗步驟，還要將實驗材料的規格、使用的量進行明確說明。

（項目基金：深圳市教育科學規劃2018年度課題，立項編號：ybzz18119。）

（林淑嫻，小學科學教師，全日制碩士學位，研究方向：小學科學實驗設計。）