《磁場 磁感線》教學設計

編者按：課堂是教學的主陣地。優秀的教學設計能為教師提供經驗與啟示，幫助教師提高教學質量。為此，2024年本刊開設專欄《典型課例》。在該欄目中，我們以“教學設計+點評”的形式，呈現一線教師學習、理解新課標，深化素養導向的課堂教學改革和育人方式轉變的實踐與思考。本期典型課例是江蘇省第四屆物理實驗創新大賽一等獎課例——人教版高中物理必修第三冊《磁場 磁感線》，希望通過課例展示，引領教師關注教學理論在課堂實踐中的運用，提升課堂教學質量，培養學生的學科核心素養。

【關鍵詞】高中物理；概念課；批判性思維；教學設計

【中圖分類號】G633.7" 【文獻標志碼】A" 【文章編號】1005-6009（2024）47-0027-04

【作者簡介】黃文雅，江蘇省口岸中學（江蘇泰州，225321）教師，一級教師。

一、教學內容分析

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指出：學生應當知道磁場的物質性，形成初步的物質觀、運動與相互作用觀；能用磁感線模型分析磁場中比較簡單的問題，在問題分析和論證過程中，能使用證據說明自己的觀點，并能以此觀察和解釋與磁場有關的簡單自然現象和實際應用。

本節課的內容選自人教版高中物理必修三第十三章《電磁感應與電磁波初步》的第一節，是承上啟下的一節。本節要在磁現象的基礎上幫助學生建構磁場的物理概念，讓學生在諸多客觀情境中概括出磁場看不見、摸不著的本質特征。本節課旨在讓學生知道磁場的空間分布特征，并將直線電流的安培定則遷移應用到磁場分布的分析中，這就需要學生具備質疑能力和科學論證能力。同時，本節課的學習也要為后續的磁通量、電磁感應和電磁波學習打好基礎。

二、教學目標確定

1.能列舉磁現象在生產生活中的應用，了解我國古代在磁現象方面的研究成果及其對人類文明的影響，關注與磁相關的現代技術發展。

2.通過實驗，認識磁場，學會用磁感線描述磁場，體會物理模型在探索自然規律中的作用。

3.通過實驗，歸納安培定則的內容，會用安培定則判斷電流周圍的磁場方向。

三、學情分析

在初中階段，學生已經初步接觸磁場，會用安培定則感知直線電流周圍的磁場分布。教材在本節之前已經介紹過靜電場知識，學生能從相互作用的角度分析磁場的基本特性，能類比電場線建構磁感線模型模擬磁場。

四、教學設計

1.創設挑戰情境，誘發認知沖突，促進體驗與感知

教師活動：使用自制教具“電磁小車”（磁體安裝在干電池正負極）從螺線管（長1m左右）左端、右端分別放入，讓學生觀察“電磁小車”能否從靜止運動起來并從另一端穿出（如圖1）。

學生可以觀察到：“電磁小車”從螺線管右端放入后，能夠從靜止開始向左運動，但從左端放入后不能向右運動；電池的正極靠近管口，從通電螺線管一側進入時，小車前進；但負極靠近管口時從同一側進入，小車不前進。

教師提問：小車運動背后的奧秘是什么？（展示實驗器材：電池和線圈形成回路+磁體）

【設計意圖】學生通過對比觀察，產生認知沖突，引發思考：力是改變物體運動狀態的原因，小車由靜止開始運動說明電和磁之間有作用力，為接下來了解電和磁的聯系普遍存在以及探究磁場的來源和基本性質作鋪墊。

問題1：電和磁之間普遍存在相互作用嗎？他們通過什么實現相互作用？

（1）觀察現象：通電導線在磁場中受力偏轉（如圖2）。

（2）引導推理：根據牛頓第三定律，學生推斷出想電流對磁體有反作用力；解釋上述實驗磁體沒有運動的原因并設計實驗驗證。

（3）實驗驗證：通電螺線管能夠驅動磁體小車，從而證明電流與磁體之間存在相互作用（如圖3）。

（4）類比遷移：學生觀察體會，得出這些相互作用的共性是不接觸。聯想類比電場力，推理出磁體之間、電流與磁體之間的相互作用是通過磁場發生的。

問題2：磁場的來源、基本特性是什么？

（5）歸納總結：磁場是電流和磁體周圍存在的一種特殊物質，其基本特性是會對放入其中的磁體或通電導線產生力的作用。

（6）即時反饋：分析推理出電流產生的磁場也會對放入其中的另一通電導線產生力的作用，并通過實驗驗證。

【設計意圖】通過實驗，讓學生總結共性，培養學生“場”的相互作用的物理觀念；引導學生積極思考，讓學生對磁場的基本特性有更具象的認識。通過類比電場推理磁場，培養學生的比較推理能力，提升其歸納能力。通過“實驗—觀察—分析—推理”，促進學生科學探究與科學思維能力的提升。

2.把握問題本質，建立物理模型，促進質疑與假設

學生提出質疑：小車的運動方向是否可能與電流的方向有關？教師針對學生的質疑，引導學生觀察電池與螺線管組成的回路，關注小車正負極分別靠近螺線管同一側時電流方向的不同。

（1）研讀教材，重現實驗

教師引導學生閱讀教材第104-105頁，了解歷史上研究電與磁的故事；利用手機“指南針”軟件重現奧斯特實驗（如圖4），引導學生觀察得出：電流反向時，磁場方向不同；小磁針放在電流周圍不同位置時，顯示的磁場方向不同。

（2）簡化模型，深化質疑

教師引導學生簡化模型，將通電螺線管簡化成直線電流，指出小磁針靜止時N極的指向就是磁場方向，引導學生進一步提出質疑。

質疑1：電流產生的磁場在空間如何分布？

質疑2：電流產生的磁場方向與電流方向有什么聯系？

【設計意圖】教師引導學生學習物理學史“從電磁分立到奧斯特實驗”，讓學生體會奧斯特發現電流磁效應的艱辛和意義，對學生進行物理探究務必“求真”的價值觀教育。同時，引導學生學習如何簡化模型：將對“通電螺線管”周圍磁場的研究先簡化為對“直線電流”的研究，指出小磁針靜止時N極的指向就是磁場方向，為安培定則的實驗探究教學作好方法論的鋪墊。

3.基于已有認知，進行自主建構，促進推理與論證

師：磁場和電場一樣看不見、摸不著，我們可以用什么來形象描繪磁場？

【學生活動預設】推理1：可以類比用電場線模型描述電場的方法，來構建磁感線模型描述磁場。

推理2：可以類比用試探電荷的受力試探電場的大小和方向，用工具（鐵屑＋小磁針）來模擬磁感線。

學生回顧電場線特點：切線方向表示該點電場方向，疏密程度表示電場強弱，電場線不存在；條形磁體磁感線特點：兩極磁感線較密集，表示磁場較強，外部磁場方向是從N極到S極。歸納磁感線特點：切線方向表示該點磁場方向，疏密程度表示磁場強弱；磁感線不存在。

【設計意圖】引導學生充分利用電場的知識與方法，對磁場進行推理與論證，培養學生的類比能力，強化“場”研究方法，培養學生設計實驗的能力，為后續利用磁感線研究電流產生的磁場作鋪墊。

論證1：電流產生的磁場在所選平面的分布情況。

【學生活動】方法遷移，設計方案：如圖5，演示實驗“直線電流周圍的磁場分布”，引導學生觀察鐵屑分布，歸納直線電流的磁場在平面的分布特征。

觀察實驗，歸納特點：以導線上各點為圓心的同心圓，圓所在平面與導線垂直；磁場越向外越弱；方向是逆時針。

【設計意圖】通過用鐵屑和小磁針模擬磁感線的實驗，完成化抽象為形象的方法論教育。利用自制裝置，同樣是探究直線電流周圍的磁場分布，但是通過轉變視角（將通電導線由“水平”改為“豎直放置”，便于研究導線橫截面的磁場分布），提升學生的空間想象能力。

論證2：直線電流的磁場空間分布特征

【教師活動】用3D動畫模擬磁感線，引導學生對磁場的空間分布情況展開想象，感受并思考磁場的空間分布對稱性。

【設計意圖】論證環節是批判性思維培養的核心環節：求真。讓學生初步體會磁感線的對稱美，感受磁場的空間分布，為后續環形電流、通電螺線管周圍磁場的空間分布作鋪墊。

4.尋找有效證據，實現深度理解，促進分析與評估

分析：如何用一個統一、簡單的定則判斷直線電流周圍的磁場方向？

【學生活動】

（1）分析交流實驗現象：觀察實驗，發現電流周圍各點處磁場方向不同；電流方向改變時，各點磁場方向也隨之改變。

（2）畫截面圖感受磁場：畫出直線電流磁場分布的截面圖（如主視圖、俯視圖、側視圖）。

（3）閱讀書本歸納總結，體會安培定則（也叫右手螺旋定則）：用右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環繞的方向；學會用安培定則判斷各個視角下電流周圍的磁場分布。

【教師活動】呈現自制教具（如圖6）

評估1：如何用安培定則判斷環形電流周圍的磁場方向？

評估2：如何用安培定則判斷通電螺線管周圍的磁場方向？

【學生活動】

（1）討論猜想，理論推理：將環形電流化曲為直，結合微元思想，利用直線電流安培定則，推理出環形電流安培定則。

（2）分組實驗，驗證猜想。

實驗1：通電螺線管鐵屑實驗（如圖7）。

實驗2：VR模擬實驗（如圖8）。

【設計意圖】先通過微元法“理論推理”環形電流、通電螺線管周圍的磁場分布，又由傳統鐵屑實驗和VR模擬實驗分別進行“實驗驗證”，讓學生經歷以實驗、觀察、分析、推理、驗證為線索的探究未知事物的過程，從而在最終發現實驗現象與理論推理基本一致時，培養學生嚴謹的科學態度，讓學生體驗學習的成就感。通過實驗1和實驗2進行分組實驗，既提升學生的基本實驗操作能力，又提升學生的空間思維能力，有效促進學生對知識背后蘊含的邏輯美、對稱美的深度理解。

5.解決實際問題，培養責任意識，促進創造與綜合

綜合1：揭秘自制電磁小車原理。

【學生活動】利用安培定則解決實際問題

綜合2：磁現象的電本質。

消磁后的“磁體”不能吸引回形針；將它用充磁器充磁后，能夠吸引回形針。

創造1：你認為充磁器的結構是什么？

【學生活動】

（1）觀察分析：通電螺線管的磁感線分布與條形磁體類似。

（2）分析推理：學生對充磁前后吸引回形針的情況形成認知沖突，引起思考。

（3）體會應用：閱讀教材“安培分子電流假說”，對“磁現象的電本質”進行深刻體會，揭秘充磁器內部結構是多匝線圈。

創造2：教師布置作業，讓學生收集資料，了解磁懸浮列車的結構，分析其基本工作原理，了解它是如何實現自動控制功能的。

【設計意圖】學生在解決實際問題的過程中需要對收集到的信息進行篩選，需要學以致用，并經歷構建物理模型、分析評估、綜合創造等過程。這能培養學生思考科學技術與社會發展間的密切關系，促使其樹立正確的科學態度和責任感，是物理教學“向善”的過程。