基于科学探究实验的“磁现象 磁场”教学设计

马 静 马文婧 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

1 引言

2014年4月,我国教育部印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》,提出了核心素养的概念,将核心素养落实到物理教学中就是要培养学生的物理核心素养,物理学科核心素养是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的重要构成．物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面构成．在物理核心素养的4个要素中,科学探究是一个过程,是一种学习方式和科学研究的方式,是一种学习物理观念、发展科学思维、形成科学态度和责任的途径．物理观念、科学思维、科学态度与责任是通过物理学习而形成的核心素养．

培养学生的物理核心素养,就要从知识记忆到知识理解,从基于习题训练到面对实际问题解决,从具体性知识学习到核心观念建构．例如:建构“磁场”中的相互作用观念,课堂以科学探究实验为主线,充分发挥教师的主导作用,学生的主体地位,让学生做,让学生说,让学生得出最终结论,达到学生真正理解记忆物理概念,建构物理观念的目的．发展物理核心素养目的就是学生学会学习,用科学研究的方法解决问题,用科学研究的态度探索世界．

基于以上分析,笔者将以人教版9年级物理“磁现象 磁场”一节教学设计为例,体现科学探究实验在中学物理课堂中的应用．

2 “磁现象 磁场”教学设计

2.1 “磁现象 磁场”教学流程图

教学流程图如图1所示.

图1 教学流程图

2.2 教学过程

2.2.1 创设情境,激发学生的学习兴趣,促进学生形成物理观念

魔术表演:“开心果入杯”,将烧杯倒置,再将开心果置于烧杯顶部,倒数3个数,开心果穿杯而入,如图2所示．

图2 魔术表演图3 魔术揭秘

魔术揭秘:杯子完好无损,开心果到底是怎样穿杯而入的呢?其实,在教师的手里有两个一模一样的开心果,并且这两个开心果里都装有小磁体,同时,在教师的手上还戴有一个磁体戒指,教师先把一个开心果放在烧杯上,然后,再悄悄把另一个开心果放进烧杯里面,用磁体戒指隔着烧杯把开心果吸起来,到顶部后再吸走放在烧杯上面的开心果,最后拿开手,烧杯里面的开心果就掉了下去,如图3所示．

建立概念:像磁铁戒指这样带有磁性的物体叫做磁体,磁性又是指物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质．日常生活中我们能见到各种各样的磁体:条形磁体、U形磁体、针形磁体(小磁针)等等．

提出问题:磁体上各部分磁性都相同吗?

猜想:相同(或不同).

学生活动:利用条形磁体、铁屑、大头针等实验仪器,设计实验．学生可以用条形磁体分别吸引大头针与铁屑,如图4、5所示．

图4 条形磁体吸引大头针图5 条形磁体吸引铁屑

分析推理:通过图4、5以及表1可以发现:条形磁体上各部分磁性不同,条形磁体两边吸引的大头针和铁屑最多,中间吸引的最少,就证明条形磁体两端的磁性最强,中间的磁性最弱．

表1 条形磁体不同部位磁性弱

建立概念:在物理学中,我们把磁性最强的部分叫做磁极,并且磁体上指北方的磁极叫北极,用N表示;磁体上指南方的磁极叫南极,用S表示．

图6 运动的小车

学生活动:如果条形磁体的两个磁极互相靠近,会有什么样的现象呢?小车会如何运动呢?如图6所示．

分析推理:当两条形磁体相同的磁极相互靠近时,小车会被排斥;当两条形磁体不同的磁极相互靠近时,小车会被吸引,这就证明:同名磁极互相排斥,异名磁极互相吸引．

提出问题:两个条形磁体只是靠近,他们并没有接触,为什么小车还会运动呢?

分析推理:小车原本静止在桌面上,由于条形磁体的吸引(或排斥)由静止变为运动,由牛顿第一定律可知“力是改变物体运动状态的原因”,因此可以判断:小车受到了“力”．

建构观念:在物理学中,接触的两个物体之间的相互作用被称为接触力,例如常见的弹力、摩擦力等;像两个条形磁体没有接触就产生的力,叫做非接触力．能够产生非接触力是因为磁体周围确实存在着一种我们看不见也摸不着的特殊物质,这种客观存在的特殊物质叫做磁场,磁场能够对放入它其中的磁体有“力”的作用,磁体间的相互作用就是通过“磁场”来实现的．

设计意图:利用魔术表演激发学生的学习兴趣,通过提问的方式诱发学生思考,先帮助学生建立“磁性”、“磁体”的概念,然后利用简单的探究实验建立“磁极”的概念,最后建构“运动与相互作用”观念,层层递进,让学生从知识记忆到知识理解、从具体性知识学习到核心观念建构,为后面解释自然现象和解决实际问题打下基础．

2.2.2 利用探究实验构建磁感应线模型

磁感应线模型的建立:在日常生活中,风也是看不见也摸不着的物质,但是我们可以通过观察国旗的飘动来直观的判断风的方向和大小,这叫作转换法,如图7所示．在物理学中,我们把一些看不见也摸不着的物理量,用一些非常直观的图形模型去描述,如光路图、风向图．

图7 飘动的五星红旗 图8 地图上的风向

提出问题： 能否建立一种像地图上风向一样的模型来描述磁场的性质?如图8所示．

猜想与假设： 磁场的分布也是有规律的,可以画出类似表示风向线的磁场线．

实验设计：

(A) 实验1-实验4的器材如图9所示;

(B) 学生准备纸、笔;

(C) 将学生分成4人一组,组内确定每个任务的主持人(轮流做组长).

制定方案：

任务1: 根据前面介绍的“转换法”,小组讨论并陈述如何利用转换法来研究磁场．

要求: 学生陈述后,让学生指明这样做的好处．

任务2: 首先按照1、2两个实验图进行分组实验,每组承担1个实验．

要求: ① 设计实验方案; ② 按方案实验并记录实验现象; ③ 对实验现象分析讨论后,归纳实验结论(填入表1); ④ 每组实验分别由两位学生合作进行实验．

说明:实验1、实验2中的“位置X”是指小磁针的摆放位置,小磁针黑色部分代表南极,灰色代表北极．

图9 实验仪器

任务3:先完成实验1、2,根据自己组的实验与组内其他同学的实验汇报,完成表2．

表2 实验现象的记录与解释

解释与结论:由实验1、2可知,小磁针在磁场中会受到非接触力的作用,每个小磁针的指向都不相同,说明小磁针受到的力的方向不同,就证明磁场具有方向性．因此,物理学中规定,小磁针在磁场中某一点静止时,N极的指向就是该点的磁场方向．

任务4:两人一组合作完成实验3、4,根据自己组的实验与组内其他同学的实验汇报,完成表3．

表3 实验现象的记录与解释

解释与结论:由实验3、4可知,条形磁体的磁场呈曲线分布,并且曲线的分布关于条形磁体上下、左右对称,同时可以发现在磁极部分,曲线最密集,在磁性较弱的部分,曲线较稀疏．

任务5:在纸上仿照着铁屑(或小磁针)的分布画出几条曲线,这些曲线代表磁场,并把每条曲线都标上方向,这些曲线的方向就是磁场的方向．

说明:磁场的方向是小磁针静止时N极所指的方向,曲线的疏密代表磁场磁性的强弱．

表达与交流： 由实验3和实验4可知,磁场的方向是从北极出发,最终回到南极,并且在磁极部分,曲线最密集,如图10所示．

图10 条形磁体磁场分布图

验证假设:可以画出一组线来描述磁场．

教师提示:物理学中不叫磁场线,而叫这组线为磁感线．大家发现磁感线只是为了研究磁场方便而假象的物理模型,这种方法我们称之为模型法,我们今天自己建立了这种模型．

建立概念:把小磁针在磁场中的排列情况,用一些带有箭头的曲线画出来,可以方便、形象地描述磁场,这样的曲线叫做磁感线．磁感线具有以下特点: (1) 磁感线是人为假想的(磁场真实存在); (2) 磁感线上某点的切线方向,(小磁针在该点静止后北极的指向),就是该点的磁场方向; (3) 从磁体N极出来,回到S极; (4) 磁感线的疏密表示磁场的强弱．

任务6:请根据任务5所得的结论,画出蹄形磁体(U型磁体)的磁感线,组内讨论“同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引”的磁感线,并试着画出磁感线．小组成员互相交流,分享成果．

图11 蹄形磁体磁感线

表达与交流. 与条形磁体相同,磁感线从磁体N极出来,回到S极,磁感线的疏密表示磁场的强弱．由此可得蹄形磁体磁感线如图11所示,“同名磁极相互排斥”磁感线如图12所示,“异名磁极相互吸引”磁感线如图13所示．

形成结论： 磁场的分布有规律,可以用“磁感线”来描述．

图12 同名磁极磁感线 图13 异名磁极磁感线

任务7:“磁”在生活中的应用广泛,请查阅资料并了解交流“磁悬浮列车的运行原理”．

设计意图:本环节主要利用科学探究实验让学生自主探究,最终通过实验得出与磁场相关的物理知识．实验1和实验2的设计目的如下: (1) 通过实验感受磁场的基本性质——对放入磁场的磁体有力的作用,使得物理概念和规律等在头脑中进一步提炼和升华; (2) 由学生主动得出结论:磁场具有方向性,为下面的探究内容打下基础．通过实验3与实验4的探究过程,让学生用画图、口头表达、书面表达等形式描述实验现象,提高学生的科学探究技能,同时讲解科学方法“转换法”、“模型法”的运用,培养学生从不同角度考虑问题,具有建构理想模型的意识．

3 结语

科学探究在本节课是一个非常重要的过程,利用科学探究实验可以充分调动学生的主动性,以团队合作的形式探索知识,逐步形成物理观念;在合作学习的过程中,运用科学思维方法,定性的进行科学推理、找出规律、形成结论,并能解释现象;同时让学生具有学习和研究物理的好奇心与求知欲,尊重他人,能基于证据发表自己的看法,实事求是,培养学生的创新精神．

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