基于学生体验的物理实验教学设计——以“通电螺线管周围的磁场”教学为例

(江苏省南京市人民中学，江苏 南京 210005)

苏科版九年级物理第十六章“电磁转换”不仅介绍了磁现象，还介绍了电与磁之间的联系及其应用，其中实验“通电螺线管周围的磁场”在本章中起着承前启后的作用，既是磁现象的延伸与拓展，也是电磁继电器、电动机、磁生电的基础，在初中物理教学中占有重要的地位。

1 实验设计与器材

引导学生自主设计“探究通电螺线管周围磁场”的实验方案,探究螺线管的多种绕法,可使实验探究结论更具普遍性。通过将通电螺线管放入布满小磁针的透明玻璃板中,观察通电螺线管周围的磁场,使所得的探究结论更具有说服力。

实验器材包括：电池、开关、导线、小磁针、漆包线、铁钉、A4纸等(图1)。

图1

2 实验改进

2.1 实验引入

教材引入螺线管时是直接介绍：将一根导线缠绕在圆筒上，就叫螺线管。学生对螺线管缺乏感性认识，直接进行实验显得有点匆忙。

笔者对实验进行了改进，先请学生观察实验室中使用的螺线管(图2)，再观察老师制作好的螺线管(图3)，讨论以下问题：导线在圆筒上怎么缠绕比较好？缠绕的方式有几种？再进行学生交流。这不仅为后面探究“通电螺线管周围存在磁场”做铺垫，也为后面让学生标出电源正负极、电流方向、通电螺线管的N和S极、研究安培定则做铺垫。

图2

图3

2.2 探究通电螺线管周围磁场的分布情况

教材要求学生边实验、边记录通电螺线管周围各点的磁场方向，画出通电螺线管外部磁感线的分布图，进而得出结论：通电螺线管外部的磁场分布与条形磁体周围的磁场分布相似。

笔者对实验方案进行了改进，先让学生回忆条形磁铁周围磁感线的特点，然后让学生自己制定探究通电螺线管周围磁场的计划及实验步骤，再用实物展台予以展示(图4)。让学生对实验的操作有一个直观印象，从而使学生体会研究电磁问题的方法，提升学生模型建构和类比思维能力

图4

2.3 学生进行实验，总结实验结论

教材是用现成的通电螺线管进行实验探究，画出通电螺线管外少量磁感线的形状，进而得出结论：通电螺线管外部的磁场分布与条形磁体周围的磁场相似，磁场方向与电流方向相关。学生利用老师提供的器材进行实验，螺线管线圈的绕法较为单一，在几个不同位置放置小磁针，观察通电螺线管周围的磁场分布，实验和结论均不具有普遍性。

笔者对此进行了改进，由学生自己制作如图5所示的螺线管，将它们接入电路进行实验。这一环节培养了学生的实验动手能力，学生自选一种绕法进行实验，可以让实验的结论更具普遍性，提高了学生自主探究的兴趣，并展示学生画出的磁感线分布图(图6)，初步认识到：通电螺线管周围的磁场分布与条形磁铁周围磁场的分布相类似。

图5

图6

进而笔者向学生提出问题：图片上还有很多空白的部分，这些位置的磁场方向是怎样的？学生提出：可放入更多的小磁针，教师做演示实验(图7)，将通电螺线管放入布满小磁针的透明板中，可看出通电螺线管周围磁场的大致分布，从而得出结论：通电螺线管周围的磁场分布与条形磁铁周围的磁场分布相似。

图7

笔者再提问：通电螺线管的磁场方向是否与电流方向有关？实验如何操作？在什么位置放小磁针，观察小磁针偏转的变化？学生还改变流过螺线管的电流方向(图8)，得到的通电螺线管的磁场方向与电流方向的结论也更具有普遍性。

图8

3 实验效果评价

(1) 科学探究过程一般包括以下环节：提出问题、猜想与假设、设计实验与制定计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作。通过回忆条形磁铁的磁场分布情况,学生猜想通电螺线管周围磁场的分布情况，类比“探究条形磁铁的磁场分布”实验，制定研究通电螺线管周围磁场分布情况的实验步骤，进行实验，在白纸上记录实验结果，小组成员通过交流讨论得出实验结论，提升了学生的科学探究能力。

(2) 学生通过自己制作螺线管,自主完成以下探究实验：通电螺线管周围存在磁场、磁场的方向与电流的方向有关,在实验中学生动脑动手,团结协作，共同解决实验中的问题,提升了学生的实验能力。

(3) 教师引导学生回忆条形磁铁的磁场分布，建立相应的物理模型，培养了学生的建模能力。通过研究通电螺线管周围的磁场分布以及最后得到的螺线管周围磁感线的分布图，与条形磁铁作类比，培养了学生的科学思维能力。

(4) 在整个实验过程中，需要小组成员之间相互配合、合作完成，每个小组成员各有分工，一起探讨和解决实验中遇到的问题，使实验得以顺利进行，从而得出实验结论，提升了学生的合作能力。