在实验中促进认知 在合作中生长思维——以“电流的磁场”教学为例

赵妍妮 许 志

(1. 南京外国语学校仙林分校，江苏 南京 210023；2. 江苏省南京市教学研究室，江苏 南京 210001)

1 教学设计总体定位

磁场作为一种较为抽象的物质形态，初中生一般很难理解其内涵，只能通过丰富多彩的磁现象来感知它的存在。而电流的磁场要求则更高，需要学生在磁场的基础上探寻磁场的产生，分析电流产生的磁场的特点，并与之前的经验进行对比分析，进而领悟电与磁之间的联系。因此就该课题本身而言，所涉及的内容非常多，需要精心设计教学，选取合适的素材和方法，进行环环相扣的课堂教学。

探究通电直导线周围的磁场和通电螺线管周围的磁场是本节课的教学重点。根据教学目标和教学内容，本节课需要借助实验手段辅助教学，学生通过小组合作进行实验探究，从而发现规律，完成学习目标。如图1所示，在每一次实验探究中，学生不仅需要通过观察现象得出结论，还要能够根据问题发散思维、设计实验，再从实验中寻找新的思维生长点，层层递进，不断促进思维的生长。通过这样的方式达成教学目标，完成教学内容，使整个教学流程一气呵成，显得自然流畅。

图1

2 教学目标的逐步达成

2.1 确定思维生长原点

学生在已有的电学知识和简单磁现象知识的基础上，通过课前物理学史的微课学习和实验引入，初步感受到电流与磁铁都能吸引铁质物体，因此猜测电流具有磁性，进而猜想电流周围存在磁场，同时会提出两种磁场有什么区别等有意义的物理问题。

2.2 物理概念的形成——思维的第一次生长

师：要探究电流周围是否存在磁场，需要哪些实验器材？

生：电池、导线、开关、小磁针。

师：如何进行实验操作？可能会出现什么现象？与实验现象对应的结论是什么？

生：在导线中通入电流，如果小磁针偏转，说明导线周围有磁场，反之没有磁场。

师：请大家以小组为单位动手实验，观察通电直导线周围是否存在磁场。

各小组进行自主实验探究(图2)，在实验操作中发现了许多意想不到的问题(表1)。学生虽然认为通电直导线周围存在磁场，但有的小组在实验中没有观察到小磁针发生偏转，从而产生了认知冲突。

图2

表1

师：(先选择实验成功的小组A，并现场投影实验过程)请描述你们小组的实验现象和得到的实验结论。

生：我们观察到直导线下方的小磁针发生了偏转，说明通电直导线周围存在磁场。

师：大家同意他的观点吗？

生：同意。

师：每个小组都观察到了相同的现象吗？

生：我们小组的小磁针并没有发生偏转。

现场投影实验失败的小组B、C导线和小磁针的摆放情况。

师：请大家对比以上两组实验，结合自己小组的实验过程，思考如何让小磁针在通电直导线的磁场中偏转得更加明显？

生1：应该先将小磁针放在直导线下方，等小磁针静止后，再闭合开关。

生2：我们发现刚开始不应该让小磁针和导线垂直放置，要先转动直导线让两者平行，现象更明显。

师：大家按照以上同学的建议，再次进行实验，验证小磁针是否偏转得更加明显。

活动分析：物理概念的形成要关注学生的前概念和探究过程中的认知冲突。学生通过小组评价和讨论，自主总结奥斯特实验的操作要点：将直导线架在静止小磁针的上方，并使直导线与小磁针平行。大家再次实验，之前失败的小组观察到小磁针的偏转后，学生会感到格外惊喜。学生自主突破认知障碍，从而建立新概念，远比教师直接讲解或观察演示实验来得更加有效，印象也更深刻。

2.3 科学思维的养成——思维的第二次生长

师：在刚才的实验中，你注意到小磁针偏转的方向吗？有什么办法能改变小磁针偏转的方向？

生：改变电流的方向。

师：请讨论、设计简洁有效的实验方案并动手实验，根据观察到的现象能得到什么结论？

生：我们组直接把电源两端的导线对调位置，发现小磁针N极反方向偏转。说明通电导线周围的磁场方向与电流方向有关。

活动分析：科学思维的养成要让学生不断面临新问题和研究的困惑，继而思考解决的方案并动手实验，加以验证。如果教师直接进行演示实验，表面上看教学很顺利，但学生的认知和思维都会错失一次“天赐良机”。每当推进下一项探究活动时，教师应与学生一起明确“我们要研究的问题”，这是突破困境时的有效思维方法。学生在潜移默化中，才能养成这样思考问题的习惯。

2.4 知识应用的教学——思维的第三次生长

师：大家除了观察到小磁针的偏转，是否还观察到其他的现象？

生：刚开始我们将小磁针放在靠近导线两端的位置，小磁针虽然偏转不明显，但却有一端向上翘起来。

师：这个现象非常珍贵，大家想想这可能是什么原因？

生：小磁针可能受到向上的磁力。

师：大家能否根据该现象，猜想通电直导线周围的磁场有怎样的特点？

生：通电直导线的磁场应该是立体的，在导线的周围都有磁场。

师：小磁针不好悬空放置，如何用简单的方法观察到通电直导线周围磁场的空间分布？

生：把通电直导线竖直插在一个平面上，多放几个小磁针。

教师在讨论后演示实验(图3)。

图3

师：除了放小磁针，还有其他能显示磁场分布特点的办法吗？

生：在平面上撒铁屑。

活动分析：知识应用的教学要给学生留有思索的空间，不断激励学生思考能否用所学的知识解决新问题。教师在学生自主实验的汇报中，应善于抓住与后续学习相关联的现象或冲突，激发学生进一步思考产生该现象的原因或解决新问题的办法。从而不断打破学生原有认知结构，从点到面再到空间逐步引导学生思维的进阶。

2.5 核心素养的渗透——思维的第四次生长

师：请大家继续思考，如何增强通电直导线周围的磁场强度？

生：导线长一点、粗一点，电路中电流大一点……

师：在有限空间内，如何改变直导线的形状，使电流产生的磁场更强？

生：就像滑动变阻器一样，将直导线绕在圆筒上，接入电路。

师：利用所提供的器材，将导线绕在圆筒上制成螺线管，分组实验，探究通电螺线管外部的磁场方向(图4)。

图4

A和B两个实验小组采用不同的绕线方式，利用8个小磁针设计实验，然后自主观察通电螺线管外部的磁场方向。

师：请简单描述通电螺线管外部磁感线的形状。

生：和条形磁铁的磁感线很像。

师：请大家思考，能否使用其他的方式，多角度验证通电螺线管外部的磁场分布和条形磁铁相似？

生：在通电螺线管周围撒铁屑。

除此之外，还可以使用DIS传感器现场展示通电螺线管的磁场强弱，从中轴线上距螺线管较远的点向螺线管靠近的过程中磁场逐渐增强，说明与条形磁铁在磁场强度的变化上相似，再利用中空的立体磁感线演示仪展示通电螺线管和条形磁铁的磁场在空间分布相似。

师：请各小组在黑板上标出本组实验中通电螺线管的N、S极和电流方向。然后仔细观察黑板上的4幅图，你能总结出判断通电螺线管极性的方法吗？

生：如图5所示，从正面看过去，水平放置的通电螺线管如果电流向上，N极就在左边；电流向下，N极就在右边。所以口诀“上左下右”方便记忆。

图5

师：你与物理学家安培一样，都发现了物理学中的对称美和简洁美!

活动分析：要通过课堂教学逐步引导学生形成正确的价值观，用辩证的眼光看待科学的世界，用发展的眼光看待科学的进程，用审美的眼光看待科学的成果。实验教学中应引导学生多角度探究问题，得到结论慎用“一步到位”，要从不同的维度对实验现象进行对比和分析，最终得到解决该类问题的多种方法或总结得出一般规律。

3 总结反思

由上述分析可知，在初中物理实验教学过程中，教师需要明确学生的思维生长原点，教师的任务是要通过课堂教学让不同层次的学生在原有能力基础上有所“进阶”，因此需要提出精心设置的问题串，引导学生在原点的基础上进行认知的生成和思维的生长，在实验过程中自主转变错误认知，不断更新认知框架，从而促进学习的发生，提升学生的物理学科核心素养。