优化《磁铁的两极》实验设计

小学科学的学习以学生亲身经历的探究活动为核心，以科学实验作为科学探究的重要载体。学生通过亲身经历科学实验，了解科学探究的具体方法和技能，理解基本的科学知识、发现和提出生活实际中的简单科学问题，并能尝试用科学方法和科学知识予以解决，在科学实验中提高科学素养，培养科学态度。因此，小学生进行的实验设计必须严谨、科学，按其进行实验能得到明显的实验现象，通过明显的实验现象能推出准确的实验结论。然而教材给出的部分实验设计出现与事实相违背的结论。比如教科版（2018年版）的二年级下册第一单元第二课《磁铁的两极》实验设计存在此种问题。本课实验设计目的是让学生认识到条形磁铁的磁力分布是两端大，中间磁力小。但是按照其进行实验，磁铁南北极的中间部位，磁力特别的微弱，不能被检测出来，因此很容易得出结论：条形磁铁两端磁力最大，条形磁铁的中间部位没有磁性。很显然“磁铁中间部位没有磁性”这一结论与客观事实相违背。由此可见，教材的部分实验设计需要进行优化改进。《磁铁的两极》实验设计的改进过程在文中将被详细的论述，以说明优化小学科学实验设计的一般思路。

一、研究教科版教材实验设计

《磁铁的两极》实验教学目标是：磁铁上的磁力大小是不相同的，磁力最强的部分称为磁极；条形磁铁的磁力分布是两端磁力大，中间磁力小。为了达到实验教学目标，教科版教材设计了三个实验活动，具体介绍如下：

（一）感受磁性

先将条形磁铁放置桌面上，用手拿着回形针在条形磁铁的各个部位移动，感受条形磁铁各个部位的磁力大小。通过这个活动，学生能清楚地感受都“條形磁铁两端磁力大”。但对于中间部位磁力是否有磁力却又不同意见：有学生认为，回形针放在磁铁的中间部位，握住回形针的手没有感受到磁铁的磁力。有的学生认为，条形磁铁中间部位是有磁力的，只是磁力太小，所以感受不到磁铁磁力的存在。条形磁铁中间部位是否有磁力存在争议，因此教材又设计了第二个实验活动。

（二）等距离靠近法

平放一根条形磁铁，在离条形磁铁同等距离的地方平放五个回形针，轻轻推动条形磁铁向回形针平行移动（条形磁铁移动过程中，条形磁铁要保持和回形针平行），磁力最强的部分能最快吸引回形针。实验设计期待出现实验现象：磁铁在前进的过程中，磁铁两端的回形针最快被吸引住，越往磁铁中间，回形针被吸引住越往后。然而按照教材的实验设计，实验会出现两个问题现象。问题现象一：条形磁铁两端不是同时吸引住回形针，而往往是一端还没有吸住回形针，另外一端在距离更远的时候就已经吸引住回形针。问题现象二：条形磁铁的一端靠近中间位置，比另一端末端位置更快吸引住回形针。

问题现象一容易给学生造成错误观念：磁铁两端的磁力大小不同。问题现象二容易得出“中间部位比另一端末端磁性强”与教学实验目标相违背的实验结论。出现这样的错误是因为在平移条形磁铁中，条形磁铁不能绝对地保持与5个回形针平行，只要磁铁出现一点倾斜，就会出现“一端末端先吸住回形针” “靠近中间部位比另一端末端更快吸住回形针”的结果。

（三）铁粉-分布法

将条形磁铁放在装有铁粉的密封盒上部，“轻轻”晃动铁粉。实验设计期待的实验现象是：轻轻晃动铁粉盒，能清晰看到铁粉大部分被吸引在两端，越往磁铁中间部位，铁粉的数量逐渐递减，而且磁铁中间部位是能吸引住铁粉。实验设计意图让学生发现条形磁铁两端磁力最大，然后向中间逐渐减小，最中间磁力最小，同时让学生建立起磁场的概念。然而按照教材方法使用小牛顿提供的铁粉反复进行操作：铁粉只被磁铁的两端吸引住，磁铁中间部位根本没有吸引住铁粉！根据实验现象学生很容易得出，条形磁铁中间部位没有磁力这一错误结论。

二、研究其他版本教材实验设计

教材实验设计的研究应当全面、广泛，不仅要将深圳地区使用的教科版教材纳入研究，也应当将国内使用较为广泛的教材都纳入研究。除教科版外，目前国内较为流行的小学科学教材版本包括：广东教育出版社（粤教版）、江苏教育出版社（江苏版）、湖南科学技术出版社（湘教版）、大象出版社（大象版）、湖北教育出版社（鄂教版）、青岛出版社（青岛版）、首都师范出版社（首师版）。各个版本的新旧教材关于“磁铁的磁极”的实验设计被逐个研究发现，寻找磁铁磁极的方法可归为三类：吸引法、分布法、悬挂法。（一）吸引法：直接用磁铁的不同部位去吸引回形针、钢针、铁钉等这类铁制物品，根据磁铁不同部位吸引铁制物品的数量来判断磁力的大小。该实验设计的操作方法是将磁铁接近小铁制品，小铁制品会被磁铁吸引。该实验方法，能观察到磁铁的两个磁极能吸引住很多小铁制品，但是其他部位根本不能吸引住小铁制品。（二）分布法：用磁铁直接靠近一堆回形针、钢针等类似的小物体或者直接靠近铁粉等，观察小物体在磁铁周围重新分布体。该实验能清楚看到，小物体会向磁极聚拢，磁极部位吸引的小物体数量最多，磁铁的其他部位几乎不吸引小物体。用铁粉作为小物体，能观察到磁铁的每个部位都吸引住了铁粉。悬挂法：在磁铁的不同位置悬挂回形针，观察不同部位悬挂回形针的个数，从而找出条形磁铁磁力最大的地方。该实验设计能清楚观察到：磁极部位能紧紧地悬挂着数量较多的回形针，但是磁铁的其他部位一个回形针都不能被悬挂住。由此，教材给出的所有实验设计，实验现象都能很轻松地找到磁铁的磁极。但是磁铁南北极的中间部位，磁力特别的微弱，除“铁粉-分布法”能观察到磁铁的每个部位都吸引住了铁粉外，其他所有实验设计都不能将条形磁铁中间部位磁力检测出来。由此可见，目前我国教材《磁铁的两极》的实验设计能很容易找出磁极，但是也容易得出“条形磁铁中间部位没有磁力”这一错误实验结论。

三、优化实验设计

综合所有版本教材关于《磁铁的磁极》实验设计研究，在反复实验的基础上，探究条形磁铁各个部位的磁力实验设计应当分为两步走：第一步：寻找磁极，找出磁铁中磁力最强的部位，即找出磁铁的磁极；第二步：探究磁铁中间部位是否也有磁力。两步走的新实验设计，不仅能找到磁极，也能在层层递进的实验过程中探究磁铁不同部位的磁力大小。

（一）寻找磁极

在前期大量实验的基础上，实验操作难度最低和实验效果最明显的实验设计应该是“回形针-分布法”。因此将“回形针-分布法”作为第一步“寻找磁极”的实验设计方案最为合适。寻找磁极的优化实验设计详细介绍如下：

1.实验原理。条形磁铁的两端吸引的回形针数量多，因此两端磁力最强是磁铁的磁极。

2.实验材料。磁铁条形（规格：重量189.65g，长175mm，宽18mm，高8mm）；一个塑料容器（长216mm，宽172mm，高24mm）；回形针：约300支。

3.实验步骤。（1）把条形磁铁放在装了约300支回形针的塑料容器中。（2）条形磁铁每部分充分接触回形针。（3）将条形磁铁轻轻拿起。

此实验设计，能清楚地观察到：条形磁铁的两端吸引回形针的个数多，中间几乎不吸引回形针；从而可以得出实验结论：磁铁磁力最强部位称为磁极，条形磁铁的磁极在两端。并且，实验设计的实验材料容易获得，实验操作简单易行。因此，“回形针-分步法”是探究条形磁铁磁力最强部位、寻找条形磁铁磁极的最佳实验设计。

（二）探究条形磁铁中间是否有磁力

“铁粉-分布法”实验设计出现在“教科版二年级下册（2019年版）”和“青岛版二年级下册（2019年版）”。教科版的“铁粉-分布法”实验设计，将铁粉装在了密封的盒子里，把条形磁铁放在盒子的外面，轻轻晃动铁粉盒，观察盒子中铁粉被条形磁铁吸引的现象。教科版的实验设计，条形磁铁和铁粉隔着一层盒子，有一定的距离，条形磁铁中间部位很容易吸引不起铁粉，出现“只有磁铁两端能吸引铁粉，中间不能吸引铁粉”的现象。青岛版中的“铁粉-分布法”的实验设计，将条形磁铁直接放入铁粉中（铁粉用一个没有密封的开放式容器装着），再将条形磁铁拿起，能很清楚地看到铁粉在条形磁铁中的分布：整个条形磁铁都吸引住铁粉，其中条形磁铁两端吸引的铁粉最多，中间部位也能吸引少量铁粉。青岛版中的“铁粉-分布法”的实验设计，其实验现象能很容易推出：条形磁铁两端磁力最强是磁铁的磁极，磁铁的中间部位也存在磁力。但是该实验设计也会出现两个问题，一是颗粒状的铁粉会弄得到处都是，污染环境；二是铁粉颗粒像尘埃，容易被学生吸入，造成对身体的伤害。综合“教科版”和“青岛版”的实验设计，以及多次实验的经验效果，“探究条形磁铁中间是否有磁力”实验设计可以采用“油铁粉法”。优化改进后的“油铁粉法”实验设计具备以下的优点：实验材料容易获得，实验操作简单易行、实验现象明显、实验安全无污染。“油铁粉法”的实验设计介绍如下：

1.实验原理。将适量的铁粉、磁铁、油放入一个密封的盒子中。将盒子中的油和铁粉进行充分震荡使得铁粉在油中均匀分布，然后静置桌面上；铁粉在磁铁的作用下会重新分布，磁力强的部位吸引得铁粉多，磁力弱的部位吸引得铁粉少，并且磁铁的周围会形成铁粉磁感线。

2.实验材料。磁铁（规格：重量28.48g，长48mm，宽13mm，高8mm）；杯子带盖（体积100cm3）；铁粉1.5g～3g（粗铁粉）；油60-75毫升。

3.实验步骤。（1）往杯子倒入60-75毫升的油；（2）再向油里倒入1.5g～3g铁粉；（3）再放入条形磁铁；（4）将杯子盖上盖子后充分震荡，使得铁粉能均匀分散在油中；（5）将杯子放在水平面上静置一段时间，直至铁粉不再移动变化。（6）观察杯子中铁粉在油中分布。

4.实验结果。一部分铁粉被条形磁铁吸引住，条形磁铁的两端吸引的铁粉多，中间部位吸引的铁粉少；同时，铁粉在条形磁铁周围降落，在条形磁铁周围形成磁感线。根据实验现象可以得出实验结论：条形磁铁两端磁力最大，最中间磁力最小。

5.实验注意事项。经过优化的实验设计，要得到明显的目标实验现象，需要注意以下几个方面：一是磁铁整体的磁力大小要与铁粉的数量相匹配，最好选择磁力适中，但体积小的磁铁，如此才能节约油、铁粉材料。二是经过多次实验，发现选择磁铁（规格：重量28.48g，长48mm，宽13mm，高8mm），底面直径大于7cm、体积为100mc3的带盖塑料容器，很适合。三是铁粉要适量，不能太多。太多铁粉，被震荡后的杯子一片黑压压，看不清楚铁粉在油中移动的过程。同时铁粉太少，则铁粉在条形磁铁周围形成的磁感线不明显。使用铁粉的多少，由磁铁大小和盒子大小而决定。如果铁粉使用量与磁铁、油、杯子大小不相匹配，实验效果则大打折扣，出现的实验结果也达不到预期实验目标。因此，在教学之前，教师应该做好预实验，摸清实验条件，根据选择的实验材料规格确定铁粉的数量。

四、总结反思

科学课程标准指出：义务教育科学课程具有实践性，倡导以科学探究为主要学习方式。要使得科学探究高效，科学实验设计就必须严谨、准确、科学。科学老师要清楚地认识到，实验的目的是验证科学事实。若实验设计不严谨，得出来的却是与科学事实背道而驰的结果，会严重影响教学效果，也达不到实验教学的目的。为此科学老师必须多思考勤动手，做好教材所给实验的课前预实验；同时也要探索改进实验的新方法。总而言之，改进实验设计的一般思路有：（一）研究所用教材的实验设计。研究教材的实验方法，按照教材所给的实验方法进行反复操作，检验教材的实验设计是否能得到正确的实验结果，是否能达到实验教学目标。（二）研究其他版本的实验设计。将国内流行的各个版本的新旧教材与目标实验相关的实验设计逐个研究，对比不同实驗设计的实验效果，为下一步实验改进积累经验，打下基础。（三）优化实验设计。综合所有版本教材关于目标实验设计研究，制定新的实验设计方案，反复对设计方案进行实验，探索最佳的实验条件和方法，并且将实验条件和步骤进行细化，不仅要详细列出实验步骤，还要将实验材料的规格、使用的量进行明确说明。

（项目基金：深圳市教育科学规划2018年度课题，立项编号：ybzz18119。）

（林淑娴，小学科学教师，全日制硕士学位，研究方向：小学科学实验设计。）