基于科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的“磁現(xiàn)象 磁場(chǎng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

馬 靜 馬文婧 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

2014年4月,我國(guó)教育部印發(fā)《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》,提出了核心素養(yǎng)的概念,將核心素養(yǎng)落實(shí)到物理教學(xué)中就是要培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng),物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面構(gòu)成．在物理核心素養(yǎng)的4個(gè)要素中,科學(xué)探究是一個(gè)過(guò)程,是一種學(xué)習(xí)方式和科學(xué)研究的方式,是一種學(xué)習(xí)物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的途徑．物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是通過(guò)物理學(xué)習(xí)而形成的核心素養(yǎng)．

培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng),就要從知識(shí)記憶到知識(shí)理解,從基于習(xí)題訓(xùn)練到面對(duì)實(shí)際問(wèn)題解決,從具體性知識(shí)學(xué)習(xí)到核心觀念建構(gòu)．例如:建構(gòu)“磁場(chǎng)”中的相互作用觀念,課堂以科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)為主線,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,學(xué)生的主體地位,讓學(xué)生做,讓學(xué)生說(shuō),讓學(xué)生得出最終結(jié)論,達(dá)到學(xué)生真正理解記憶物理概念,建構(gòu)物理觀念的目的．發(fā)展物理核心素養(yǎng)目的就是學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),用科學(xué)研究的方法解決問(wèn)題,用科學(xué)研究的態(tài)度探索世界．

基于以上分析,筆者將以人教版9年級(jí)物理“磁現(xiàn)象 磁場(chǎng)”一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)為例,體現(xiàn)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理課堂中的應(yīng)用．

2 “磁現(xiàn)象 磁場(chǎng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 “磁現(xiàn)象 磁場(chǎng)”教學(xué)流程圖

教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程圖

2.2 教學(xué)過(guò)程

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念

魔術(shù)表演:“開(kāi)心果入杯”,將燒杯倒置,再將開(kāi)心果置于燒杯頂部,倒數(shù)3個(gè)數(shù),開(kāi)心果穿杯而入,如圖2所示．

圖2 魔術(shù)表演圖3 魔術(shù)揭秘

魔術(shù)揭秘:杯子完好無(wú)損,開(kāi)心果到底是怎樣穿杯而入的呢?其實(shí),在教師的手里有兩個(gè)一模一樣的開(kāi)心果,并且這兩個(gè)開(kāi)心果里都裝有小磁體,同時(shí),在教師的手上還戴有一個(gè)磁體戒指,教師先把一個(gè)開(kāi)心果放在燒杯上,然后,再悄悄把另一個(gè)開(kāi)心果放進(jìn)燒杯里面,用磁體戒指隔著燒杯把開(kāi)心果吸起來(lái),到頂部后再吸走放在燒杯上面的開(kāi)心果,最后拿開(kāi)手,燒杯里面的開(kāi)心果就掉了下去,如圖3所示．

建立概念:像磁鐵戒指這樣帶有磁性的物體叫做磁體,磁性又是指物體能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)．日常生活中我們能見(jiàn)到各種各樣的磁體:條形磁體、U形磁體、針形磁體(小磁針)等等．

提出問(wèn)題:磁體上各部分磁性都相同嗎?

猜想:相同(或不同).

學(xué)生活動(dòng):利用條形磁體、鐵屑、大頭針等實(shí)驗(yàn)儀器,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)．學(xué)生可以用條形磁體分別吸引大頭針與鐵屑,如圖4、5所示．

圖4 條形磁體吸引大頭針圖5 條形磁體吸引鐵屑

分析推理:通過(guò)圖4、5以及表1可以發(fā)現(xiàn):條形磁體上各部分磁性不同,條形磁體兩邊吸引的大頭針和鐵屑最多,中間吸引的最少,就證明條形磁體兩端的磁性最強(qiáng),中間的磁性最弱．

表1 條形磁體不同部位磁性弱

建立概念:在物理學(xué)中,我們把磁性最強(qiáng)的部分叫做磁極,并且磁體上指北方的磁極叫北極,用N表示;磁體上指南方的磁極叫南極,用S表示．

圖6 運(yùn)動(dòng)的小車(chē)

學(xué)生活動(dòng):如果條形磁體的兩個(gè)磁極互相靠近,會(huì)有什么樣的現(xiàn)象呢?小車(chē)會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢?如圖6所示．

分析推理:當(dāng)兩條形磁體相同的磁極相互靠近時(shí),小車(chē)會(huì)被排斥;當(dāng)兩條形磁體不同的磁極相互靠近時(shí),小車(chē)會(huì)被吸引,這就證明:同名磁極互相排斥,異名磁極互相吸引．

提出問(wèn)題:兩個(gè)條形磁體只是靠近,他們并沒(méi)有接觸,為什么小車(chē)還會(huì)運(yùn)動(dòng)呢?

分析推理:小車(chē)原本靜止在桌面上,由于條形磁體的吸引(或排斥)由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng),由牛頓第一定律可知“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”,因此可以判斷:小車(chē)受到了“力”．

建構(gòu)觀念:在物理學(xué)中,接觸的兩個(gè)物體之間的相互作用被稱(chēng)為接觸力,例如常見(jiàn)的彈力、摩擦力等;像兩個(gè)條形磁體沒(méi)有接觸就產(chǎn)生的力,叫做非接觸力．能夠產(chǎn)生非接觸力是因?yàn)榇朋w周?chē)_實(shí)存在著一種我們看不見(jiàn)也摸不著的特殊物質(zhì),這種客觀存在的特殊物質(zhì)叫做磁場(chǎng),磁場(chǎng)能夠?qū)Ψ湃胨渲械拇朋w有“力”的作用,磁體間的相互作用就是通過(guò)“磁場(chǎng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的．

設(shè)計(jì)意圖:利用魔術(shù)表演激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,通過(guò)提問(wèn)的方式誘發(fā)學(xué)生思考,先幫助學(xué)生建立“磁性”、“磁體”的概念,然后利用簡(jiǎn)單的探究實(shí)驗(yàn)建立“磁極”的概念,最后建構(gòu)“運(yùn)動(dòng)與相互作用”觀念,層層遞進(jìn),讓學(xué)生從知識(shí)記憶到知識(shí)理解、從具體性知識(shí)學(xué)習(xí)到核心觀念建構(gòu),為后面解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題打下基礎(chǔ)．

2.2.2 利用探究實(shí)驗(yàn)構(gòu)建磁感應(yīng)線模型

磁感應(yīng)線模型的建立:在日常生活中,風(fēng)也是看不見(jiàn)也摸不著的物質(zhì),但是我們可以通過(guò)觀察國(guó)旗的飄動(dòng)來(lái)直觀的判斷風(fēng)的方向和大小,這叫作轉(zhuǎn)換法,如圖7所示．在物理學(xué)中,我們把一些看不見(jiàn)也摸不著的物理量,用一些非常直觀的圖形模型去描述,如光路圖、風(fēng)向圖．

圖7 飄動(dòng)的五星紅旗 圖8 地圖上的風(fēng)向

提出問(wèn)題： 能否建立一種像地圖上風(fēng)向一樣的模型來(lái)描述磁場(chǎng)的性質(zhì)?如圖8所示．

猜想與假設(shè)： 磁場(chǎng)的分布也是有規(guī)律的,可以畫(huà)出類(lèi)似表示風(fēng)向線的磁場(chǎng)線．

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

(A) 實(shí)驗(yàn)1-實(shí)驗(yàn)4的器材如圖9所示;

(B) 學(xué)生準(zhǔn)備紙、筆;

(C) 將學(xué)生分成4人一組,組內(nèi)確定每個(gè)任務(wù)的主持人(輪流做組長(zhǎng)).

制定方案：

任務(wù)1: 根據(jù)前面介紹的“轉(zhuǎn)換法”,小組討論并陳述如何利用轉(zhuǎn)換法來(lái)研究磁場(chǎng)．

要求: 學(xué)生陳述后,讓學(xué)生指明這樣做的好處．

任務(wù)2: 首先按照1、2兩個(gè)實(shí)驗(yàn)圖進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),每組承擔(dān)1個(gè)實(shí)驗(yàn)．

要求: ① 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案; ② 按方案實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象; ③ 對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析討論后,歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論(填入表1); ④ 每組實(shí)驗(yàn)分別由兩位學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

說(shuō)明:實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2中的“位置X”是指小磁針的擺放位置,小磁針黑色部分代表南極,灰色代表北極．

圖9 實(shí)驗(yàn)儀器

任務(wù)3:先完成實(shí)驗(yàn)1、2,根據(jù)自己組的實(shí)驗(yàn)與組內(nèi)其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)匯報(bào),完成表2．

表2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記錄與解釋

解釋與結(jié)論:由實(shí)驗(yàn)1、2可知,小磁針在磁場(chǎng)中會(huì)受到非接觸力的作用,每個(gè)小磁針的指向都不相同,說(shuō)明小磁針受到的力的方向不同,就證明磁場(chǎng)具有方向性．因此,物理學(xué)中規(guī)定,小磁針在磁場(chǎng)中某一點(diǎn)靜止時(shí),N極的指向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向．

任務(wù)4:兩人一組合作完成實(shí)驗(yàn)3、4,根據(jù)自己組的實(shí)驗(yàn)與組內(nèi)其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)匯報(bào),完成表3．

表3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記錄與解釋

解釋與結(jié)論:由實(shí)驗(yàn)3、4可知,條形磁體的磁場(chǎng)呈曲線分布,并且曲線的分布關(guān)于條形磁體上下、左右對(duì)稱(chēng),同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在磁極部分,曲線最密集,在磁性較弱的部分,曲線較稀疏．

任務(wù)5:在紙上仿照著鐵屑(或小磁針)的分布畫(huà)出幾條曲線,這些曲線代表磁場(chǎng),并把每條曲線都標(biāo)上方向,這些曲線的方向就是磁場(chǎng)的方向．

說(shuō)明:磁場(chǎng)的方向是小磁針靜止時(shí)N極所指的方向,曲線的疏密代表磁場(chǎng)磁性的強(qiáng)弱．

表達(dá)與交流： 由實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4可知,磁場(chǎng)的方向是從北極出發(fā),最終回到南極,并且在磁極部分,曲線最密集,如圖10所示．

圖10 條形磁體磁場(chǎng)分布圖

驗(yàn)證假設(shè):可以畫(huà)出一組線來(lái)描述磁場(chǎng)．

教師提示:物理學(xué)中不叫磁場(chǎng)線,而叫這組線為磁感線．大家發(fā)現(xiàn)磁感線只是為了研究磁場(chǎng)方便而假象的物理模型,這種方法我們稱(chēng)之為模型法,我們今天自己建立了這種模型．

建立概念:把小磁針在磁場(chǎng)中的排列情況,用一些帶有箭頭的曲線畫(huà)出來(lái),可以方便、形象地描述磁場(chǎng),這樣的曲線叫做磁感線．磁感線具有以下特點(diǎn): (1) 磁感線是人為假想的(磁場(chǎng)真實(shí)存在); (2) 磁感線上某點(diǎn)的切線方向,(小磁針在該點(diǎn)靜止后北極的指向),就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向; (3) 從磁體N極出來(lái),回到S極; (4) 磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．

任務(wù)6:請(qǐng)根據(jù)任務(wù)5所得的結(jié)論,畫(huà)出蹄形磁體(U型磁體)的磁感線,組內(nèi)討論“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”的磁感線,并試著畫(huà)出磁感線．小組成員互相交流,分享成果．

圖11 蹄形磁體磁感線

表達(dá)與交流. 與條形磁體相同,磁感線從磁體N極出來(lái),回到S極,磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．由此可得蹄形磁體磁感線如圖11所示,“同名磁極相互排斥”磁感線如圖12所示,“異名磁極相互吸引”磁感線如圖13所示．

形成結(jié)論： 磁場(chǎng)的分布有規(guī)律,可以用“磁感線”來(lái)描述．

圖12 同名磁極磁感線 圖13 異名磁極磁感線

任務(wù)7:“磁”在生活中的應(yīng)用廣泛,請(qǐng)查閱資料并了解交流“磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行原理”．

設(shè)計(jì)意圖:本環(huán)節(jié)主要利用科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自主探究,最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出與磁場(chǎng)相關(guān)的物理知識(shí)．實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的設(shè)計(jì)目的如下: (1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)感受磁場(chǎng)的基本性質(zhì)——對(duì)放入磁場(chǎng)的磁體有力的作用,使得物理概念和規(guī)律等在頭腦中進(jìn)一步提煉和升華; (2) 由學(xué)生主動(dòng)得出結(jié)論:磁場(chǎng)具有方向性,為下面的探究?jī)?nèi)容打下基礎(chǔ)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)4的探究過(guò)程,讓學(xué)生用畫(huà)圖、口頭表達(dá)、書(shū)面表達(dá)等形式描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,提高學(xué)生的科學(xué)探究技能,同時(shí)講解科學(xué)方法“轉(zhuǎn)換法”、“模型法”的運(yùn)用,培養(yǎng)學(xué)生從不同角度考慮問(wèn)題,具有建構(gòu)理想模型的意識(shí)．

3 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)探究在本節(jié)課是一個(gè)非常重要的過(guò)程,利用科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性,以團(tuán)隊(duì)合作的形式探索知識(shí),逐步形成物理觀念;在合作學(xué)習(xí)的過(guò)程中,運(yùn)用科學(xué)思維方法,定性的進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論,并能解釋現(xiàn)象;同時(shí)讓學(xué)生具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲,尊重他人,能基于證據(jù)發(fā)表自己的看法,實(shí)事求是,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神．

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