基于學(xué)生體驗(yàn)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)——以“通電螺線管周圍的磁場(chǎng)”教學(xué)為例

(江蘇省南京市人民中學(xué)，江蘇 南京 210005)

蘇科版九年級(jí)物理第十六章“電磁轉(zhuǎn)換”不僅介紹了磁現(xiàn)象，還介紹了電與磁之間的聯(lián)系及其應(yīng)用，其中實(shí)驗(yàn)“通電螺線管周圍的磁場(chǎng)”在本章中起著承前啟后的作用，既是磁現(xiàn)象的延伸與拓展，也是電磁繼電器、電動(dòng)機(jī)、磁生電的基礎(chǔ)，在初中物理教學(xué)中占有重要的地位。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與器材

引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)“探究通電螺線管周圍磁場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)方案,探究螺線管的多種繞法,可使實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論更具普遍性。通過(guò)將通電螺線管放入布滿小磁針的透明玻璃板中,觀察通電螺線管周圍的磁場(chǎng),使所得的探究結(jié)論更具有說(shuō)服力。

實(shí)驗(yàn)器材包括：電池、開關(guān)、導(dǎo)線、小磁針、漆包線、鐵釘、A4紙等(圖1)。

圖1

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)引入

教材引入螺線管時(shí)是直接介紹：將一根導(dǎo)線纏繞在圓筒上，就叫螺線管。學(xué)生對(duì)螺線管缺乏感性認(rèn)識(shí)，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)顯得有點(diǎn)匆忙。

筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，先請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)室中使用的螺線管(圖2)，再觀察老師制作好的螺線管(圖3)，討論以下問(wèn)題：導(dǎo)線在圓筒上怎么纏繞比較好？纏繞的方式有幾種？再進(jìn)行學(xué)生交流。這不僅為后面探究“通電螺線管周圍存在磁場(chǎng)”做鋪墊，也為后面讓學(xué)生標(biāo)出電源正負(fù)極、電流方向、通電螺線管的N和S極、研究安培定則做鋪墊。

圖2

圖3

2.2 探究通電螺線管周圍磁場(chǎng)的分布情況

教材要求學(xué)生邊實(shí)驗(yàn)、邊記錄通電螺線管周圍各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，畫出通電螺線管外部磁感線的分布圖，進(jìn)而得出結(jié)論：通電螺線管外部的磁場(chǎng)分布與條形磁體周圍的磁場(chǎng)分布相似。

筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，先讓學(xué)生回憶條形磁鐵周圍磁感線的特點(diǎn)，然后讓學(xué)生自己制定探究通電螺線管周圍磁場(chǎng)的計(jì)劃及實(shí)驗(yàn)步驟，再用實(shí)物展臺(tái)予以展示(圖4)。讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作有一個(gè)直觀印象，從而使學(xué)生體會(huì)研究電磁問(wèn)題的方法，提升學(xué)生模型建構(gòu)和類比思維能力

圖4

2.3 學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

教材是用現(xiàn)成的通電螺線管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，畫出通電螺線管外少量磁感線的形狀，進(jìn)而得出結(jié)論：通電螺線管外部的磁場(chǎng)分布與條形磁體周圍的磁場(chǎng)相似，磁場(chǎng)方向與電流方向相關(guān)。學(xué)生利用老師提供的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，螺線管線圈的繞法較為單一，在幾個(gè)不同位置放置小磁針，觀察通電螺線管周圍的磁場(chǎng)分布，實(shí)驗(yàn)和結(jié)論均不具有普遍性。

筆者對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，由學(xué)生自己制作如圖5所示的螺線管，將它們接入電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，學(xué)生自選一種繞法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)論更具普遍性，提高了學(xué)生自主探究的興趣，并展示學(xué)生畫出的磁感線分布圖(圖6)，初步認(rèn)識(shí)到：通電螺線管周圍的磁場(chǎng)分布與條形磁鐵周圍磁場(chǎng)的分布相類似。

圖5

圖6

進(jìn)而筆者向?qū)W生提出問(wèn)題：圖片上還有很多空白的部分，這些位置的磁場(chǎng)方向是怎樣的？學(xué)生提出：可放入更多的小磁針，教師做演示實(shí)驗(yàn)(圖7)，將通電螺線管放入布滿小磁針的透明板中，可看出通電螺線管周圍磁場(chǎng)的大致分布，從而得出結(jié)論：通電螺線管周圍的磁場(chǎng)分布與條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)分布相似。

圖7

筆者再提問(wèn)：通電螺線管的磁場(chǎng)方向是否與電流方向有關(guān)？實(shí)驗(yàn)如何操作？在什么位置放小磁針，觀察小磁針偏轉(zhuǎn)的變化？學(xué)生還改變流過(guò)螺線管的電流方向(圖8)，得到的通電螺線管的磁場(chǎng)方向與電流方向的結(jié)論也更具有普遍性。

圖8

3 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

(1) 科學(xué)探究過(guò)程一般包括以下環(huán)節(jié)：提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作。通過(guò)回憶條形磁鐵的磁場(chǎng)分布情況,學(xué)生猜想通電螺線管周圍磁場(chǎng)的分布情況，類比“探究條形磁鐵的磁場(chǎng)分布”實(shí)驗(yàn)，制定研究通電螺線管周圍磁場(chǎng)分布情況的實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在白紙上記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，小組成員通過(guò)交流討論得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

(2) 學(xué)生通過(guò)自己制作螺線管,自主完成以下探究實(shí)驗(yàn)：通電螺線管周圍存在磁場(chǎng)、磁場(chǎng)的方向與電流的方向有關(guān),在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手,團(tuán)結(jié)協(xié)作，共同解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

(3) 教師引導(dǎo)學(xué)生回憶條形磁鐵的磁場(chǎng)分布，建立相應(yīng)的物理模型，培養(yǎng)了學(xué)生的建模能力。通過(guò)研究通電螺線管周圍的磁場(chǎng)分布以及最后得到的螺線管周圍磁感線的分布圖，與條形磁鐵作類比，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

(4) 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要小組成員之間相互配合、合作完成，每個(gè)小組成員各有分工，一起探討和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提升了學(xué)生的合作能力。