設(shè)計制作電磁鐵創(chuàng)新實驗及教學(xué)設(shè)計

《設(shè)計制作電磁鐵》說課文稿首都師范大學(xué)附屬中學(xué)張躍使用教材北師大出版社，義務(wù)教育初中物理教科書九年級全一冊，第十四章第三、四節(jié)整合實驗器材自制“魔盒”、小磁針、直導(dǎo)線（長度不同）、電池、導(dǎo)線、開關(guān)、曲別針、銅柱、鐵柱、鋁柱、DIS磁感應(yīng)強度傳感器。實驗創(chuàng)新要點本節(jié)課打破傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，基于單元教學(xué)視角，以設(shè)計制作電磁鐵任務(wù)為主線，避免了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生在學(xué)習(xí)第三節(jié)電流的磁場時因缺乏與生活實踐的聯(lián)系、內(nèi)容偏理論所造成的學(xué)習(xí)興趣不高，動力不足等問題，既是實現(xiàn)從舊教材向新課標(biāo)的過渡，又是落實習(xí)近平總書記提出的“要在教育‘雙減’中做好科學(xué)教育加法”的要求，以設(shè)計任務(wù)充分激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力、探求欲，增強科學(xué)興趣和創(chuàng)新意識，同時，巧妙設(shè)計科學(xué)家微課，把弘揚科學(xué)精神貫穿于教育全過程，促使學(xué)生熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)，努力為國家培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體。（一）巧用自制實驗教具創(chuàng)設(shè)魔術(shù)情境，增加探究興趣首先借助門磁報警器為學(xué)生展示其工作過程（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)打開門報警器的蜂鳴器發(fā)出警報，關(guān)上門蜂鳴器停止發(fā)出警報，分析原理是由于干簧管和磁鐵共同作用的結(jié)果，開門時沒有磁場，干簧管簧片處于閉合狀態(tài)，電路報警，關(guān)門時有磁場，干簧管簧片處于斷開狀態(tài)，電路不報警。之后，利用自制實驗教具“魔盒”進(jìn)行實驗，先將“魔盒”A面面向?qū)W生（如圖2所示）進(jìn)行演示，觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)依然可以實現(xiàn)開門報警、關(guān)門不報警的功能，引導(dǎo)學(xué)生猜想盒子中的物體能產(chǎn)生磁場，再將“魔盒”B面面向?qū)W生進(jìn)行演示，發(fā)現(xiàn)閉合“魔盒”B面的開關(guān)，鈴不響燈亮（如圖3所示），斷開“魔盒”B面的開關(guān)，鈴響燈不亮（如圖4所示），引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“魔盒”中的磁場可能是電流產(chǎn)生的。通過自制“魔盒”實驗教具不僅激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，而且通過恰當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)計、可視的實驗現(xiàn)象和精準(zhǔn)的問題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動思考、自主發(fā)現(xiàn)，猜想到電流可能產(chǎn)生磁場。學(xué)生學(xué)完新知后可通過拆解“魔盒”進(jìn)行揭秘，發(fā)現(xiàn)“魔盒”內(nèi)部是由馬蹄形電磁鐵、燈泡和開關(guān)組成的串聯(lián)電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5和圖6所示。對“魔盒”的揭秘環(huán)節(jié)可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)將所學(xué)知識進(jìn)行應(yīng)用的意識，認(rèn)識到物理不僅是有趣的更是有用的。圖1門磁報警器演示教具圖1盒子A面面向?qū)W生實驗演示過程圖圖1盒子B面面向?qū)W生演示（閉合開關(guān)）圖4盒子B面面向?qū)W生演示（開關(guān)斷開）圖5神秘盒子A面圖5神秘盒子A面內(nèi)部實物圖圖6神秘盒子B面內(nèi)部實物圖（二）樂用實驗制造認(rèn)知沖突，還原真實探究過程在學(xué)生猜想到電流可能會產(chǎn)生磁場后，利用直導(dǎo)線、小磁針、電池引導(dǎo)學(xué)生大膽驗證猜想。與以往演示實驗不同，采用學(xué)生分組實驗，僅強調(diào)不要長時間通電等基本安全規(guī)范，不做過多引導(dǎo)，給學(xué)生空間讓學(xué)生自己思考如何驗證電流周圍是否存在磁場。學(xué)生在實驗操作的過程中由于導(dǎo)線和小磁針的空間擺放位置的不同會產(chǎn)生不同的實驗效果，即經(jīng)歷“失敗”的過程，同時，在分享“成功經(jīng)驗”的過程中，為電流產(chǎn)生磁場的特點有了感性的認(rèn)識，以及實驗成功的關(guān)鍵有了深刻的認(rèn)識，通過讓學(xué)生有“試錯”的機會，更能激發(fā)學(xué)生主動探究電流產(chǎn)生磁場的特點，在實際操作的過程中提升問題解決能力。妙用傳感器設(shè)置任務(wù)驅(qū)動，提升問題解決和動手實踐能力在本節(jié)設(shè)計制作電磁鐵的過程中，主要突破難點即為引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到通電直導(dǎo)線、通電螺線管、電磁鐵產(chǎn)生磁場的強弱是不同的，以及如何引導(dǎo)學(xué)生從直導(dǎo)線出發(fā)，發(fā)現(xiàn)形狀的不同、芯材的不同會影響電流產(chǎn)生的磁場的強弱，從而自己發(fā)現(xiàn)電磁鐵的結(jié)構(gòu)和動手制作出有實踐意義的電磁鐵。利用DIS磁感應(yīng)強度傳感器，通過可視化的磁場強弱，采用合理的問題引導(dǎo)，設(shè)置任務(wù)驅(qū)動，不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，主動提出電磁鐵的設(shè)計結(jié)構(gòu)，讓整堂課學(xué)生均處于不斷思考、深度參與的過程。1.直觀反映磁場強弱，主動發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線形狀對磁場強弱的影響由于通電直導(dǎo)線無法吸引曲別針或大頭釘，即使改變形狀也無法吸引，所以無法引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到導(dǎo)線形狀的改變可能會影響電流周圍產(chǎn)生磁場的強弱，而采用磁感應(yīng)強度傳感器可以直觀反映通電直導(dǎo)線周圍的磁場強弱情況，如圖7所示為通電直導(dǎo)線周圍的磁場強弱的數(shù)值，其大小為0.2mT。再通過引導(dǎo)性問題“如何能在電流不變的情況下讓通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場增強？”激發(fā)學(xué)生主動思考，猜想到導(dǎo)線形狀的改變可能會影響電流產(chǎn)生磁場的強弱，巧妙利用傳感器驗證自己的猜想。如圖8、9、10所示為長度相同的直導(dǎo)線繞成的三角形、正方形和圓形線圈通電后其磁場的強弱情況，它們的示數(shù)大小分別為0.3mT、0.4mT和0.5mT。通過傳感器直觀認(rèn)識到通電導(dǎo)線形狀的變化對磁場強弱的影響，整個過程以任務(wù)為驅(qū)動，以問題為引導(dǎo)，學(xué)生大膽提出猜想、驗證猜想，利用實驗提出問題、驗證猜想、解決問題。圖圖8通電三角形線圈磁場情況圖7通電直導(dǎo)線磁場情況圖圖9通電正方形線圈磁場情況圖10通電圓形線圈磁場情況2.主動發(fā)現(xiàn)不同部位磁場強弱，提出螺線管結(jié)構(gòu)設(shè)想基于不同形狀通電導(dǎo)線周圍磁場強弱不同的認(rèn)識，通過引導(dǎo)性問題“如果通電直導(dǎo)線的長度非常長，如何將其產(chǎn)生的磁場增強？”引導(dǎo)學(xué)生主動提出將長直導(dǎo)線“繞起來”的設(shè)想，實現(xiàn)從“長直導(dǎo)線”到“螺線管”的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。學(xué)生經(jīng)歷了動手繞制螺線管的樂趣之后進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)依然吸不上來曲別針或小鐵釘，不禁質(zhì)疑自己的猜想，通過傳感器進(jìn)行驗證發(fā)現(xiàn)通電螺線管周圍的磁場確實增強，且不同位置磁場強弱是不同的，如圖11和12所示，通電螺線管側(cè)面和兩端的磁場情況，其示數(shù)大小分別為0.1mT和1.0mT，為后續(xù)通電螺線管周圍磁場的特點的學(xué)習(xí)提供感性認(rèn)識。圖1圖11通電螺線管側(cè)面磁場情況圖12通電螺線管兩端磁場情況3.實驗探究芯材對磁場強弱的影響，認(rèn)識到電磁鐵的核心結(jié)構(gòu)學(xué)生經(jīng)歷了從“長直導(dǎo)線”到“螺線管”的設(shè)計結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，為進(jìn)一步提出“電磁鐵”的結(jié)構(gòu)設(shè)想，通過引導(dǎo)性問題“如何能讓通電螺線管的磁場再增強，使其能吸住曲別針，從而具有應(yīng)用價值？”引導(dǎo)學(xué)生提出芯材可能會對電流產(chǎn)生的磁場有影響，想到分別將銅、鐵、鋁芯對插入通電螺線管，來驗證猜想。學(xué)生通過可操作的實驗探究過程、有成就感的實驗體驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)插入鐵芯時可以成功吸引鐵釘，如圖13所示。同時還可用傳感器建立直觀感受和驗證猜想。如圖14、15、16分別為通電螺線管中插入銅芯、鋁芯和鐵芯后的磁場情況，其示數(shù)大小分別為0.7mT、0.8mT和2.4mT，直觀感受到通電螺線管中放入不同芯材對電流產(chǎn)生磁場的明顯變化，從而認(rèn)識到電磁鐵的核心結(jié)構(gòu)即為通電螺線管和鐵芯組成。圖1圖14插入銅芯后的磁場情況圖13插入鐵芯后的通電螺線管圖1圖15插入鋁芯后的磁場情況圖16插入鐵芯后的磁場情況實驗設(shè)計思路如圖17所示，以設(shè)計制作電磁鐵為任務(wù)驅(qū)動，通過巧妙的實驗設(shè)計，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生從一根“直導(dǎo)線”出發(fā)，首先發(fā)現(xiàn)電流周圍可以產(chǎn)生磁場，再認(rèn)識到導(dǎo)線形狀對電流產(chǎn)生磁場強弱的影響，從而提出“螺線管”的結(jié)構(gòu)設(shè)想，然后認(rèn)識到芯材對磁場強弱的影響，從而提出電磁鐵的核心結(jié)構(gòu)即為“螺線管+鐵芯”的組合。以任務(wù)為驅(qū)動，以實驗為推動，讓學(xué)生在動手制作、實驗探究的過程中自己不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進(jìn)學(xué)生主動、持續(xù)、深入思考，讓知識和能力在問題解決的過程中自主獲得并不斷提升。圖17實驗教學(xué)設(shè)計思路實驗教學(xué)目標(biāo)利用自制“魔盒”實驗教具進(jìn)行演示，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到電流可能會產(chǎn)生磁場，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；利用通電直導(dǎo)線和小磁針進(jìn)行分組實驗，探究電流周圍是否存在磁場，通過讓學(xué)生經(jīng)歷真實的探究環(huán)節(jié)，體驗“失敗”的過程，感受真實的科學(xué)探究精神；通過深入思考增強磁場的方法，探究導(dǎo)線形狀對電流產(chǎn)生磁場的影響，了解通電螺線管周圍的磁場及磁性強弱，實現(xiàn)從“長直導(dǎo)線”到“螺線管”結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，提升問題解決能力；通過探究不同芯材插入通電螺線管后對電流產(chǎn)生磁場的影響，認(rèn)識到電磁鐵設(shè)計的核心結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷動手繞制電磁鐵并進(jìn)行實驗探究的過程，了解電磁鐵的磁性強弱及通電有磁、斷電無磁的應(yīng)用特點，從而提升實驗探究能力和動手操作能力；5.通過自制微課視頻，重現(xiàn)科學(xué)家的歷史實驗，產(chǎn)生樂于探索的情感及敬畏科學(xué)的態(tài)度；通過大眾概念磁懸浮車視頻，感受物理學(xué)對未來發(fā)展的重要性及其重大應(yīng)用價值。實驗教學(xué)內(nèi)容與過程實驗教學(xué)內(nèi)容與過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖創(chuàng)設(shè)情境提出猜想【演示實驗，提出猜想】演示實驗1：演示門磁報警器實驗，分析其工作原理。演示實驗2：用一個“魔盒”代替門磁報警器的磁鐵部分，引導(dǎo)學(xué)生猜想盒子中的物體有什么作用？演示實驗3：利用“魔盒”另一面進(jìn)行演示實驗，通過小燈泡的亮滅反映有無電流，引導(dǎo)學(xué)生猜想是什么產(chǎn)生的磁場？學(xué)生思考并提出猜想：“魔盒”中的物體能產(chǎn)生磁場學(xué)生進(jìn)一步思考并提出猜想魔盒中的電流可能會產(chǎn)生磁場。從生活應(yīng)用出發(fā)，合理利用生活物品，讓學(xué)生感受到物理學(xué)和生活息息相關(guān)，同時，通過自制“魔盒”實驗教具不僅激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，而且通過恰當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)計、可視的實驗現(xiàn)象和精準(zhǔn)的問題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動思考，層層遞進(jìn)，一步步提出合理猜想。設(shè)計實驗驗證猜想【分組實驗，合理驗證】1.提出問題：電流周圍真的存在磁場嗎？如何證明？2.學(xué)生探究：利用電池、直導(dǎo)線、小磁針進(jìn)行分組實驗探究3.經(jīng)驗分享：你的實驗成功了嗎？成功的秘訣是什么？4.再試一次：享受成功的喜悅5.重現(xiàn)歷史：自制微課展示奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的過程學(xué)生思考并進(jìn)行分組實踐學(xué)生經(jīng)歷“試錯”的機會，討論并積極分享成功的奧秘通過分組探究實驗，鼓勵學(xué)生經(jīng)歷“失敗”過程，感受真實的探究過程，經(jīng)歷同伴分享，反思實驗的要點，體會交流的重要性，通過自制微課重現(xiàn)歷史，體會奧斯特實驗的偉大意義，感受科學(xué)精神。改變形狀設(shè)計結(jié)構(gòu)啟發(fā)【探究實驗，發(fā)現(xiàn)問題】1.問題引導(dǎo)：利用通電直導(dǎo)線，吸引曲別針看誰吸的多？2.發(fā)現(xiàn)問題：根本吸不上來！3.深入思考：為什么吸不上來？4.提出猜想：可能是由于直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場太弱了？5.實驗驗證：利用DIS磁感應(yīng)強度傳感器，通過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和驗證，發(fā)現(xiàn)問題。學(xué)生分組探究，發(fā)現(xiàn)直導(dǎo)線無法吸引曲別針并思考其原因；學(xué)生觀察傳感器實驗的量化數(shù)據(jù)驗證猜想，并思考解決方案通過巧妙的設(shè)計實驗，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“失敗”的實驗過程，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問題，之后，通過傳感器檢驗磁場的強弱，可視化強?！咎骄繉嶒?，解決問題】6.提出問題：如何能讓電流產(chǎn)生的磁場增強？7.深入研究：如何能在不改變電流的情況下，還讓磁場增強？8.提出猜想：通電導(dǎo)線的形狀可能會影響其產(chǎn)生磁場的強弱。9.及時驗證：利用傳感器驗證猜想。學(xué)生思考并提出猜想學(xué)生觀察傳感器實驗數(shù)據(jù)，驗證猜想基于實踐應(yīng)用價值的視角提出問題，通過合理的問題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動思考，利用傳感器直觀的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行及時驗證，充分調(diào)動學(xué)生的探究熱情，提升問題解決能力?！旧钊胨伎迹Y(jié)構(gòu)啟發(fā)】10.深入思考：如果導(dǎo)線特別長，如何兼顧方便性和實用性來改變形狀？11.歷史重現(xiàn)：利用自制微課，再現(xiàn)通電螺線管的發(fā)現(xiàn)過程。學(xué)生從改變形狀的角度思考增強磁場的方法，主動提出“螺線管”結(jié)構(gòu)通過問題引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生主動提出“螺線管”的設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過自制微課，激發(fā)學(xué)生科學(xué)精神的同時，增強學(xué)習(xí)成就感。結(jié)構(gòu)驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)階【結(jié)構(gòu)驗證，設(shè)計進(jìn)階】1.動手驗證：動手繞制螺線管并分別用小磁針檢驗磁場有無，用曲別針判斷磁性強弱。2.發(fā)現(xiàn)問題：磁場還是不夠強？無法吸引曲別針3.傳感器驗證：利用傳感器驗證通電螺線管的磁場強弱4.提出問題：如何讓磁場再增強？學(xué)生動手制作并進(jìn)行實驗驗證學(xué)生觀察傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)一步思考通過動手繞制螺線管的過程，提升動手實踐能力，通過小磁針和曲別針的實驗驗證發(fā)現(xiàn)磁性還是不夠強，利用傳感器量化數(shù)據(jù)驗證，達(dá)到及時反饋，激發(fā)思考的作用。進(jìn)階驗證核心結(jié)構(gòu)確立【實驗探究，設(shè)計進(jìn)階】1.分組探究：利用銅芯、鐵芯、鋁芯探究插入芯材不同是否會影響電流產(chǎn)生的磁場的強弱？2.設(shè)計進(jìn)階：發(fā)現(xiàn)芯材對電流產(chǎn)生磁場的影響，確定電磁鐵的核心結(jié)構(gòu)。3.實驗驗證：利用傳感器驗證加入芯材后電流產(chǎn)生磁場的強弱。4.追溯歷史：利用自制微課，再現(xiàn)電磁鐵的發(fā)現(xiàn)及其走向應(yīng)用的過程。學(xué)生分組探究，發(fā)現(xiàn)電磁鐵的核心結(jié)構(gòu)即為“螺線管+鐵芯”的結(jié)構(gòu)。通過分組實驗，深度參與，發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計實驗，解決問題。同時通過傳感器輔助驗證，通過微課視頻體會科技發(fā)展的過程、科學(xué)家的精神與智慧，以及物理的魅力所在。遷移應(yīng)用實踐探索【“魔盒”揭秘】1.提出問題：猜測“魔盒”中的結(jié)構(gòu)是怎樣的？2.現(xiàn)場揭秘：打開“魔盒”，驗證猜想?！旧a(chǎn)應(yīng)用】播放視頻：展示電磁起重機在生產(chǎn)中的實際應(yīng)用過程?！疚磥硖剿鳌坎シ乓曨l：概念懸浮車學(xué)生利用本節(jié)課所學(xué)核心知識，猜想“魔盒”結(jié)構(gòu)通過觀察拆解后的魔盒鞏固本節(jié)課的核心知識通過“魔盒”揭秘的過程，讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感；通過播放電磁起重機的工作過程、概念磁懸浮車，感受物理與生產(chǎn)生活的密切相關(guān)，以及對科技發(fā)展的重要性。創(chuàng)新作業(yè)設(shè)計【家庭動手實踐】創(chuàng)新作業(yè)設(shè)計1：學(xué)習(xí)完設(shè)計制作電磁鐵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之后，你能不能在家里制作一個簡易電磁鐵？如果可以為你的電磁鐵設(shè)計一種用途。學(xué)生基于本節(jié)課的核心設(shè)計，回家進(jìn)行動手實踐采用動手實踐作業(yè)的形式，既充分調(diào)動學(xué)生主動將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，又發(fā)展學(xué)生的動手實踐能力。【評估與解釋】創(chuàng)新作業(yè)設(shè)計2：小明同學(xué)學(xué)習(xí)了《設(shè)計制作電磁鐵》這節(jié)課后備受啟發(fā)，自制了一個“指南針”，你覺得他的設(shè)計合理嗎？如果不合理有哪些地方不合理，為什么？學(xué)生基于小明同學(xué)的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行評語與解釋通過對設(shè)計進(jìn)行評估，發(fā)展學(xué)生的批判性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時，通過對設(shè)計問題的論述，正確反饋出學(xué)生對知識的掌握情況，以及發(fā)展學(xué)生論述能力。實驗效果評價《設(shè)計制作電磁鐵》這節(jié)課，力圖以初中物理新課標(biāo)為依據(jù)，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為基本理念，創(chuàng)設(shè)學(xué)生動手實驗探究、傳感器演示實驗、Ipad實時傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，體現(xiàn)出新課程標(biāo)準(zhǔn)中