資源簡介

《設計制作電磁鐵》
使用教材
北師大出版社，義務教育初中物理教科書九年級全一冊，第十四章
實驗器材
自制“魔盒”、小磁針、直導線（長度不同）、電池、導線、開關、曲別針、銅柱、鐵柱、鋁柱、DIS磁感應強度傳感器。
實驗創新要點
本節課打破傳統教學內容，基于單元教學視角，以設計制作電磁鐵任務為主線，避免了傳統教學中學生在學習第三節電流的磁場時因缺乏與生活實踐的聯系、內容偏理論所造成的學習興趣不高，動力不足等問題，既是實現從舊教材向新課標的過渡，又是落實習近平總書記提出的“要在教育‘雙減’中做好科學教育加法”的要求，以設計任務充分激發學生的好奇心、想象力、探求欲，增強科學興趣和創新意識，同時，巧妙設計科學家微課，把弘揚科學精神貫穿于教育全過程，促使學生熱愛科學、崇尚科學，努力為國家培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業的青少年群體。
（一）巧用自制實驗教具創設魔術情境，增加探究興趣
首先借助門磁報警器為學生展示其工作過程（如圖1所示），發現打開門報警器的蜂鳴器發出警報，關上門蜂鳴器停止發出警報，分析原理是由于干簧管和磁鐵共同作用的結果，開門時沒有磁場，干簧管簧片處于閉合狀態，電路報警，關門時有磁場，干簧管簧片處于斷開狀態，電路不報警。之后，利用自制實驗教具“魔盒”進行實驗，先將“魔盒”A面面向學生（如圖2所示）進行演示，觀察現象發現依然可以實現開門報警、關門不報警的功能，引導學生猜想盒子中的物體能產生磁場，再將“魔盒”B面面向學生進行演示，發現閉合“魔盒”B面的開關，鈴不響燈亮（如圖3所示），斷開“魔盒”B面的開關，鈴響燈不亮（如圖4所示），引導學生發現“魔盒”中的磁場可能是電流產生的。通過自制“魔盒”實驗教具不僅激發了學生的探究興趣，而且通過恰當的實驗設計、可視的實驗現象和精準的問題引導，激發學生主動思考、自主發現，猜想到電流可能產生磁場。學生學完新知后可通過拆解“魔盒”進行揭秘，發現“魔盒”內部是由馬蹄形電磁鐵、燈泡和開關組成的串聯電路。其內部結構圖如圖5和圖6所示。對“魔盒”的揭秘環節可引導學生發現將所學知識進行應用的意識，認識到物理不僅是有趣的更是有用的。
（二）樂用實驗制造認知沖突，還原真實探究過程
在學生猜想到電流可能會產生磁場后，利用直導線、小磁針、電池引導學生大膽驗證猜想。與以往演示實驗不同，采用學生分組實驗，僅強調不要長時間通電等基本安全規范，不做過多引導，給學生空間讓學生自己思考如何驗證電流周圍是否存在磁場。學生在實驗操作的過程中由于導線和小磁針的空間擺放位置的不同會產生不同的實驗效果，即經歷“失敗”的過程，同時，在分享“成功經驗”的過程中，為電流產生磁場的特點有了感性的認識，以及實驗成功的關鍵有了深刻的認識，通過讓學生有“試錯”的機會，更能激發學生主動探究電流產生磁場的特點，在實際操作的過程中提升問題解決能力。
妙用傳感器設置任務驅動，提升問題解決和動手實踐能力
在本節設計制作電磁鐵的過程中，主要突破難點即為引導學生認識到通電直導線、通電螺線管、電磁鐵產生磁場的強弱是不同的，以及如何引導學生從直導線出發，發現形狀的不同、芯材的不同會影響電流產生的磁場的強弱，從而自己發現電磁鐵的結構和動手制作出有實踐意義的電磁鐵。利用DIS磁感應強度傳感器，通過可視化的磁場強弱，采用合理的問題引導，設置任務驅動，不斷發現問題，解決問題，主動提出電磁鐵的設計結構，讓整堂課學生均處于不斷思考、深度參與的過程。
1.直觀反映磁場強弱，主動發現導線形狀對磁場強弱的影響
由于通電直導線無法吸引曲別針或大頭釘，即使改變形狀也無法吸引，所以無法引導學生認識到導線形狀的改變可能會影響電流周圍產生磁場的強弱，而采用磁感應強度傳感器可以直觀反映通電直導線周圍的磁場強弱情況，如圖7所示為通電直導線周圍的磁場強弱的數值，其大小為0.2mT。再通過引導性問題“如何能在電流不變的情況下讓通電導線產生的磁場增強？”激發學生主動思考，猜想到導線形狀的改變可能會影響電流產生磁場的強弱，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，它們的示數大小分別為0.3mT、0.4mT和0.5mT。通過傳感器直觀認識到通電導線形狀的變化對磁場強弱的影響，整個過程以任務為驅動，以問題為引導，學生大膽提出猜想、驗證猜想，利用實驗提出問題、驗證猜想、解決問題。
2.主動發現不同部位磁場強弱，提出螺線管結構設想
基于不同形狀通電導線周圍磁場強弱不同的認識，通過引導性問題“如果通電直導線的長度非常長，如何將其產生的磁場增強？”引導學生主動提出將長直導線“繞起來”的設想，實現從“長直導線”到“螺線管”的結構轉變。學生經歷了動手繞制螺線管的樂趣之后進行驗證，發現依然吸不上來曲別針或小鐵釘，不禁質疑自己的猜想，通過傳感器進行驗證發現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，通電螺線管側面和兩端的磁場情況，其示數大小分別為0.1mT和1.0mT，為后續通電螺線管周圍磁場的特點的學習提供感性認識。
3.實驗探究芯材對磁場強弱的影響，認識到電磁鐵的核心結構
學生經歷了從“長直導線”到“螺線管”的設計結構轉變，為進一步提出“電磁鐵”的結構設想，通過引導性問題“如何能讓通電螺線管的磁場再增強，使其能吸住曲別針，從而具有應用價值？”引導學生提出芯材可能會對電流產生的磁場有影響，想到分別將銅、鐵、鋁芯對插入通電螺線管，來驗證猜想。學生通過可操作的實驗探究過程、有成就感的實驗體驗，發現當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生磁場的明顯變化，從而認識到電磁鐵的核心結構即為通電螺線管和鐵芯組成。
實驗設計思路
如圖17所示，以設計制作電磁鐵為任務驅動，通過巧妙的實驗設計，引導和啟發學生從一根“直導線”出發，首先發現電流周圍可以產生磁場，再認識到導線形狀對電流產生磁場強弱的影響，從而提出“螺線管”的結構設想，然后認識到芯材對磁場強弱的影響，從而提出電磁鐵的核心結構即為“螺線管+鐵芯”的組合。以任務為驅動，以實驗為推動，讓學生在動手制作、實驗探究的過程中自己不斷發現問題、解決問題，促進學生主動、持續、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 實驗教學設計思路
實驗教學目標
利用自制“魔盒”實驗教具進行演示，引導學生認識到電流可能會產生磁場，激發學習興趣；
利用通電直導線和小磁針進行分組實驗，探究電流周圍是否存在磁場，通過讓學生經歷真實的探究環節，體驗“失敗”的過程，感受真實的科學探究精神；
通過深入思考增強磁場的方法，探究導線形狀對電流產生磁場的影響，了解通電螺線管周圍的磁場及磁性強弱，實現從“長直導線”到“螺線管”結構設計的轉變，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生磁場的影響，認識到電磁鐵設計的核心結構，經歷動手繞制電磁鐵并進行實驗探究的過程，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，重現科學家的歷史實驗，產生樂于探索的情感及敬畏科學的態度；通過大眾概念磁懸浮車視頻，感受物理學對未來發展的重要性及其重大應用價值。
實驗教學內容與過程
實驗教學內容與過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
創設情境 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，引導學生猜想盒子中的物體有什么作用？ 演示實驗3：利用“魔盒”另一面進行演示實驗，通過小燈泡的亮滅反映有無電流，引導學生猜想是什么產生的磁場？ 學生思考并提出猜想：“魔盒”中的物體能產生磁場 學生進一步思考并提出猜想魔盒中的電流可能會產生磁場。 從生活應用出發，合理利用生活物品，讓學生感受到物理學和生活息息相關，同時，通過自制“魔盒”實驗教具不僅激發了學生的探究興趣，而且通過恰當的實驗設計、可視的實驗現象和精準的問題引導，激發學生主動思考，層層遞進，一步步提出合理猜想。
設計實驗 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.學生探究：利用電池、直導線、小磁針進行分組實驗探究 3.經驗分享：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.重現歷史：自制微課展示奧斯特發現電流磁效應的過程 學生思考并進行分組實踐 學生經歷“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，鼓勵學生經歷“失敗”過程，感受真實的探究過程，經歷同伴分享，反思實驗的要點，體會交流的重要性，通過自制微課重現歷史，體會奧斯特實驗的偉大意義，感受科學精神。
改變形狀 設計結構啟發 【探究實驗，發現問題】 1.問題引導：利用通電直導線，吸引曲別針看誰吸的多？ 2.發現問題：根本吸不上來！ 3.深入思考：為什么吸不上來？ 4.提出猜想：可能是由于直導線產生的磁場太弱了？ 5.實驗驗證：利用DIS磁感應強度傳感器，通過量化的數據進行展示和驗證，發現問題。 學生分組探究，發現直導線無法吸引曲別針并思考其原因； 學生觀察傳感器實驗的量化數據驗證猜想，并思考解決方案 通過巧妙的設計實驗，引導學生經歷“失敗”的實驗過程，產生認知沖突，進而發現問題，之后，通過傳感器檢驗磁場的強弱，可視化強。
【探究實驗，解決問題】 6.提出問題：如何能讓電流產生的磁場增強？ 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：通電導線的形狀可能會影響其產生磁場的強弱。 9.及時驗證：利用傳感器驗證猜想。 學生思考并提出猜想 學生觀察傳感器實驗數據，驗證猜想 基于實踐應用價值的視角提出問題，通過合理的問題引導，激發學生主動思考，利用傳感器直觀的量化數據進行及時驗證，充分調動學生的探究熱情，提升問題解決能力。
【深入思考，結構啟發】 10.深入思考：如果導線特別長，如何兼顧方便性和實用性來改變形狀？ 11.歷史重現：利用自制微課，再現通電螺線管的發現過程。 學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”結構 通過問題引導，激發學生主動提出“螺線管”的設計結構，通過自制微課，激發學生科學精神的同時，增強學習成就感。
結構驗證 設計結構進階 【結構驗證，設計進階】 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.發現問題：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？ 學生動手制作并進行實驗驗證 學生觀察傳感器數據并進一步思考 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現磁性還是不夠強，利用傳感器量化數據驗證，達到及時反饋，激發思考的作用。
進階驗證 核心結構確立 【實驗探究，設計進階】 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生的磁場的強弱？ 2.設計進階：發現芯材對電流產生磁場的影響，確定電磁鐵的核心結構。 3.實驗驗證：利用傳感器驗證加入芯材后電流產生磁場的強弱。 4.追溯歷史：利用自制微課，再現電磁鐵的發現及其走向應用的過程。 學生分組探究，發現電磁鐵的核心結構即為“螺線管+鐵芯”的結構。 通過分組實驗，深度參與，發現問題，設計實驗，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展的過程、科學家的精神與智慧，以及物理的魅力所在。
遷移應用 實踐探索 【“魔盒”揭秘】 1.提出問題：猜測“魔盒”中的結構是怎樣的？ 2.現場揭秘：打開“魔盒”，驗證猜想。 【生產應用】 播放視頻：展示電磁起重機在生產中的實際應用過程。 【未來探索】 播放視頻：概念懸浮車 學生利用本節課所學核心知識，猜想“魔盒”結構 通過觀察拆解后的魔盒鞏固本節課的核心知識 通過“魔盒”揭秘的過程，讓學生獲得學習的成就感；通過播放電磁起重機的工作過程、概念磁懸浮車，感受物理與生產生活的密切相關，以及對科技發展的重要性。
創新作業設計 【家庭動手實踐】 創新作業設計1：學習完設計制作電磁鐵的關鍵結構之后，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計一種用途。 學生基于本節課的核心設計，回家進行動手實踐 采用動手實踐作業的形式，既充分調動學生主動將所學知識應用于實踐，又發展學生的動手實踐能力。
【評估與解釋】 創新作業設計2：小明同學學習了《設計制作電磁鐵》這節課后備受啟發，自制了一個“指南針”，你覺得他的設計合理嗎？如果不合理有哪些地方不合理，為什么？ 學生基于小明同學的設計，發現問題，并進行評語與解釋 通過對設計進行評估，發展學生的批判性思維，培養學生的創新能力，同時，通過對設計問題的論述，正確反饋出學生對知識的掌握情況，以及發展學生論述能力。
實驗效果評價
《設計制作電磁鐵》這節課，力圖以初中物理新課標為依據，以提高學生科學素養為基本理念，創設學生動手實驗探究、傳感器演示實驗、Ipad實時傳輸等環節，體現出新課程標準中提倡教學方式多樣化，注重科學探究的思想。同時，利用自制微課重現歷史上科學家的實驗探究過程，幫助學生樹立正確的科學觀的同時，把弘揚科學精神貫穿于教育全過程，促使學生熱愛科學、崇尚科學，崇拜科學家。課堂的每個環節的設置都立足實踐，從實際應用的角度分析解決問題，體現新課程標準中提出重視從生活走向物理，從物理走向社會的理念。
在實驗實施的過程中，以實驗創設情境，實現魔術引入，激發學生學習興趣；以實驗創設認知沖突，提高學生探究欲望；以實驗任務驅動發現和解決問題，提升核心素養；以實驗開展設計制作，增強學生學習成就感，通過實驗的進階設計，引導學生自己探究出電磁鐵的核心結構設計，促使學生主動學習、深度思考。
本節課的作業也采取創新作業設計，通過動手實踐作業和評估作業的設計，激發學生學習興趣的同時，更關注學生實際收獲和對知識的應用，讓學生充分感受到所學知識的應用價值，實現興趣到志趣的轉化。如圖18、19所示為學生自己動手制作電磁鐵所需材料及其成果，學生利用充電線和小工具進行制作，在制作過程中遇到了導線太粗、無法固定、沒有電池盒等問題，學生通過思考，把所遇到的困難逐一擊破，在動手中鍛煉了問題解決能力。如圖20為學生在進行評估論述時的作答情況，學生普遍非常喜歡這樣的作業，不僅激發了學生的興趣，而且學生的論述情況也能正確反映學生學習存在的問題，效果非常突出。
圖18 實驗材料圖 圖19 自制電磁鐵成果
圖20 學生評估作業論述作答

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