设计制作电磁铁创新实验及教学设计

《设计制作电磁铁》说课文稿首都师范大学附属中学张跃使用教材北师大出版社，义务教育初中物理教科书九年级全一册，第十四章第三、四节整合实验器材自制“魔盒”、小磁针、直导线（长度不同）、电池、导线、开关、曲别针、铜柱、铁柱、铝柱、DIS磁感应强度传感器。实验创新要点本节课打破传统教学内容，基于单元教学视角，以设计制作电磁铁任务为主线，避免了传统教学中学生在学习第三节电流的磁场时因缺乏与生活实践的联系、内容偏理论所造成的学习兴趣不高，动力不足等问题，既是实现从旧教材向新课标的过渡，又是落实习近平总书记提出的“要在教育‘双减’中做好科学教育加法”的要求，以设计任务充分激发学生的好奇心、想象力、探求欲，增强科学兴趣和创新意识，同时，巧妙设计科学家微课，把弘扬科学精神贯穿于教育全过程，促使学生热爱科学、崇尚科学，努力为国家培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。（一）巧用自制实验教具创设魔术情境，增加探究兴趣首先借助门磁报警器为学生展示其工作过程（如图1所示），发现打开门报警器的蜂鸣器发出警报，关上门蜂鸣器停止发出警报，分析原理是由于干簧管和磁铁共同作用的结果，开门时没有磁场，干簧管簧片处于闭合状态，电路报警，关门时有磁场，干簧管簧片处于断开状态，电路不报警。之后，利用自制实验教具“魔盒”进行实验，先将“魔盒”A面面向学生（如图2所示）进行演示，观察现象发现依然可以实现开门报警、关门不报警的功能，引导学生猜想盒子中的物体能产生磁场，再将“魔盒”B面面向学生进行演示，发现闭合“魔盒”B面的开关，铃不响灯亮（如图3所示），断开“魔盒”B面的开关，铃响灯不亮（如图4所示），引导学生发现“魔盒”中的磁场可能是电流产生的。通过自制“魔盒”实验教具不仅激发了学生的探究兴趣，而且通过恰当的实验设计、可视的实验现象和精准的问题引导，激发学生主动思考、自主发现，猜想到电流可能产生磁场。学生学完新知后可通过拆解“魔盒”进行揭秘，发现“魔盒”内部是由马蹄形电磁铁、灯泡和开关组成的串联电路。其内部结构图如图5和图6所示。对“魔盒”的揭秘环节可引导学生发现将所学知识进行应用的意识，认识到物理不仅是有趣的更是有用的。图1门磁报警器演示教具图1盒子A面面向学生实验演示过程图图1盒子B面面向学生演示（闭合开关）图4盒子B面面向学生演示（开关断开）图5神秘盒子A面图5神秘盒子A面内部实物图图6神秘盒子B面内部实物图（二）乐用实验制造认知冲突，还原真实探究过程在学生猜想到电流可能会产生磁场后，利用直导线、小磁针、电池引导学生大胆验证猜想。与以往演示实验不同，采用学生分组实验，仅强调不要长时间通电等基本安全规范，不做过多引导，给学生空间让学生自己思考如何验证电流周围是否存在磁场。学生在实验操作的过程中由于导线和小磁针的空间摆放位置的不同会产生不同的实验效果，即经历“失败”的过程，同时，在分享“成功经验”的过程中，为电流产生磁场的特点有了感性的认识，以及实验成功的关键有了深刻的认识，通过让学生有“试错”的机会，更能激发学生主动探究电流产生磁场的特点，在实际操作的过程中提升问题解决能力。妙用传感器设置任务驱动，提升问题解决和动手实践能力在本节设计制作电磁铁的过程中，主要突破难点即为引导学生认识到通电直导线、通电螺线管、电磁铁产生磁场的强弱是不同的，以及如何引导学生从直导线出发，发现形状的不同、芯材的不同会影响电流产生的磁场的强弱，从而自己发现电磁铁的结构和动手制作出有实践意义的电磁铁。利用DIS磁感应强度传感器，通过可视化的磁场强弱，采用合理的问题引导，设置任务驱动，不断发现问题，解决问题，主动提出电磁铁的设计结构，让整堂课学生均处于不断思考、深度参与的过程。1.直观反映磁场强弱，主动发现导线形状对磁场强弱的影响由于通电直导线无法吸引曲别针或大头钉，即使改变形状也无法吸引，所以无法引导学生认识到导线形状的改变可能会影响电流周围产生磁场的强弱，而采用磁感应强度传感器可以直观反映通电直导线周围的磁场强弱情况，如图7所示为通电直导线周围的磁场强弱的数值，其大小为0.2mT。再通过引导性问题“如何能在电流不变的情况下让通电导线产生的磁场增强？”激发学生主动思考，猜想到导线形状的改变可能会影响电流产生磁场的强弱，巧妙利用传感器验证自己的猜想。如图8、9、10所示为长度相同的直导线绕成的三角形、正方形和圆形线圈通电后其磁场的强弱情况，它们的示数大小分别为0.3mT、0.4mT和0.5mT。通过传感器直观认识到通电导线形状的变化对磁场强弱的影响，整个过程以任务为驱动，以问题为引导，学生大胆提出猜想、验证猜想，利用实验提出问题、验证猜想、解决问题。图图8通电三角形线圈磁场情况图7通电直导线磁场情况图图9通电正方形线圈磁场情况图10通电圆形线圈磁场情况2.主动发现不同部位磁场强弱，提出螺线管结构设想基于不同形状通电导线周围磁场强弱不同的认识，通过引导性问题“如果通电直导线的长度非常长，如何将其产生的磁场增强？”引导学生主动提出将长直导线“绕起来”的设想，实现从“长直导线”到“螺线管”的结构转变。学生经历了动手绕制螺线管的乐趣之后进行验证，发现依然吸不上来曲别针或小铁钉，不禁质疑自己的猜想，通过传感器进行验证发现通电螺线管周围的磁场确实增强，且不同位置磁场强弱是不同的，如图11和12所示，通电螺线管侧面和两端的磁场情况，其示数大小分别为0.1mT和1.0mT，为后续通电螺线管周围磁场的特点的学习提供感性认识。图1图11通电螺线管侧面磁场情况图12通电螺线管两端磁场情况3.实验探究芯材对磁场强弱的影响，认识到电磁铁的核心结构学生经历了从“长直导线”到“螺线管”的设计结构转变，为进一步提出“电磁铁”的结构设想，通过引导性问题“如何能让通电螺线管的磁场再增强，使其能吸住曲别针，从而具有应用价值？”引导学生提出芯材可能会对电流产生的磁场有影响，想到分别将铜、铁、铝芯对插入通电螺线管，来验证猜想。学生通过可操作的实验探究过程、有成就感的实验体验，发现当插入铁芯时可以成功吸引铁钉，如图13所示。同时还可用传感器建立直观感受和验证猜想。如图14、15、16分别为通电螺线管中插入铜芯、铝芯和铁芯后的磁场情况，其示数大小分别为0.7mT、0.8mT和2.4mT，直观感受到通电螺线管中放入不同芯材对电流产生磁场的明显变化，从而认识到电磁铁的核心结构即为通电螺线管和铁芯组成。图1图14插入铜芯后的磁场情况图13插入铁芯后的通电螺线管图1图15插入铝芯后的磁场情况图16插入铁芯后的磁场情况实验设计思路如图17所示，以设计制作电磁铁为任务驱动，通过巧妙的实验设计，引导和启发学生从一根“直导线”出发，首先发现电流周围可以产生磁场，再认识到导线形状对电流产生磁场强弱的影响，从而提出“螺线管”的结构设想，然后认识到芯材对磁场强弱的影响，从而提出电磁铁的核心结构即为“螺线管+铁芯”的组合。以任务为驱动，以实验为推动，让学生在动手制作、实验探究的过程中自己不断发现问题、解决问题，促进学生主动、持续、深入思考，让知识和能力在问题解决的过程中自主获得并不断提升。图17实验教学设计思路实验教学目标利用自制“魔盒”实验教具进行演示，引导学生认识到电流可能会产生磁场，激发学习兴趣；利用通电直导线和小磁针进行分组实验，探究电流周围是否存在磁场，通过让学生经历真实的探究环节，体验“失败”的过程，感受真实的科学探究精神；通过深入思考增强磁场的方法，探究导线形状对电流产生磁场的影响，了解通电螺线管周围的磁场及磁性强弱，实现从“长直导线”到“螺线管”结构设计的转变，提升问题解决能力；通过探究不同芯材插入通电螺线管后对电流产生磁场的影响，认识到电磁铁设计的核心结构，经历动手绕制电磁铁并进行实验探究的过程，了解电磁铁的磁性强弱及通电有磁、断电无磁的应用特点，从而提升实验探究能力和动手操作能力；5.通过自制微课视频，重现科学家的历史实验，产生乐于探索的情感及敬畏科学的态度；通过大众概念磁悬浮车视频，感受物理学对未来发展的重要性及其重大应用价值。实验教学内容与过程实验教学内容与过程教学环节教师活动学生活动设计意图创设情境提出猜想【演示实验，提出猜想】演示实验1：演示门磁报警器实验，分析其工作原理。演示实验2：用一个“魔盒”代替门磁报警器的磁铁部分，引导学生猜想盒子中的物体有什么作用？演示实验3：利用“魔盒”另一面进行演示实验，通过小灯泡的亮灭反映有无电流，引导学生猜想是什么产生的磁场？学生思考并提出猜想：“魔盒”中的物体能产生磁场学生进一步思考并提出猜想魔盒中的电流可能会产生磁场。从生活应用出发，合理利用生活物品，让学生感受到物理学和生活息息相关，同时，通过自制“魔盒”实验教具不仅激发了学生的探究兴趣，而且通过恰当的实验设计、可视的实验现象和精准的问题引导，激发学生主动思考，层层递进，一步步提出合理猜想。设计实验验证猜想【分组实验，合理验证】1.提出问题：电流周围真的存在磁场吗？如何证明？2.学生探究：利用电池、直导线、小磁针进行分组实验探究3.经验分享：你的实验成功了吗？成功的秘诀是什么？4.再试一次：享受成功的喜悦5.重现历史：自制微课展示奥斯特发现电流磁效应的过程学生思考并进行分组实践学生经历“试错”的机会，讨论并积极分享成功的奥秘通过分组探究实验，鼓励学生经历“失败”过程，感受真实的探究过程，经历同伴分享，反思实验的要点，体会交流的重要性，通过自制微课重现历史，体会奥斯特实验的伟大意义，感受科学精神。改变形状设计结构启发【探究实验，发现问题】1.问题引导：利用通电直导线，吸引曲别针看谁吸的多？2.发现问题：根本吸不上来！3.深入思考：为什么吸不上来？4.提出猜想：可能是由于直导线产生的磁场太弱了？5.实验验证：利用DIS磁感应强度传感器，通过量化的数据进行展示和验证，发现问题。学生分组探究，发现直导线无法吸引曲别针并思考其原因；学生观察传感器实验的量化数据验证猜想，并思考解决方案通过巧妙的设计实验，引导学生经历“失败”的实验过程，产生认知冲突，进而发现问题，之后，通过传感器检验磁场的强弱，可视化强。【探究实验，解决问题】6.提出问题：如何能让电流产生的磁场增强？7.深入研究：如何能在不改变电流的情况下，还让磁场增强？8.提出猜想：通电导线的形状可能会影响其产生磁场的强弱。9.及时验证：利用传感器验证猜想。学生思考并提出猜想学生观察传感器实验数据，验证猜想基于实践应用价值的视角提出问题，通过合理的问题引导，激发学生主动思考，利用传感器直观的量化数据进行及时验证，充分调动学生的探究热情，提升问题解决能力。【深入思考，结构启发】10.深入思考：如果导线特别长，如何兼顾方便性和实用性来改变形状？11.历史重现：利用自制微课，再现通电螺线管的发现过程。学生从改变形状的角度思考增强磁场的方法，主动提出“螺线管”结构通过问题引导，激发学生主动提出“螺线管”的设计结构，通过自制微课，激发学生科学精神的同时，增强学习成就感。结构验证设计结构进阶【结构验证，设计进阶】1.动手验证：动手绕制螺线管并分别用小磁针检验磁场有无，用曲别针判断磁性强弱。2.发现问题：磁场还是不够强？无法吸引曲别针3.传感器验证：利用传感器验证通电螺线管的磁场强弱4.提出问题：如何让磁场再增强？学生动手制作并进行实验验证学生观察传感器数据并进一步思考通过动手绕制螺线管的过程，提升动手实践能力，通过小磁针和曲别针的实验验证发现磁性还是不够强，利用传感器量化数据验证，达到及时反馈，激发思考的作用。进阶验证核心结构确立【实验探究，设计进阶】1.分组探究：利用铜芯、铁芯、铝芯探究插入芯材不同是否会影响电流产生的磁场的强弱？2.设计进阶：发现芯材对电流产生磁场的影响，确定电磁铁的核心结构。3.实验验证：利用传感器验证加入芯材后电流产生磁场的强弱。4.追溯历史：利用自制微课，再现电磁铁的发现及其走向应用的过程。学生分组探究，发现电磁铁的核心结构即为“螺线管+铁芯”的结构。通过分组实验，深度参与，发现问题，设计实验，解决问题。同时通过传感器辅助验证，通过微课视频体会科技发展的过程、科学家的精神与智慧，以及物理的魅力所在。迁移应用实践探索【“魔盒”揭秘】1.提出问题：猜测“魔盒”中的结构是怎样的？2.现场揭秘：打开“魔盒”，验证猜想。【生产应用】播放视频：展示电磁起重机在生产中的实际应用过程。【未来探索】播放视频：概念悬浮车学生利用本节课所学核心知识，猜想“魔盒”结构通过观察拆解后的魔盒巩固本节课的核心知识通过“魔盒”揭秘的过程，让学生获得学习的成就感；通过播放电磁起重机的工作过程、概念磁悬浮车，感受物理与生产生活的密切相关，以及对科技发展的重要性。创新作业设计【家庭动手实践】创新作业设计1：学习完设计制作电磁铁的关键结构之后，你能不能在家里制作一个简易电磁铁？如果可以为你的电磁铁设计一种用途。学生基于本节课的核心设计，回家进行动手实践采用动手实践作业的形式，既充分调动学生主动将所学知识应用于实践，又发展学生的动手实践能力。【评估与解释】创新作业设计2：小明同学学习了《设计制作电磁铁》这节课后备受启发，自制了一个“指南针”，你觉得他的设计合理吗？如果不合理有哪些地方不合理，为什么？学生基于小明同学的设计，发现问题，并进行评语与解释通过对设计进行评估，发展学生的批判性思维，培养学生的创新能力，同时，通过对设计问题的论述，正确反馈出学生对知识的掌握情况，以及发展学生论述能力。实验效果评价《设计制作电磁铁》这节课，力图以初中物理新课标为依据，以提高学生科学素养为基本理念，创设学生动手实验探究、传感器演示实验、Ipad实时传输等环节，体现出新课程标准中