基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“電流的磁場”教學(xué)設(shè)計(jì)

陳曦 徐曉梅 黃佳佳 李肖

摘?要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面的要素構(gòu)成。主要基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)，嘗試做了初中物理“電流的磁場”教學(xué)設(shè)計(jì)，主要探索及展示了物理學(xué)科核心素養(yǎng)如何制定教學(xué)目標(biāo)及設(shè)計(jì)教學(xué)過程兩環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科核心素養(yǎng);電流的磁場;教學(xué)設(shè)計(jì)

一、 教學(xué)任務(wù)分析

“電流的磁場”是滬科版九年級第十七章“從指南針到磁懸浮列車”課程中的內(nèi)容，是初中物理電磁學(xué)部分的一個(gè)重點(diǎn)，它將前一節(jié)簡單的磁現(xiàn)象和已有的電學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來，拉開了研究電磁本質(zhì)聯(lián)系的序幕?！半娏鞯拇艌觥焙腥齻€(gè)核心概念：電流的磁效應(yīng)、通電螺線管的磁場和安培定則，這是前面簡單磁現(xiàn)象的延伸，也是后面學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。在備課時(shí)，先要設(shè)計(jì)好探究問題，遵循“從一般到特殊、從易到難”的原則;在授課時(shí)，利用問題創(chuàng)造情境，讓學(xué)生參與探究的全過程，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。前面學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁體與磁場，對磁場的研究方法有一定了解，所以本節(jié)重復(fù)奧斯特實(shí)驗(yàn)和研究通電螺線管外部磁場的特點(diǎn)在方法上較容易些。

二、 教學(xué)目標(biāo)

（一） 物理觀念

通過奧斯特實(shí)驗(yàn)，了解電流周圍存在磁場，認(rèn)識(shí)電流的磁效應(yīng);通過探究通電螺線管外部磁場的特點(diǎn)，知道通電螺線管的磁場與條形磁鐵的磁場相似;通過學(xué)習(xí)和交流理解安培定則，會(huì)判斷通電螺線管兩端的極性和通電螺線管的電流方向。

（二） 科學(xué)思維

通過奧斯特實(shí)驗(yàn)和探究通電螺線管磁場的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納分析，體會(huì)邏輯推理是科學(xué)研究的重要方法;通過類比通電螺線管外部的磁場和條形磁鐵的磁場，了解類比法的使用方法。

（三） 科學(xué)探究

重新經(jīng)歷奧斯特實(shí)驗(yàn)的探究過程，體驗(yàn)科學(xué)探究中的艱難歷程;經(jīng)歷探究通電螺線管外部磁場的特點(diǎn)，體悟科學(xué)探究的一般過程與方法。

（四） 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

了解奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)相關(guān)的故事，體會(huì)科學(xué)家敢于質(zhì)疑、實(shí)事求是、尊重事實(shí)、尊重科學(xué)的科學(xué)態(tài)度。通過小組合作實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生逐步掌握合作學(xué)習(xí)技能。

三、 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

（一） 教學(xué)重點(diǎn)

電流的磁效應(yīng)、通電螺線管外部的磁場。

（二） 教學(xué)難點(diǎn)

用安培定則判斷通電螺線管外部磁場的方向。

四、 教學(xué)準(zhǔn)備

PPT教學(xué)課件、多媒體、電鈴、小磁針、螺線管、大頭針、通電螺線管周圍磁感線的演示教具、電源、銅導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器、兩種不同纏繞方式的螺線管。

五、 教學(xué)過程

（一） 導(dǎo)入新課

[創(chuàng)設(shè)情境，提出問題]

讓事先準(zhǔn)備好的電鈴響起。

提出問題：電鈴一直存在我們身邊，大家有沒有想過電鈴的工作原理？學(xué)習(xí)完這節(jié)課，同學(xué)們就能理解其中的奧秘。

利用電鈴吸引鐵釘，引導(dǎo)學(xué)生猜一猜：電鈴由什么組成的？將電鈴展示給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生觀察，學(xué)生沒有找到磁鐵，而是一個(gè)電池和一個(gè)元件組成的電路。

[思維引導(dǎo)]

帶電體和磁鐵都能吸引鐵釘，這些相似是巧合還是存在某種聯(lián)系，科學(xué)家一次又一次地尋找電與磁的聯(lián)系。在1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特終于用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了猜想，使電磁學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，這節(jié)課我們來重復(fù)奧斯特實(shí)驗(yàn)，一起研究電生磁。

學(xué)生活動(dòng)：觀察電鈴吸引鐵釘，猜想電鈴有磁鐵等元件。

設(shè)計(jì)意圖：通過生活中的電器作為引入，不僅能吸引學(xué)生的注意力，還能激發(fā)學(xué)生探究興趣。

（二） 推進(jìn)新課

1. 電流的磁效應(yīng)

[驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)]

連接電路（如圖1），將一根直導(dǎo)線平行放在小磁針的上方，給導(dǎo)線通電、斷電，改變電流方向，觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。

[現(xiàn)象歸納]

①有部分小組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯;②閉合開關(guān)，小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn);改變導(dǎo)線電流方向，小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

[交流心得]

①直導(dǎo)線要沿南北方向和小磁針平行放置;②電流周圍存在磁場;③電流的磁場方向跟電流的方向有關(guān)。

[提出問題]

為什么直導(dǎo)線一定要沿南北方向和小磁針平行放置？

[答案點(diǎn)撥]

通電導(dǎo)線在南北方向時(shí)，產(chǎn)生的磁場和地磁場方向不同，才會(huì)使小磁針偏轉(zhuǎn)。

[自主學(xué)習(xí)]

閱讀奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)相關(guān)的故事。奧斯特第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系;通電導(dǎo)線周圍存在磁場，這種現(xiàn)象叫電流的磁效應(yīng)。

學(xué)生活動(dòng)：分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注意觀察和記錄現(xiàn)象。對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行因果分析，根據(jù)分析對探究結(jié)果進(jìn)行描述，歸納形成結(jié)論。根據(jù)活動(dòng)體驗(yàn)。思考問題答案。體會(huì)科學(xué)家艱難的探索旅程，進(jìn)一步了解電與磁的概念。

設(shè)計(jì)意圖：為了促進(jìn)電流的磁效應(yīng)這一物理觀念的形成，讓學(xué)生重復(fù)奧斯特實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷探究過程，了解電流周圍存在磁場。在探究過程中，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析綜合，歸納推理，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力。利用奧斯特的相關(guān)故事，滲透物理學(xué)史，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

2. 通電螺線管

[思維引導(dǎo)]

奧斯特實(shí)驗(yàn)中，通電導(dǎo)線必須與小磁針平行且一定要在特定方向才可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)，地磁場對單根通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場影響太大，普通電流的磁效應(yīng)太小，在實(shí)際生活中我們將導(dǎo)線繞在圓筒上，做成一個(gè)螺線管，來增加導(dǎo)體的磁性。接下來我們一起來探究通電螺線管的磁場有什么特點(diǎn)。

[演示實(shí)驗(yàn)]

在螺線管穿過的玻璃板上均勻地撒滿鐵屑，再給螺線管通以電流并輕輕敲擊玻璃板面，觀察玻璃板面上鐵屑的分布情況（如圖2）。改變電流方向，再觀察一次。

[現(xiàn)象歸納]

通電螺線管的鐵屑分布與條形磁體相似，兩頭密中間疏（如圖3）。

[交流心得]

通電螺線管的磁場分布與條形磁鐵相似，也有兩個(gè)磁極。

[探究性實(shí)驗(yàn)]

[提出問題]

通電螺線管的磁極與哪些因素有關(guān)？

[猜想與假設(shè)]

磁極可能與電流方向有關(guān)，還可能與螺線管的繞線有關(guān)等。

[設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)]

（1）實(shí)驗(yàn)中需要測量哪些物理量，利用什么實(shí)驗(yàn)儀器？

需要測量通過通電螺線管的電流方向，直接記錄數(shù)據(jù);測量通電螺線管的磁極，利用小磁針判斷方向。需要利用的儀器有：電源、導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、小磁針（至少4個(gè)）、不同纏繞方向的螺線管每樣一個(gè)。

（2）改變通電螺線管的電流方向都有什么方法？

改變接入電源的正負(fù)極方向;改變通電螺線管的纏繞方向。

（3）按照分析，把不同的電路圖畫出來（如圖4）。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]

指導(dǎo)學(xué)生按照電路圖連接實(shí)驗(yàn)儀器，在通電螺線管的外部放一些小磁針，利用不同繞線的螺線管，改變電流方向，確定通電螺線管的磁極。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果把通電螺線管的N極和S極在圖4中標(biāo)出。

[分析與論證]

當(dāng)通電螺線管的電流方向改變時(shí)，小磁針N極的指向也發(fā)生改變。通電螺線管兩端的極性與其中的電流方向有關(guān)。電流方向改變，極性對調(diào)。

[交流與合作]

指導(dǎo)學(xué)生分小組匯報(bào)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究問題、過程與結(jié)果，不同小組之間進(jìn)行評價(jià)，小組內(nèi)進(jìn)行自我反思和評價(jià)，并撰寫探究報(bào)告。

學(xué)生活動(dòng)：了解螺線管的相關(guān)知識(shí)。觀察鐵屑的排列情況，畫出通電螺線管的磁感線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，類比條形磁鐵與通電螺線管磁場的分布，得出結(jié)論。猜想通電螺線管的磁極與電流方向和螺線管的繞線等有關(guān)。聆聽老師介紹，分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行操作。嘗試畫出電路圖。通過實(shí)驗(yàn)，判斷通電螺線管的N極和S極，并標(biāo)在圖中。對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行因果分析，根據(jù)分析對探究結(jié)果進(jìn)行描述，歸納形成結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：利用演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來探究通電螺線管的磁場特點(diǎn)這一物理觀念，總結(jié)通電螺線管的磁場分布與條形磁鐵磁場分布相似，學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法——類比法。在探究實(shí)驗(yàn)中，通過提出問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并獲取實(shí)驗(yàn)信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋等探究實(shí)驗(yàn)的基本步驟，讓學(xué)生了解探究實(shí)驗(yàn)的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力。利用圖像法把實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行因果分析，推理得出結(jié)論，并將結(jié)果進(jìn)行表達(dá)，討論交流，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和語言表達(dá)能力，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

3. 安培定則

[提出問題]

通電螺線管外部磁場的方向與電流方向存在什么規(guī)律？

[現(xiàn)象歸納]

通電螺線管外部磁場的N極方向始終在螺線管電流方向的左邊;通電螺線管外部磁場的S極方向始終在螺線管電流方向的右邊。

[討論交流]

采用什么辦法可以簡便地判定通電螺線管的磁性與電流的關(guān)系？

[課件展示]

介紹安培定則并用動(dòng)畫展開安培定則教學(xué)。安培定則：用右手握住螺線管，讓四指彎曲的方向跟螺線管中電流的方向一致，則大拇指所指的那端就是通電螺線管的N極（如圖5）。

學(xué)生活動(dòng)：嘗試用自己的方法把這種關(guān)系表達(dá)出來。通過圖片和文字理解安培定則。

設(shè)計(jì)意圖：利用動(dòng)畫課件學(xué)習(xí)安培定則這一物理觀念，安培定則是由規(guī)律上升為一種判定法則。本節(jié)課沒有直接呈現(xiàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)家總結(jié)現(xiàn)象的能力，滲透科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

4. 結(jié)束新課

利用這節(jié)課的知識(shí)分析電鈴的工作原理。（如圖6）和（如圖7）

學(xué)生活動(dòng)：嘗試用自己的方法把這種關(guān)系表達(dá)出來。通過圖片和文字理解安培定則。

設(shè)計(jì)意圖：通過解決生活中電鈴實(shí)際問題來促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

六、 教學(xué)反思

（一） 發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)要依托具體的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合不同的教學(xué)內(nèi)容，其側(cè)重點(diǎn)不同。絕不能認(rèn)為這些教學(xué)內(nèi)容所承擔(dān)的核心素養(yǎng)是唯一和孤立的。物理學(xué)科核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面的要素組成。在這四個(gè)要素中，物理觀念是知識(shí)的內(nèi)化，是其他核心素養(yǎng)的基礎(chǔ);科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力;科學(xué)態(tài)度和責(zé)任是必備品格。四個(gè)方面相互依賴，共同發(fā)展。本節(jié)課由電流的磁效應(yīng)、通電螺線管的磁場和安培定則三個(gè)核心概念組成，電流的磁效應(yīng)側(cè)重于物理觀念的形成;通電螺線管的磁場側(cè)重于科學(xué)探究能力的培養(yǎng);安培定則側(cè)重于物理觀念的形成和應(yīng)用。在促進(jìn)電流的磁效應(yīng)這一物理觀念形成的教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過探究實(shí)驗(yàn)了解電流的磁效應(yīng)，利用物理學(xué)史加深對電流的磁效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，過程中培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析能力，發(fā)展科學(xué)思維，形成良好的科學(xué)態(tài)度。

（二） 注重實(shí)驗(yàn)探究形成知識(shí)的過程。把奧斯特實(shí)驗(yàn)由演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生對通電直導(dǎo)線的感性認(rèn)識(shí)。通過奧斯特實(shí)驗(yàn)，體會(huì)科學(xué)家艱難的探索旅程，感悟物理實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)和求實(shí)的必要性。在通電螺線管和安培定則的教學(xué)過程中，通過語言交流與評價(jià)，讓學(xué)生慢慢學(xué)會(huì)概括探究的結(jié)果，提高學(xué)生對探究結(jié)果的概括能力?？茖W(xué)探究是一個(gè)過程，是一種學(xué)習(xí)方式和科研探究方式，是學(xué)習(xí)物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的手段和途徑，同時(shí)，也是一種綜合的能力。

（三） 本節(jié)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)方面涉及較多，對安培定則的應(yīng)用涉及較少，需要在下一節(jié)課進(jìn)行補(bǔ)充;可以適當(dāng)拓展電磁繼電器方面的內(nèi)容，滲透STSE教育。

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