巧用磁力小火車進(jìn)行“電流的磁效應(yīng)”的探究性教學(xué)

劉紫微，黃彥媚，陳 剛

華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海200062

1 問題的提出

有關(guān)“電流的磁效應(yīng)”知識，人教版初中物理教材中是以奧斯特實(shí)驗為基礎(chǔ)來講授的。筆者認(rèn)為，在高中階段講解“電流的磁效應(yīng)”時，除了采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法之外，也可以著眼于科學(xué)方法的教學(xué)和科學(xué)思維的培養(yǎng)。筆者建議，不妨在高中采用比較新奇的磁力小火車實(shí)驗進(jìn)行“電流的磁效應(yīng)”的探究性教學(xué)，加深學(xué)生對知識的理解，為后面安培力、電磁感應(yīng)等一系列物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)做好鋪墊，并進(jìn)一步落實(shí)核心素養(yǎng)的要求。

2 教學(xué)過程

2.1 新課引入

“磁力小火車”是一個有趣的裝置，它是將兩個扁圓柱形的磁鐵片分別吸在電池的兩極，再把電池放進(jìn)銅線圈內(nèi)（如圖1、圖2），松手后，電池開始運(yùn)動，快速穿過線圈，從另一端沖出后停下。

教師可在新課引入環(huán)節(jié)中進(jìn)行上述演示實(shí)驗，也將此實(shí)驗作為后續(xù)的教學(xué)材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

圖1 磁力小火車立體結(jié)構(gòu)圖

圖2 磁力小火車成品圖

設(shè)計意圖：選用與奧斯特實(shí)驗不同的新穎教學(xué)材料，可以避免學(xué)生的機(jī)械記憶，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 科學(xué)探究1：獲得子結(jié)論“是磁力使電池開始運(yùn)動的”

【提出問題】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生明確要研究的問題。教師進(jìn)行上述演示實(shí)驗后，可提出問題：為什么電池會在銅線圈里運(yùn)動呢？

【猜想與假設(shè)】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生猜測出研究對象或?qū)傩缘挠绊懸蛩?。教師引?dǎo)學(xué)生假設(shè)與猜測：

生：電池從靜止開始運(yùn)動，運(yùn)動狀態(tài)改變，說明受到了力的作用。

師：那使電池開始運(yùn)動的力可能是什么力呢？

生1：電池是沿水平方向開始運(yùn)動的，說明其受到水平方向的力。

生2：電池在水平方向上好像沒有接觸到物體，所以這個力應(yīng)該是非接觸力。

生3：非接觸力一般有重力和磁力，重力是豎直方向上的，所以使電池開始運(yùn)動的力可能是磁力。而且水平方向上，電池兩極也吸了磁鐵。

【規(guī)劃研究方案】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生形成研究的方案。在上一環(huán)節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)得出猜想：使電池開始運(yùn)動的力可能是磁力。在本環(huán)節(jié)學(xué)生應(yīng)該可以想到遵循差異法來規(guī)劃方案，即改變電池受力情況，再觀察和分析電池的運(yùn)動狀態(tài)變化。

師：那你們能用什么方案驗證是不是磁力使電池開始運(yùn)動的呢？

生：需要做兩次實(shí)驗，第一次電池受到磁力，第二次電池不受磁力，但其他變量要保持一致。如果第一次電池運(yùn)動而第二次不動，則說明是磁力使電池開始運(yùn)動的。

【設(shè)計并進(jìn)行實(shí)驗】

本環(huán)節(jié)目的是幫助學(xué)生形成用于研究問題的實(shí)驗。

由于在課堂教學(xué)中提供了基本的實(shí)驗裝置，如：銅線圈、電池、兩個扁圓柱形的磁鐵片、兩個扁圓柱形的銅片（無磁性）等，也就是測量的技能都是確定的，在此基礎(chǔ)上可遵循設(shè)計實(shí)驗通用策略來設(shè)計實(shí)驗（見表1）。

表1 設(shè)計實(shí)驗通用策略的運(yùn)用

確定好實(shí)驗步驟后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗并記錄兩次實(shí)驗結(jié)果。

【獲得結(jié)論】

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用差異法（見表2）獲得子結(jié)論：是磁力使電池開始運(yùn)動的。

表2 運(yùn)用差異法獲得子結(jié)論

設(shè)計意圖：讓學(xué)生在科學(xué)方法的指引下，經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，獲得子結(jié)論，為接下來結(jié)論1的獲得奠定基礎(chǔ)，有助于學(xué)生理解知識。

2.3 科學(xué)探究2：獲得結(jié)論1“通電導(dǎo)線周圍存在磁場”

【提出問題】

師：在初中階段，我們經(jīng)過學(xué)習(xí)已經(jīng)知道，放入磁場的磁體會受到磁力的作用。吸了磁鐵的電池受到磁力，說明周圍存在磁場。那周圍的磁場是從哪里來的呢？

【猜想與假設(shè)】

此時，學(xué)生因不具備相關(guān)知識，很難做出假設(shè)與猜測，只能瞎猜。因而，教師可呈現(xiàn)如下演示實(shí)驗，并提醒學(xué)生注意觀察與歸納。

師：同學(xué)們注意觀察，我把吸了磁鐵的電池放在線圈外，它會運(yùn)動嗎？

生：不會。

師：那一端放在線圈內(nèi)，一端放在線圈外呢？

生：不會。

師：那兩端都放在線圈內(nèi)呢？

生：會，電池動起來了。

師：那電池穿過線圈，從線圈另一端沖出后，電池還會運(yùn)動嗎？

生：電池停下來了，不再運(yùn)動。

師：上面這幾種情況有什么特點(diǎn)？

生：只有電池整個進(jìn)入線圈，兩端都接觸到線圈后，電池才會開始運(yùn)動。

師：這種情況有什么特殊性？

生：電池的正負(fù)極通過線圈被連起來了！

師：也就是說，這種情況下，電池的正極通過導(dǎo)電的磁鐵和銅線圈，與電池的負(fù)極相連，形成了回路，線圈中產(chǎn)生了電流。

師：現(xiàn)在你們猜測周圍的磁場可能是從哪里來的呢？

生：可能是電流產(chǎn)生的磁場。

【規(guī)劃研究方案】

得出猜想后，學(xué)生同樣可以想到遵循差異法來規(guī)劃方案，即改變回路的通電情況，再觀察和分析電池的運(yùn)動狀態(tài)變化。

師：這只是我們的猜想，因為我們剛才沒有對實(shí)驗進(jìn)行嚴(yán)格的控制。你們能用什么方案驗證這一猜想呢？

生：需要做兩次實(shí)驗，第一次線圈中有電流，第二次線圈中無電流，但其他變量要保持一致。如果第一次電池運(yùn)動而第二次不動，則說明是電流產(chǎn)生了磁場。

【設(shè)計并進(jìn)行實(shí)驗】

與科學(xué)探究1類似，可遵循設(shè)計實(shí)驗通用策略，在“確定每次實(shí)驗中的條件”子環(huán)節(jié)中，第一次選用電量充足的新電池，第二次選擇電量耗盡的舊電池。

確定好實(shí)驗步驟后，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗并記錄兩次實(shí)驗結(jié)果。

【獲得結(jié)論】

教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用差異法獲得結(jié)論1：通電導(dǎo)線周圍存在磁場。其邏輯過程與表2類似。

設(shè)計意圖：聯(lián)系前面所得的子結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷第二次科學(xué)探究，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗現(xiàn)象及子結(jié)論進(jìn)行邏輯推理，獲得結(jié)論1。此外，讓學(xué)生經(jīng)歷通過環(huán)環(huán)相扣的邏輯鏈獲得結(jié)論的過程，目的是培養(yǎng)其科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

2.4 科學(xué)探究3：獲得結(jié)論2“通電導(dǎo)線磁場方向與電流方向有關(guān)”

結(jié)論2也可通過與上述類似的科學(xué)探究，運(yùn)用共變法（見表3）和演繹推理獲得，此處不再贅述。

表3 運(yùn)用共變法獲得結(jié)論2

以兩端吸有磁鐵片的電池為研究對象，將實(shí)驗現(xiàn)象作為小前提進(jìn)行演繹推理 （如表4、表5）。

表4 演繹推理1

表5 演繹推理2

通過上述演繹推理可知，電池運(yùn)動方向改變說明磁場方向改變，而通過科學(xué)探究已得出，電池運(yùn)動方向與電流方向有關(guān)，因此可以歸納得到結(jié)論2：通電導(dǎo)線磁場方向與電流方向有關(guān)。

考慮到課時等因素的限制，若讓學(xué)生完整經(jīng)歷三個科學(xué)探究難度較大，教師可根據(jù)實(shí)際情況選擇其中一個讓學(xué)生完整經(jīng)歷，另兩個進(jìn)行演示實(shí)驗，這也使教學(xué)更有彈性。

3 結(jié)語

物理教學(xué)中的實(shí)驗來源不應(yīng)局限于教材，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行開拓創(chuàng)新，做到立足于教材又超越教材，這就要求教師要善于發(fā)掘或創(chuàng)造有利于提高課堂教學(xué)效能的新穎素材[1]。本文所選用的磁力小火車材料簡單、制作簡易、趣味性強(qiáng)、效果明顯，能充分展現(xiàn)電磁驅(qū)動現(xiàn)象。在“電流的磁效應(yīng)”課堂教學(xué)中利用其搭建起“思維”的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整且有條理的科學(xué)探究過程，讓學(xué)生“帶著頭腦來探究”，而非“帶著雙手來探究”，能有效幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。