優(yōu)化《磁鐵的兩極》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)以學(xué)生親身經(jīng)歷的探究活動(dòng)為核心，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)探究的重要載體。學(xué)生通過(guò)親身經(jīng)歷科學(xué)實(shí)驗(yàn)，了解科學(xué)探究的具體方法和技能，理解基本的科學(xué)知識(shí)、發(fā)現(xiàn)和提出生活實(shí)際中的簡(jiǎn)單科學(xué)問(wèn)題，并能嘗試用科學(xué)方法和科學(xué)知識(shí)予以解決，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中提高科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度。因此，小學(xué)生進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)，按其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫矫黠@的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能推出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。然而教材給出的部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)與事實(shí)相違背的結(jié)論。比如教科版（2018年版）的二年級(jí)下冊(cè)第一單元第二課《磁鐵的兩極》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在此種問(wèn)題。本課實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到條形磁鐵的磁力分布是兩端大，中間磁力小。但是按照其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，磁鐵南北極的中間部位，磁力特別的微弱，不能被檢測(cè)出來(lái)，因此很容易得出結(jié)論：條形磁鐵兩端磁力最大，條形磁鐵的中間部位沒(méi)有磁性。很顯然“磁鐵中間部位沒(méi)有磁性”這一結(jié)論與客觀事實(shí)相違背。由此可見(jiàn)，教材的部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。《磁鐵的兩極》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)過(guò)程在文中將被詳細(xì)的論述，以說(shuō)明優(yōu)化小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路。

一、研究教科版教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

《磁鐵的兩極》實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是：磁鐵上的磁力大小是不相同的，磁力最強(qiáng)的部分稱為磁極；條形磁鐵的磁力分布是兩端磁力大，中間磁力小。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，教科版教材設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，具體介紹如下：

（一）感受磁性

先將條形磁鐵放置桌面上，用手拿著回形針在條形磁鐵的各個(gè)部位移動(dòng)，感受條形磁鐵各個(gè)部位的磁力大小。通過(guò)這個(gè)活動(dòng)，學(xué)生能清楚地感受都“條形磁鐵兩端磁力大”。但對(duì)于中間部位磁力是否有磁力卻又不同意見(jiàn)：有學(xué)生認(rèn)為，回形針?lè)旁诖盆F的中間部位，握住回形針的手沒(méi)有感受到磁鐵的磁力。有的學(xué)生認(rèn)為，條形磁鐵中間部位是有磁力的，只是磁力太小，所以感受不到磁鐵磁力的存在。條形磁鐵中間部位是否有磁力存在爭(zhēng)議，因此教材又設(shè)計(jì)了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

（二）等距離靠近法

平放一根條形磁鐵，在離條形磁鐵同等距離的地方平放五個(gè)回形針，輕輕推動(dòng)條形磁鐵向回形針平行移動(dòng)（條形磁鐵移動(dòng)過(guò)程中，條形磁鐵要保持和回形針平行），磁力最強(qiáng)的部分能最快吸引回形針。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)期待出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：磁鐵在前進(jìn)的過(guò)程中，磁鐵兩端的回形針最快被吸引住，越往磁鐵中間，回形針被吸引住越往后。然而按照教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題現(xiàn)象。問(wèn)題現(xiàn)象一：條形磁鐵兩端不是同時(shí)吸引住回形針，而往往是一端還沒(méi)有吸住回形針，另外一端在距離更遠(yuǎn)的時(shí)候就已經(jīng)吸引住回形針。問(wèn)題現(xiàn)象二：條形磁鐵的一端靠近中間位置，比另一端末端位置更快吸引住回形針。

問(wèn)題現(xiàn)象一容易給學(xué)生造成錯(cuò)誤觀念：磁鐵兩端的磁力大小不同。問(wèn)題現(xiàn)象二容易得出“中間部位比另一端末端磁性強(qiáng)”與教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)相違背的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤是因?yàn)樵谄揭茥l形磁鐵中，條形磁鐵不能絕對(duì)地保持與5個(gè)回形針平行，只要磁鐵出現(xiàn)一點(diǎn)傾斜，就會(huì)出現(xiàn)“一端末端先吸住回形針” “靠近中間部位比另一端末端更快吸住回形針”的結(jié)果。

（三）鐵粉-分布法

將條形磁鐵放在裝有鐵粉的密封盒上部，“輕輕”晃動(dòng)鐵粉。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)期待的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：輕輕晃動(dòng)鐵粉盒，能清晰看到鐵粉大部分被吸引在兩端，越往磁鐵中間部位，鐵粉的數(shù)量逐漸遞減，而且磁鐵中間部位是能吸引住鐵粉。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)條形磁鐵兩端磁力最大，然后向中間逐漸減小，最中間磁力最小，同時(shí)讓學(xué)生建立起磁場(chǎng)的概念。然而按照教材方法使用小牛頓提供的鐵粉反復(fù)進(jìn)行操作：鐵粉只被磁鐵的兩端吸引住，磁鐵中間部位根本沒(méi)有吸引住鐵粉！根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)生很容易得出，條形磁鐵中間部位沒(méi)有磁力這一錯(cuò)誤結(jié)論。

二、研究其他版本教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的研究應(yīng)當(dāng)全面、廣泛，不僅要將深圳地區(qū)使用的教科版教材納入研究，也應(yīng)當(dāng)將國(guó)內(nèi)使用較為廣泛的教材都納入研究。除教科版外，目前國(guó)內(nèi)較為流行的小學(xué)科學(xué)教材版本包括：廣東教育出版社（粵教版）、江蘇教育出版社（江蘇版）、湖南科學(xué)技術(shù)出版社（湘教版）、大象出版社（大象版）、湖北教育出版社（鄂教版）、青島出版社（青島版）、首都師范出版社（首師版）。各個(gè)版本的新舊教材關(guān)于“磁鐵的磁極”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)被逐個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，尋找磁鐵磁極的方法可歸為三類：吸引法、分布法、懸掛法。（一）吸引法：直接用磁鐵的不同部位去吸引回形針、鋼針、鐵釘?shù)冗@類鐵制物品，根據(jù)磁鐵不同部位吸引鐵制物品的數(shù)量來(lái)判斷磁力的大小。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的操作方法是將磁鐵接近小鐵制品，小鐵制品會(huì)被磁鐵吸引。該實(shí)驗(yàn)方法，能觀察到磁鐵的兩個(gè)磁極能吸引住很多小鐵制品，但是其他部位根本不能吸引住小鐵制品。（二）分布法：用磁鐵直接靠近一堆回形針、鋼針等類似的小物體或者直接靠近鐵粉等，觀察小物體在磁鐵周圍重新分布體。該實(shí)驗(yàn)?zāi)芮宄吹?，小物體會(huì)向磁極聚攏，磁極部位吸引的小物體數(shù)量最多，磁鐵的其他部位幾乎不吸引小物體。用鐵粉作為小物體，能觀察到磁鐵的每個(gè)部位都吸引住了鐵粉。懸掛法：在磁鐵的不同位置懸掛回形針，觀察不同部位懸掛回形針的個(gè)數(shù)，從而找出條形磁鐵磁力最大的地方。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能清楚觀察到：磁極部位能緊緊地懸掛著數(shù)量較多的回形針，但是磁鐵的其他部位一個(gè)回形針都不能被懸掛住。由此，教材給出的所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都能很輕松地找到磁鐵的磁極。但是磁鐵南北極的中間部位，磁力特別的微弱，除“鐵粉-分布法”能觀察到磁鐵的每個(gè)部位都吸引住了鐵粉外，其他所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都不能將條形磁鐵中間部位磁力檢測(cè)出來(lái)。由此可見(jiàn)，目前我國(guó)教材《磁鐵的兩極》的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能很容易找出磁極，但是也容易得出“條形磁鐵中間部位沒(méi)有磁力”這一錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

三、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合所有版本教材關(guān)于《磁鐵的磁極》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探究條形磁鐵各個(gè)部位的磁力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)分為兩步走：第一步：尋找磁極，找出磁鐵中磁力最強(qiáng)的部位，即找出磁鐵的磁極；第二步：探究磁鐵中間部位是否也有磁力。兩步走的新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅能找到磁極，也能在層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探究磁鐵不同部位的磁力大小。

（一）尋找磁極

在前期大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)操作難度最低和實(shí)驗(yàn)效果最明顯的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該是“回形針-分布法”。因此將“回形針-分布法”作為第一步“尋找磁極”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案最為合適。尋找磁極的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹如下：

1.實(shí)驗(yàn)原理。條形磁鐵的兩端吸引的回形針數(shù)量多，因此兩端磁力最強(qiáng)是磁鐵的磁極。

2.實(shí)驗(yàn)材料。磁鐵條形（規(guī)格：重量189.65g，長(zhǎng)175mm，寬18mm，高8mm）；一個(gè)塑料容器（長(zhǎng)216mm，寬172mm，高24mm）；回形針：約300支。

3.實(shí)驗(yàn)步驟。（1）把條形磁鐵放在裝了約300支回形針的塑料容器中。（2）條形磁鐵每部分充分接觸回形針。（3）將條形磁鐵輕輕拿起。

此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能清楚地觀察到：條形磁鐵的兩端吸引回形針的個(gè)數(shù)多，中間幾乎不吸引回形針；從而可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：磁鐵磁力最強(qiáng)部位稱為磁極，條形磁鐵的磁極在兩端。并且，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)材料容易獲得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行。因此，“回形針-分步法”是探究條形磁鐵磁力最強(qiáng)部位、尋找條形磁鐵磁極的最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（二）探究條形磁鐵中間是否有磁力

“鐵粉-分布法”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)在“教科版二年級(jí)下冊(cè)（2019年版）”和“青島版二年級(jí)下冊(cè)（2019年版）”。教科版的“鐵粉-分布法”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將鐵粉裝在了密封的盒子里，把條形磁鐵放在盒子的外面，輕輕晃動(dòng)鐵粉盒，觀察盒子中鐵粉被條形磁鐵吸引的現(xiàn)象。教科版的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，條形磁鐵和鐵粉隔著一層盒子，有一定的距離，條形磁鐵中間部位很容易吸引不起鐵粉，出現(xiàn)“只有磁鐵兩端能吸引鐵粉，中間不能吸引鐵粉”的現(xiàn)象。青島版中的“鐵粉-分布法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將條形磁鐵直接放入鐵粉中（鐵粉用一個(gè)沒(méi)有密封的開(kāi)放式容器裝著），再將條形磁鐵拿起，能很清楚地看到鐵粉在條形磁鐵中的分布：整個(gè)條形磁鐵都吸引住鐵粉，其中條形磁鐵兩端吸引的鐵粉最多，中間部位也能吸引少量鐵粉。青島版中的“鐵粉-分布法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能很容易推出：條形磁鐵兩端磁力最強(qiáng)是磁鐵的磁極，磁鐵的中間部位也存在磁力。但是該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題，一是顆粒狀的鐵粉會(huì)弄得到處都是，污染環(huán)境；二是鐵粉顆粒像塵埃，容易被學(xué)生吸入，造成對(duì)身體的傷害。綜合“教科版”和“青島版”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及多次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)效果，“探究條形磁鐵中間是否有磁力”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以采用“油鐵粉法”。優(yōu)化改進(jìn)后的“油鐵粉法”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具備以下的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)材料容易獲得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)安全無(wú)污染?！坝丸F粉法”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹如下：

1.實(shí)驗(yàn)原理。將適量的鐵粉、磁鐵、油放入一個(gè)密封的盒子中。將盒子中的油和鐵粉進(jìn)行充分震蕩使得鐵粉在油中均勻分布，然后靜置桌面上；鐵粉在磁鐵的作用下會(huì)重新分布，磁力強(qiáng)的部位吸引得鐵粉多，磁力弱的部位吸引得鐵粉少，并且磁鐵的周圍會(huì)形成鐵粉磁感線。

2.實(shí)驗(yàn)材料。磁鐵（規(guī)格：重量28.48g，長(zhǎng)48mm，寬13mm，高8mm）；杯子帶蓋（體積100cm3）；鐵粉1.5g～3g（粗鐵粉）；油60-75毫升。

3.實(shí)驗(yàn)步驟。（1）往杯子倒入60-75毫升的油；（2）再向油里倒入1.5g～3g鐵粉；（3）再放入條形磁鐵；（4）將杯子蓋上蓋子后充分震蕩，使得鐵粉能均勻分散在油中；（5）將杯子放在水平面上靜置一段時(shí)間，直至鐵粉不再移動(dòng)變化。（6）觀察杯子中鐵粉在油中分布。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一部分鐵粉被條形磁鐵吸引住，條形磁鐵的兩端吸引的鐵粉多，中間部位吸引的鐵粉少；同時(shí)，鐵粉在條形磁鐵周圍降落，在條形磁鐵周圍形成磁感線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：條形磁鐵兩端磁力最大，最中間磁力最小。

5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要得到明顯的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要注意以下幾個(gè)方面：一是磁鐵整體的磁力大小要與鐵粉的數(shù)量相匹配，最好選擇磁力適中，但體積小的磁鐵，如此才能節(jié)約油、鐵粉材料。二是經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選擇磁鐵（規(guī)格：重量28.48g，長(zhǎng)48mm，寬13mm，高8mm），底面直徑大于7cm、體積為100mc3的帶蓋塑料容器，很適合。三是鐵粉要適量，不能太多。太多鐵粉，被震蕩后的杯子一片黑壓壓，看不清楚鐵粉在油中移動(dòng)的過(guò)程。同時(shí)鐵粉太少，則鐵粉在條形磁鐵周圍形成的磁感線不明顯。使用鐵粉的多少，由磁鐵大小和盒子大小而決定。如果鐵粉使用量與磁鐵、油、杯子大小不相匹配，實(shí)驗(yàn)效果則大打折扣，出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也達(dá)不到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。因此，在教學(xué)之前，教師應(yīng)該做好預(yù)實(shí)驗(yàn)，摸清實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)選擇的實(shí)驗(yàn)材料規(guī)格確定鐵粉的數(shù)量。

四、總結(jié)反思

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出：義務(wù)教育科學(xué)課程具有實(shí)踐性，倡導(dǎo)以科學(xué)探究為主要學(xué)習(xí)方式。要使得科學(xué)探究高效，科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就必須嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確、科學(xué)。科學(xué)老師要清楚地認(rèn)識(shí)到，實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證科學(xué)事實(shí)。若實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，得出來(lái)的卻是與科學(xué)事實(shí)背道而馳的結(jié)果，會(huì)嚴(yán)重影響教學(xué)效果，也達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。為此科學(xué)老師必須多思考勤動(dòng)手，做好教材所給實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)實(shí)驗(yàn)；同時(shí)也要探索改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的新方法。總而言之，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路有：（一）研究所用教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。研究教材的實(shí)驗(yàn)方法，按照教材所給的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行反復(fù)操作，檢驗(yàn)教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否能得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是否能達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。（二）研究其他版本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。將國(guó)內(nèi)流行的各個(gè)版本的新舊教材與目標(biāo)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐個(gè)研究，對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)效果，為下一步實(shí)驗(yàn)改進(jìn)積累經(jīng)驗(yàn)，打下基礎(chǔ)。（三）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。綜合所有版本教材關(guān)于目標(biāo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，制定新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，反復(fù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探索最佳的實(shí)驗(yàn)條件和方法，并且將實(shí)驗(yàn)條件和步驟進(jìn)行細(xì)化，不僅要詳細(xì)列出實(shí)驗(yàn)步驟，還要將實(shí)驗(yàn)材料的規(guī)格、使用的量進(jìn)行明確說(shuō)明。

（項(xiàng)目基金：深圳市教育科學(xué)規(guī)劃2018年度課題，立項(xiàng)編號(hào)：ybzz18119。）

（林淑嫻，小學(xué)科學(xué)教師，全日制碩士學(xué)位，研究方向：小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。）