在實驗中促進認知 在合作中生長思維
——以“電流的磁場”教學為例

趙妍妮 許 志

(1. 南京外國語學校仙林分校，江蘇 南京 210023；2. 江蘇省南京市教學研究室，江蘇 南京 210001)

1 教學設計總體定位

磁場作為一種較為抽象的物質形態，初中生一般很難理解其內涵，只能通過豐富多彩的磁現象來感知它的存在。而電流的磁場要求則更高，需要學生在磁場的基礎上探尋磁場的產生，分析電流產生的磁場的特點，并與之前的經驗進行對比分析，進而領悟電與磁之間的聯系。因此就該課題本身而言，所涉及的內容非常多，需要精心設計教學，選取合適的素材和方法，進行環環相扣的課堂教學。

探究通電直導線周圍的磁場和通電螺線管周圍的磁場是本節課的教學重點。根據教學目標和教學內容，本節課需要借助實驗手段輔助教學，學生通過小組合作進行實驗探究，從而發現規律，完成學習目標。如圖1所示，在每一次實驗探究中，學生不僅需要通過觀察現象得出結論，還要能夠根據問題發散思維、設計實驗，再從實驗中尋找新的思維生長點，層層遞進，不斷促進思維的生長。通過這樣的方式達成教學目標，完成教學內容，使整個教學流程一氣呵成，顯得自然流暢。

圖1

2 教學目標的逐步達成

2.1 確定思維生長原點

學生在已有的電學知識和簡單磁現象知識的基礎上，通過課前物理學史的微課學習和實驗引入，初步感受到電流與磁鐵都能吸引鐵質物體，因此猜測電流具有磁性，進而猜想電流周圍存在磁場，同時會提出兩種磁場有什么區別等有意義的物理問題。

2.2 物理概念的形成——思維的第一次生長

師：要探究電流周圍是否存在磁場，需要哪些實驗器材？

生：電池、導線、開關、小磁針。

師：如何進行實驗操作？可能會出現什么現象？與實驗現象對應的結論是什么？

生：在導線中通入電流，如果小磁針偏轉，說明導線周圍有磁場，反之沒有磁場。

師：請大家以小組為單位動手實驗，觀察通電直導線周圍是否存在磁場。

各小組進行自主實驗探究(圖2)，在實驗操作中發現了許多意想不到的問題(表1)。學生雖然認為通電直導線周圍存在磁場，但有的小組在實驗中沒有觀察到小磁針發生偏轉，從而產生了認知沖突。

圖2

表1

師：(先選擇實驗成功的小組A，并現場投影實驗過程)請描述你們小組的實驗現象和得到的實驗結論。

生：我們觀察到直導線下方的小磁針發生了偏轉，說明通電直導線周圍存在磁場。

師：大家同意他的觀點嗎？

生：同意。

師：每個小組都觀察到了相同的現象嗎？

生：我們小組的小磁針并沒有發生偏轉。

現場投影實驗失敗的小組B、C導線和小磁針的擺放情況。

師：請大家對比以上兩組實驗，結合自己小組的實驗過程，思考如何讓小磁針在通電直導線的磁場中偏轉得更加明顯？

生1：應該先將小磁針放在直導線下方，等小磁針靜止后，再閉合開關。

生2：我們發現剛開始不應該讓小磁針和導線垂直放置，要先轉動直導線讓兩者平行，現象更明顯。

師：大家按照以上同學的建議，再次進行實驗，驗證小磁針是否偏轉得更加明顯。

活動分析：物理概念的形成要關注學生的前概念和探究過程中的認知沖突。學生通過小組評價和討論，自主總結奧斯特實驗的操作要點：將直導線架在靜止小磁針的上方，并使直導線與小磁針平行。大家再次實驗，之前失敗的小組觀察到小磁針的偏轉后，學生會感到格外驚喜。學生自主突破認知障礙，從而建立新概念，遠比教師直接講解或觀察演示實驗來得更加有效，印象也更深刻。

2.3 科學思維的養成——思維的第二次生長

師：在剛才的實驗中，你注意到小磁針偏轉的方向嗎？有什么辦法能改變小磁針偏轉的方向？

生：改變電流的方向。

師：請討論、設計簡潔有效的實驗方案并動手實驗，根據觀察到的現象能得到什么結論？

生：我們組直接把電源兩端的導線對調位置，發現小磁針N極反方向偏轉。說明通電導線周圍的磁場方向與電流方向有關。

活動分析：科學思維的養成要讓學生不斷面臨新問題和研究的困惑，繼而思考解決的方案并動手實驗，加以驗證。如果教師直接進行演示實驗，表面上看教學很順利，但學生的認知和思維都會錯失一次“天賜良機”。每當推進下一項探究活動時，教師應與學生一起明確“我們要研究的問題”，這是突破困境時的有效思維方法。學生在潛移默化中，才能養成這樣思考問題的習慣。

2.4 知識應用的教學——思維的第三次生長

師：大家除了觀察到小磁針的偏轉，是否還觀察到其他的現象？

生：剛開始我們將小磁針放在靠近導線兩端的位置，小磁針雖然偏轉不明顯，但卻有一端向上翹起來。

師：這個現象非常珍貴，大家想想這可能是什么原因？

生：小磁針可能受到向上的磁力。

師：大家能否根據該現象，猜想通電直導線周圍的磁場有怎樣的特點？

生：通電直導線的磁場應該是立體的，在導線的周圍都有磁場。

師：小磁針不好懸空放置，如何用簡單的方法觀察到通電直導線周圍磁場的空間分布？

生：把通電直導線豎直插在一個平面上，多放幾個小磁針。

教師在討論后演示實驗(圖3)。

圖3

師：除了放小磁針，還有其他能顯示磁場分布特點的辦法嗎？

生：在平面上撒鐵屑。

活動分析：知識應用的教學要給學生留有思索的空間，不斷激勵學生思考能否用所學的知識解決新問題。教師在學生自主實驗的匯報中，應善于抓住與后續學習相關聯的現象或沖突，激發學生進一步思考產生該現象的原因或解決新問題的辦法。從而不斷打破學生原有認知結構，從點到面再到空間逐步引導學生思維的進階。

2.5 核心素養的滲透——思維的第四次生長

師：請大家繼續思考，如何增強通電直導線周圍的磁場強度？

生：導線長一點、粗一點，電路中電流大一點……

師：在有限空間內，如何改變直導線的形狀，使電流產生的磁場更強？

生：就像滑動變阻器一樣，將直導線繞在圓筒上，接入電路。

師：利用所提供的器材，將導線繞在圓筒上制成螺線管，分組實驗，探究通電螺線管外部的磁場方向(圖4)。

圖4

A和B兩個實驗小組采用不同的繞線方式，利用8個小磁針設計實驗，然后自主觀察通電螺線管外部的磁場方向。

師：請簡單描述通電螺線管外部磁感線的形狀。

生：和條形磁鐵的磁感線很像。

師：請大家思考，能否使用其他的方式，多角度驗證通電螺線管外部的磁場分布和條形磁鐵相似？

生：在通電螺線管周圍撒鐵屑。

除此之外，還可以使用DIS傳感器現場展示通電螺線管的磁場強弱，從中軸線上距螺線管較遠的點向螺線管靠近的過程中磁場逐漸增強，說明與條形磁鐵在磁場強度的變化上相似，再利用中空的立體磁感線演示儀展示通電螺線管和條形磁鐵的磁場在空間分布相似。

師：請各小組在黑板上標出本組實驗中通電螺線管的N、S極和電流方向。然后仔細觀察黑板上的4幅圖，你能總結出判斷通電螺線管極性的方法嗎？

生：如圖5所示，從正面看過去，水平放置的通電螺線管如果電流向上，N極就在左邊；電流向下，N極就在右邊。所以口訣“上左下右”方便記憶。

圖5

師：你與物理學家安培一樣，都發現了物理學中的對稱美和簡潔美!

活動分析：要通過課堂教學逐步引導學生形成正確的價值觀，用辯證的眼光看待科學的世界，用發展的眼光看待科學的進程，用審美的眼光看待科學的成果。實驗教學中應引導學生多角度探究問題，得到結論慎用“一步到位”，要從不同的維度對實驗現象進行對比和分析，最終得到解決該類問題的多種方法或總結得出一般規律。

3 總結反思

由上述分析可知，在初中物理實驗教學過程中，教師需要明確學生的思維生長原點，教師的任務是要通過課堂教學讓不同層次的學生在原有能力基礎上有所“進階”，因此需要提出精心設置的問題串，引導學生在原點的基礎上進行認知的生成和思維的生長，在實驗過程中自主轉變錯誤認知，不斷更新認知框架，從而促進學習的發生，提升學生的物理學科核心素養。