基于物理学科核心素养的“电流的磁场”教学设计

陈曦 徐晓梅 黄佳佳 李肖

摘 要：物理学科核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的要素构成。主要基于物理学科核心素养，尝试做了初中物理“电流的磁场”教学设计，主要探索及展示了物理学科核心素养如何制定教学目标及设计教学过程两环节。

关键词：物理学科核心素养;电流的磁场;教学设计

一、 教学任务分析

“电流的磁场”是沪科版九年级第十七章“从指南针到磁悬浮列车”课程中的内容，是初中物理电磁学部分的一个重点，它将前一节简单的磁现象和已有的电学知识联系起来，拉开了研究电磁本质联系的序幕。“电流的磁场”含有三个核心概念：电流的磁效应、通电螺线管的磁场和安培定则，这是前面简单磁现象的延伸，也是后面学习电动机的基础。在备课时，先要设计好探究问题，遵循“从一般到特殊、从易到难”的原则;在授课时，利用问题创造情境，让学生参与探究的全过程，提升物理学科核心素养。前面学生已经学习了磁体与磁场，对磁场的研究方法有一定了解，所以本节重复奥斯特实验和研究通电螺线管外部磁场的特点在方法上较容易些。

二、 教学目标

（一） 物理观念

通过奥斯特实验，了解电流周围存在磁场，认识电流的磁效应;通过探究通电螺线管外部磁场的特点，知道通电螺线管的磁场与条形磁铁的磁场相似;通过学习和交流理解安培定则，会判断通电螺线管两端的极性和通电螺线管的电流方向。

（二） 科学思维

通过奥斯特实验和探究通电螺线管磁场的特点实验，对实验现象归纳分析，体会逻辑推理是科学研究的重要方法;通过类比通电螺线管外部的磁场和条形磁铁的磁场，了解类比法的使用方法。

（三） 科学探究

重新经历奥斯特实验的探究过程，体验科学探究中的艰难历程;经历探究通电螺线管外部磁场的特点，体悟科学探究的一般过程与方法。

（四） 科学态度与责任

了解奥斯特发现电流的磁效应相关的故事，体会科学家敢于质疑、实事求是、尊重事实、尊重科学的科学态度。通过小组合作实验，使学生逐步掌握合作学习技能。

三、 教学重点与难点

（一） 教学重点

电流的磁效应、通电螺线管外部的磁场。

（二） 教学难点

用安培定则判断通电螺线管外部磁场的方向。

四、 教学准备

PPT教学课件、多媒体、电铃、小磁针、螺线管、大头针、通电螺线管周围磁感线的演示教具、电源、铜导线、滑动变阻器、两种不同缠绕方式的螺线管。

五、 教学过程

（一） 导入新课

[创设情境，提出问题]

让事先准备好的电铃响起。

提出问题：电铃一直存在我们身边，大家有没有想过电铃的工作原理？学习完这节课，同学们就能理解其中的奥秘。

利用电铃吸引铁钉，引导学生猜一猜：电铃由什么组成的？将电铃展示给学生，引导学生观察，学生没有找到磁铁，而是一个电池和一个元件组成的电路。

[思维引导]

帶电体和磁铁都能吸引铁钉，这些相似是巧合还是存在某种联系，科学家一次又一次地寻找电与磁的联系。在1820年丹麦物理学家奥斯特终于用实验验证了猜想，使电磁学进入一个新的发展时期，这节课我们来重复奥斯特实验，一起研究电生磁。

学生活动：观察电铃吸引铁钉，猜想电铃有磁铁等元件。

设计意图：通过生活中的电器作为引入，不仅能吸引学生的注意力，还能激发学生探究兴趣。

（二） 推进新课

1. 电流的磁效应

[验证性实验]

连接电路（如图1），将一根直导线平行放在小磁针的上方，给导线通电、断电，改变电流方向，观察小磁针的偏转情况。

[现象归纳]

①有部分小组实验现象不明显;②闭合开关，小磁针会发生偏转;改变导线电流方向，小磁针会发生偏转。

[交流心得]

①直导线要沿南北方向和小磁针平行放置;②电流周围存在磁场;③电流的磁场方向跟电流的方向有关。

[提出问题]

为什么直导线一定要沿南北方向和小磁针平行放置？

[答案点拨]

通电导线在南北方向时，产生的磁场和地磁场方向不同，才会使小磁针偏转。

[自主学习]

阅读奥斯特发现电流的磁效应相关的故事。奥斯特第一个发现了电与磁之间的联系;通电导线周围存在磁场，这种现象叫电流的磁效应。

学生活动：分小组进行实验，注意观察和记录现象。对实验现象进行因果分析，根据分析对探究结果进行描述，归纳形成结论。根据活动体验。思考问题答案。体会科学家艰难的探索旅程，进一步了解电与磁的概念。

设计意图：为了促进电流的磁效应这一物理观念的形成，让学生重复奥斯特实验，经历探究过程，了解电流周围存在磁场。在探究过程中，对实验现象进行分析综合，归纳推理，发展学生科学思维能力。利用奥斯特的相关故事，渗透物理学史，培养学生科学态度与责任。

2. 通电螺线管

[思维引导]

奥斯特实验中，通电导线必须与小磁针平行且一定要在特定方向才可以发生偏转，地磁场对单根通电直导线产生的磁场影响太大，普通电流的磁效应太小，在实际生活中我们将导线绕在圆筒上，做成一个螺线管，来增加导体的磁性。接下来我们一起来探究通电螺线管的磁场有什么特点。

[演示实验]

在螺线管穿过的玻璃板上均匀地撒满铁屑，再给螺线管通以电流并轻轻敲击玻璃板面，观察玻璃板面上铁屑的分布情况（如图2）。改变电流方向，再观察一次。

[现象归纳]

通电螺线管的铁屑分布与条形磁体相似，两头密中间疏（如图3）。

[交流心得]

通电螺线管的磁场分布与条形磁铁相似，也有两个磁极。

[探究性实验]

[提出问题]

通电螺线管的磁极与哪些因素有关？

[猜想与假设]

磁极可能与电流方向有关，还可能与螺线管的绕线有关等。

[设计实验]

（1）实验中需要测量哪些物理量，利用什么实验仪器？

需要测量通过通电螺线管的电流方向，直接记录数据;测量通电螺线管的磁极，利用小磁针判断方向。需要利用的仪器有：电源、导线、滑动变阻器、开关、小磁针（至少4个）、不同缠绕方向的螺线管每样一个。

（2）改变通电螺线管的电流方向都有什么方法？

改变接入电源的正负极方向;改变通电螺线管的缠绕方向。

（3）按照分析，把不同的电路图画出来（如图4）。

[进行实验]

指导学生按照电路图连接实验仪器，在通电螺线管的外部放一些小磁针，利用不同绕线的螺线管，改变电流方向，确定通电螺线管的磁极。根据实验结果把通电螺线管的N极和S极在图4中标出。

[分析与论证]

当通电螺线管的电流方向改变时，小磁针N极的指向也发生改变。通电螺线管两端的极性与其中的电流方向有关。电流方向改变，极性对调。

[交流与合作]

指导学生分小组汇报整个实验的探究问题、过程与结果，不同小组之间进行评价，小组内进行自我反思和评价，并撰写探究报告。

学生活动：了解螺线管的相关知识。观察铁屑的排列情况，画出通电螺线管的磁感线。根据实验现象，类比条形磁铁与通电螺线管磁场的分布，得出结论。猜想通电螺线管的磁极与电流方向和螺线管的绕线等有关。聆听老师介绍，分组设计实验并进行操作。尝试画出电路图。通过实验，判断通电螺线管的N极和S极，并标在图中。对实验现象进行因果分析，根据分析对探究结果进行描述，归纳形成结论。

设计意图：利用演示实验和探究实验相结合来探究通电螺线管的磁场特点这一物理观念，总结通电螺线管的磁场分布与条形磁铁磁场分布相似，学习科学思维方法——类比法。在探究实验中，通过提出問题、形成猜想与假设、设计实验并获取实验信息、基于证据得出结论并做出解释等探究实验的基本步骤，让学生了解探究实验的一般过程，培养学生科学探究能力。利用图像法把实验结果进行总结，根据结果进行因果分析，推理得出结论，并将结果进行表达，讨论交流，培养学生逻辑思维能力和语言表达能力，发展学生核心素养。

3. 安培定则

[提出问题]

通电螺线管外部磁场的方向与电流方向存在什么规律？

[现象归纳]

通电螺线管外部磁场的N极方向始终在螺线管电流方向的左边;通电螺线管外部磁场的S极方向始终在螺线管电流方向的右边。

[讨论交流]

采用什么办法可以简便地判定通电螺线管的磁性与电流的关系？

[课件展示]

介绍安培定则并用动画展开安培定则教学。安培定则：用右手握住螺线管，让四指弯曲的方向跟螺线管中电流的方向一致，则大拇指所指的那端就是通电螺线管的N极（如图5）。

学生活动：尝试用自己的方法把这种关系表达出来。通过图片和文字理解安培定则。

设计意图：利用动画课件学习安培定则这一物理观念，安培定则是由规律上升为一种判定法则。本节课没有直接呈现结果，引导学生体会科学家总结现象的能力，渗透科学思维，培养学生科学态度与责任。

4. 结束新课

利用这节课的知识分析电铃的工作原理。（如图6）和（如图7）

学生活动：尝试用自己的方法把这种关系表达出来。通过图片和文字理解安培定则。

设计意图：通过解决生活中电铃实际问题来促进物理学科核心素养的达成。

六、 教学反思

（一） 发展物理学科核心素养要依托具体的教学内容，结合不同的教学内容，其侧重点不同。绝不能认为这些教学内容所承担的核心素养是唯一和孤立的。物理学科核心素养由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的要素组成。在这四个要素中，物理观念是知识的内化，是其他核心素养的基础;科学思维和科学探究是关键能力;科学态度和责任是必备品格。四个方面相互依赖，共同发展。本节课由电流的磁效应、通电螺线管的磁场和安培定则三个核心概念组成，电流的磁效应侧重于物理观念的形成;通电螺线管的磁场侧重于科学探究能力的培养;安培定则侧重于物理观念的形成和应用。在促进电流的磁效应这一物理观念形成的教学设计中，通过探究实验了解电流的磁效应，利用物理学史加深对电流的磁效应的认识，过程中培养学生逻辑分析能力，发展科学思维，形成良好的科学态度。

（二） 注重实验探究形成知识的过程。把奥斯特实验由演示实验改为学生实验，增强了学生对通电直导线的感性认识。通过奥斯特实验，体会科学家艰难的探索旅程，感悟物理实验严谨和求实的必要性。在通电螺线管和安培定则的教学过程中，通过语言交流与评价，让学生慢慢学会概括探究的结果，提高学生对探究结果的概括能力。科学探究是一个过程，是一种学习方式和科研探究方式，是学习物理观念、发展科学思维、科学态度与责任的手段和途径，同时，也是一种综合的能力。

（三） 本节设计在实验方面涉及较多，对安培定则的应用涉及较少，需要在下一节课进行补充;可以适当拓展电磁继电器方面的内容，渗透STSE教育。

参考文献：

[1]李学杰.“电流的磁场”说课设计[J].中学物理教学参考，2015，44（4）：61-62.

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[3]任志鸿.初中优秀教案物理九年级[M].海南：南方出版社，2012：196-200.

[4]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：49-153.