素养导向的深度探究：电磁铁及其应用-基于浙教版初中科学八年级的教学设计

素养导向的深度探究：电磁铁及其应用——基于浙教版初中科学八年级的教学设计一、教学内容分析  本节课内容位于《义务教育科学课程标准（2022年版）》“物质科学”领域，涉及“能量的转化与守恒”大概念下的电磁相互作用。从知识图谱看，它上承“电生磁”（电流的磁效应、通电螺线管），下启“磁生电”（电磁感应）及电动机等综合应用，是构建完整电磁学认知体系的关键枢纽。核心技能要求学生能基于“控制变量法”设计并实施探究影响电磁铁磁性强弱的实验，并能运用“结构与功能相适应”的跨学科思维分析实际装置。过程方法上，本节课是训练学生“科学探究”与“工程实践”能力的绝佳载体——从发现问题、提出假设，到设计实验、分析数据，再到迁移应用解决实际问题。素养层面，电磁铁作为一项将电能转化为磁能并加以控制的技术，其广泛应用（从电磁起重机到磁悬浮列车）深刻体现了“科学技术社会环境”（STSE）的紧密联系，是培育学生科学态度、社会责任与创新意识的鲜活素材。  从学情研判，八年级学生已掌握电流的磁效应，知道通电螺线管周围存在磁场，这构成了学习的逻辑起点。然而，学生的认知障碍主要在于：其一，从“通电螺线管有磁性”到“电磁铁是可控磁性装置”的认知飞跃，需理解“铁芯”的角色及其磁化机制；其二，在探究“磁性强弱与哪些因素有关”时，多变量问题的实验设计能力（特别是如何有效控制变量）是普遍难点；其三，将抽象原理迁移至复杂的真实情境（如电磁继电器）进行分析时，存在思维建模困难。为此，教学将采取“化整为零、搭建支架”的策略：通过拆解实物模型建立直观感知；利用结构化实验任务单引导探究过程；借助动态仿真和实物剖析破解应用难题。同时，通过“观察操作研讨表达”的多元参与路径，结合过程性提问与展示，动态评估学生从概念理解到应用迁移的思维轨迹，为差异化指导提供依据。二、教学目标  知识目标：学生能完整阐述电磁铁的基本构造（线圈、铁芯）和工作原理（电流的磁效应与铁芯被磁化），并能用公式F=k·N·I（定性理解）概括其磁性强弱的主要影响因素（电流大小、线圈匝数）；能够辨析电磁铁与永磁体的本质区别（磁性的可控性），并举例说明电磁铁在生活与生产中的三类以上典型应用。  能力目标：学生能够以小组为单位，自主设计并规范完成“探究影响电磁铁磁性强弱的因素”实验，系统训练控制变量、数据记录与初步分析的能力；能够基于原理分析，拆解电磁继电器、电铃等装置的动态工作过程，并用流程图或语言清晰表述。  情感态度与价值观目标：在合作探究中，学生能主动承担角色任务，乐于分享数据与观点，养成尊重证据、严谨务实的科学态度；通过对电磁铁技术发展及其在自动化、环保中应用的学习，体会科学技术对社会发展的双重影响，初步建立技术应用的责任意识。  科学思维目标：重点发展“模型建构”与“变量控制”思想。学生能将具体的电磁铁装置抽象为“线圈铁芯电流”的可控模型；在复杂应用情境（如水位自动报警器）中，能运用系统分析思维，追踪“信号输入电磁铁动作机械输出”的因果链。  评价与元认知目标：引导学生依据实验设计的“变量控制单一性”、操作记录的“规范性”等量规进行小组互评；在课堂小结阶段，能够反思“从现象到原理，再到应用”的探究路径，并评估自己在新情境中迁移知识时所采用的策略是否有效。三、教学重点与难点  教学重点：电磁铁的可控性原理及其磁性强弱的影响因素探究。确立依据在于，这是理解所有电磁铁应用技术的基石，属于电磁学领域的核心概念（大概念）。从学业评价看，该内容是分析各类电磁应用装置工作原理的逻辑起点，是中考中高频出现的考点，且常以实验探究或综合应用题的形式考查学生的科学思维和探究能力。  教学难点：多因素影响下探究实验的方案设计，以及电磁继电器等复合装置的工作原理分析。难点成因有三：首先，学生的前概念中，对“变量控制”的理解往往停留在单一变量层面，面对电流、匝数等多因素时，思维容易混乱。其次，电磁继电器将电路控制（低压控制电路）与机械动作（高压工作电路）通过电磁铁耦合，涉及抽象的空间结构与动态过程，需要较强的逻辑推理和空间想象能力。突破方向在于提供思维脚手架，如实验设计提示卡、继电器工作过程的分步动画演示。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（含电磁起重机工作视频、电磁继电器结构动画）、电磁铁演示教具（带滑动变阻器的大号电磁铁、一盒大头针）、电磁继电器解剖模型。1.2实验器材（分组）：学生电源、滑动变阻器、开关、导线、铁钉（作铁芯）、不同匝数的漆包线圈（如50匝、100匝）、电流表、一小盒回形针（用于吸引数量表征磁性强弱）。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础性实验记录表与挑战性拓展问题）、课堂巩固练习活页、小组合作评价量规。2.学生准备2.1知识准备：复习“电流的磁效应”及“通电螺线管磁场方向判断（安培定则）”。2.2物品准备：科学笔记本、笔。3.环境布置3.1座位安排：四人一组，U型排列，便于讨论与实验操作。3.2板书记划：左侧预留原理区，中部为探究过程与结论区，右侧为应用实例分析区。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题激疑1.1（教师播放一段工厂里电磁起重机搬运废钢铁的短视频）同学们，请看这个“大力士”，它一下子能吸起数吨重的钢铁，但又能瞬间“放手”。大家想一想，“这个‘大力士’的力量来源是什么？它凭什么能如此‘听话’，说吸就吸，说放就放？”1.2（展示一个自制电磁铁模型，通电后吸引一串铁质物体，断电后物体掉落）我们现场来感受一下。看，通电，吸起来了；断电，掉下去了。“这和你们以前玩过的吸铁石（永磁体）有什么根本不同？”（引导学生说出“磁性可以控制”）。2.提出核心问题与路径导引2.1这个神奇的装置就是“电磁铁”。它的“魔力”到底从何而来？我们如何才能掌控它的“力量”大小？今天这节课，我们的核心任务就是：拆解电磁铁的奥秘，并成为掌控这股“磁力”的设计师。2.2我们的探索之路分三步走：第一，解剖观察，认识它的基本构造；第二，实验探究，找出控制其磁力大小的关键“旋钮”；第三，迁移解密，用我们发现的原理去解开电磁继电器等更多应用之谜。大家准备好了吗？让我们从第一步开始。第二、新授环节任务一：拆解与初识——电磁铁的构造奥秘教师活动：首先，分发各组一个已制好的简易电磁铁（线圈绕在铁芯上）。教师提问引导：“请同学们先不要通电，仔细观察并用手感受，它由哪几部分组成？和普通的螺丝钉有什么不同？”接着，请一名学生描述观察结果。教师板书核心部件：“线圈（螺线管）”和“铁芯”。然后，进行对比演示：给一个空心通电螺线管（无铁芯）通电，尝试吸引大头针，吸引力很弱；再将铁芯插入，吸引力大幅增强。教师设问：“铁芯的到来，究竟扮演了什么‘角色’？是它自己产生了磁场，还是它让原有的磁场发生了改变？”引导学生回顾“磁化”概念，理解铁芯被线圈磁场磁化后，其自身也成为一个强磁体，从而大幅增强了整体磁性。最后，教师精讲并板书核心原理：电磁铁=通电螺线管+铁芯（被磁化），其磁性通电产生，断电消失，具有可控性。学生活动：分组观察电磁铁实物，触摸、讨论其组成。观看教师对比演示，对比有无铁芯时吸引力的巨大差异。思考并尝试解释铁芯的作用，联系已学的“磁化”知识进行组内交流。一名代表发言描述构造并初步解释铁芯的增强作用。即时评价标准：1.观察描述是否准确、全面（能否指出线圈和铁芯）。2.对铁芯作用的解释是否尝试运用了“磁化”等已有概念。3.小组讨论时，成员间是否有倾听和补充。形成知识、思维、方法清单：★核心构造：电磁铁由线圈（通常为绝缘导线绕成的螺线管）和软铁芯构成。线圈通电是磁场的源头，铁芯被磁化后极大地增强了磁场强度和集中度。“记住，它们是搭档，缺一不可。”★核心特性——可控性：电磁铁的磁性由电流的通断来控制。这是它与永磁体最本质的区别。“正是这个‘开关’特性，让它成了自动控制领域的‘明星’。”▲思维方法——对比观察：通过对比实验（有铁芯vs无铁芯）是揭示关键因素（铁芯）作用的强大科学方法。要学会主动设计对比。任务二：探究与建模——磁性强弱的“掌控之道”教师活动：提出驱动性问题：“怎样让这个电磁铁的‘力气’变得更大？你能想到哪些可能的方法？”收集学生猜想（电流大小、线圈匝数、铁芯粗细等），并引导聚焦到“电流大小(I)”和“线圈匝数(N)”两个核心变量。接着，抛出挑战：“如何用实验验证你的猜想？注意，我们要研究其中一个因素时，另一个因素怎么办？”引导学生复习“控制变量法”。教师分发结构化实验任务单，提供基础组（验证电流或匝数单一影响）和提高组（系统探究两者影响并尝试寻找关系）两种方案供小组选择。巡视指导，重点观察：1.电路连接是否正确（特别是电流表、滑动变阻器的接法）；2.是否真正做到了控制变量（如研究电流时，是否换用了不同匝数线圈）；3.数据记录是否规范。收集典型数据，准备展示。学生活动：小组讨论，提出猜想并说明理由。回顾控制变量法的要点。根据本组能力选择实验方案，协作完成电路连接与实验操作。通过观察吸引回形针的数量来定性比较磁性强弱（提高组可尝试用传感器定量测量），并认真记录数据。分析数据，初步归纳结论。即时评价标准：1.实验方案是否体现了“控制变量”的思想。2.实验操作是否安全、规范（如电路检查、电流调节）。3.数据记录是否真实、完整、清晰。4.小组成员分工是否明确，协作是否高效。形成知识、思维、方法清单：★影响因素：在铁芯相同的情况下，电磁铁的磁性强弱主要取决于电流大小(I)和线圈匝数(N)。电流越大，磁性越强；匝数越多，磁性越强。“这就像给电磁铁‘加油’（增大电流）和‘增加人手’（增多匝数），都能让它更有劲。”★核心方法——控制变量法：这是探究多因素问题的金钥匙。必须明确：研究电流影响时，保持匝数、铁芯不变；研究匝数影响时，保持电流、铁芯不变。“每次只改变一个‘嫌疑人’，才能锁定真正的‘原因’。”▲初步建模：磁性强弱(F)与电流(I)、匝数(N)的定性关系可表示为F∝I·N（正比关系）。这为理解电磁铁的工程设计提供了简化模型。任务三：归纳与整合——从数据到原理教师活动：邀请两个不同方案的小组上台展示他们的实验数据、现象和结论。教师引导全班共同审视数据的可靠性，并追问：“从这些数据中，我们能发现电流和匝数对磁性的影响是简单的叠加，还是可能存在更紧密的关系？”结合学生的发现，教师进行整合性讲解，明确双重影响关系，并指出在实际工程中，通过调节滑动变阻器（变电流）或切换抽头（变匝数）来灵活控制磁力。“你们看，通过实验，我们真的找到了掌控磁力大小的两个‘旋钮’！”学生活动：展示小组清晰汇报本组的探究过程、数据和结论。其他小组认真倾听、质疑或补充。全体学生整合不同小组的发现，形成完整认知：电流和匝数都能显著影响磁性，且二者共同作用。即时评价标准：1.汇报是否条理清晰，结论是否有数据支撑。2.台下学生能否提出有见地的疑问或补充。3.能否将各组的发现进行整合，形成系统认识。形成知识、思维、方法清单：★综合结论：电磁铁磁性强弱由电流与匝数共同决定。这是一个综合性结论，解释应用现象时必须同时考虑这两个变量。“分析问题要全面，不能只看一个方面。”▲应用启示：通过调节电路中的电阻（改变电流）或使用带有抽头的线圈（改变接入匝数），可以实现对电磁铁磁力的连续或分级调节。这是其实现自动控制和精密调节的基础。★易错提醒：铁芯材料（软铁）的选择至关重要，它需要易于磁化和退磁。如果用钢芯，磁性不能随电流即时消失，就失去了“可控”的优势。任务四：拓展与深化——极性的奥秘教师活动：快速衔接：“我们控制了磁性的有无和强弱，那它的方向（极性）能否控制呢？”演示：改变电源正负极的连接，用悬挂的小磁针靠近电磁铁的一端，观察磁针指向的变化。提问：“你观察到了什么？电磁铁的极性与什么有关？如何判断？”引导学生运用安培定则（右手螺旋定则）进行判断，并得出结论：电磁铁的极性由电流方向决定，改变电流方向，其极性随之改变。学生活动：观察演示实验现象。动手用右手螺旋定则判断自己组装的电磁铁在两种电流方向下的N、S极，并与实验现象（吸引/排斥小磁针特定极）进行验证。即时评价标准：1.能否准确描述演示实验中的现象变化。2.能否正确运用安培定则判断极性，并将判断结果与实验现象对应。形成知识、思维、方法清单：★极性控制：电磁铁的极性（N/S极）由线圈中的电流方向决定。遵循安培定则（右手螺旋定则）。“电流方向一转，南北极就对调，这给它的应用又增加了一个灵活度。”▲系统性认识：至此，我们对电磁铁的控制达到了全面化：通断控有无、电流（匝数）控强弱、方向控极性。“这就实现了对磁场的‘全方位’精确操控。”任务五：应用与迁移——解密电磁继电器教师活动：展示电磁继电器实物和结构剖视图。“这是一个利用电磁铁实现自动控制的开关——电磁继电器。谁能根据它的结构，猜猜它是怎么工作的？”播放动态工作模拟：当低压控制电路接通时，电磁铁产生磁性，吸引衔铁，使高压工作电路的触点闭合，用电器工作。教师引导学生将动态过程分解为：“低压电路通电→电磁铁有磁性→吸引衔铁（杠杆）→触点接通高压电路”。提出一个真实问题：“为什么很多汽车的车门未关好，仪表盘上会有灯亮起？这很可能就用到了电磁继电器原理。你能尝试画出示意图吗？”让小组进行简图设计。学生活动：观察继电器结构，结合动态演示，小组讨论其工作原理。尝试用“当…时，…发生，从而…”的句式描述工作过程。挑战任务：尝试设计车门报警装置的简易电路示意图，体现电磁继电器作为自动开关的功能。即时评价标准：1.对继电器工作过程的描述是否清晰、准确、逻辑连贯。2.在示意图设计中，能否正确区分控制电路和工作电路，并合理放置电磁继电器。形成知识、思维、方法清单：★核心应用——电磁继电器：本质是一个利用电磁铁控制电路通断的开关。其核心价值在于：用低电压、弱电流的控制电路，去间接控制高电压、强电流的工作电路，实现安全控制和自动控制。“它是电路世界的‘指挥官’，自己待在安全的指挥所（低压端），却能命令前线（高压端）行动。”▲工程思维——转换与放大：继电器体现了信号转换（电→磁→机械动作）和能量控制放大（小电流控制大电流）的经典工程思想。这是许多自动化设备的底层逻辑。★STSE联系：电磁铁及继电器技术是现代社会自动化、智能化（如工厂机器人、智能家居）的基础元件之一，理解它有助于我们认识和适应这个科技驱动的世界。第三、当堂巩固训练1.基础巩固层：（全体必做）判断题和选择题，聚焦电磁铁构造、特性及影响因素的基本概念辨析。例如：“电磁铁的铁芯必须用软铁材料，主要是因为软铁价格便宜。（判断）”“要增强电磁铁的磁性，可以（）A.增加线圈匝数B.减小电流C.将铁芯换成铜芯D.改变电流方向（单选）”2.综合应用层：（大部分学生完成）情境分析题。提供一张电磁继电器在恒温箱或水位自动控制系统中的简化电路图，要求学生：①指出控制电路和工作电路分别包含哪些元件；②分析当温度达到某一值时，整个系统是如何实现自动断开加热电路的。“大家试着当一回电路侦探，追踪一下电流的‘行动路径’。”3.挑战探究层：（学有余力选做）开放设计题：设计一个利用电磁铁原理的“简易硬币分拣装置”创意方案（文字或草图），要求能区分铁质硬币和非铁质硬币。“发挥你们的创造力，想想怎么让电磁铁帮你干活？”反馈机制：基础题通过集体口答快速反馈；综合题选取12个小组的答案进行投影展示，由学生互评，教师重点讲解逻辑分析过程；挑战题征集优秀创意进行课堂简评，并建议完善后参与科技节活动。第四、课堂小结1.结构化总结：教师引导，学生共同构建本节课的概念图（中心词“电磁铁”，分支：构造、原理、特性、影响因素、应用实例）。“我们来一起画一张‘知识地图’，看看今天我们都探索了哪些‘宝藏’。”2.方法提炼：回顾学习过程，提炼出本节课运用的核心科学方法：对比观察法、控制变量法、模型建构法（将装置抽象为结构功能模型）。3.作业布置与延伸：必做作业：1.整理课堂笔记，完善概念图。2.完成练习册中关于电磁铁基础原理的习题。选做作业（二选一）：1.拓展调查：查阅资料，了解磁悬浮列车中电磁铁是如何应用的，并简述其与普通电磁铁在应用目的上的不同。2.微型制作：利用家中可得的材料（铁钉、漆包线、电池等），制作一个简易电磁铁，并测试其能否吸引细小铁制品，记录你的制作过程和测试结果。“下课铃声响起，但我们探索的脚步不止。期待你们在作业中展现出更多精彩！”六、作业设计基础性作业：1.绘制电磁铁的结构简图，并标注各部分名称。2.填空题：电磁铁磁性的有无可以通过______来控制；它的磁性强弱与______和______有关；它的极性可以通过改变______来改变。3.简述电磁继电器的主要作用，并列举一个它在生活中的应用实例。拓展性作业：4.分析电铃的工作原理。请用文字配合简图说明：按下按钮后，电路接通到铃锤敲击铃盖的整个动态过程中，电磁铁、衔铁、弹簧片各自起到了什么作用？为什么铃锤会连续敲击？5.有一个旧式电磁式电话机（听筒部分），其核心部件是一个电磁铁。请推测：当对方说话时，传入听筒的电流大小会变化，这会如何引起听筒内薄膜的振动，从而让你听到声音？（可查阅资料辅助）探究性/创造性作业：6.项目设计：“智能信箱提醒器”设计。任务：设计一个装置，当有铁质信箱门被打开（或投入含铁质的信件）时，能自动点亮一个LED灯作为提醒。要求：①说明你的设计思路；②画出核心的原理电路图（需包含电磁铁或干簧管等磁性传感器）；③简要阐述其工作过程。7.文献研读与评述：查找并阅读一篇关于“超导电磁铁”的科普文章或简短资料。总结超导电磁铁相比普通电磁铁的最大优势是什么？它目前主要应用于哪些尖端科技领域？（如核磁共振成像MRI、粒子加速器等）。写下你的阅读收获与思考。七、本节知识清单及拓展1.★电磁铁定义：一种利用电流的磁效应使铁芯磁化而产生磁场的装置。由线圈（通电螺线管）和铁芯（通常为软铁）构成。2.★核心特性——可控性：磁性的有无由电流的通断控制。这是其区别于永磁体的根本特征，也是所有应用的基础。3.★工作原理：通电线圈产生磁场→磁场使铁芯被磁化→被磁化的铁芯磁场与线圈磁场叠加，大大增强总体磁场。4.★磁性强弱影响因素：（铁芯相同时）主要取决于电流大小(I)与线圈匝数(N)。关系为：电流越大，磁性越强；匝数越多，磁性越强。定性模型F∝I·N。5.★极性判断：电磁铁的极性（N/S极）由线圈中电流方向决定，可使用安培定则（右手螺旋定则）判断。改变电流方向，则极性反转。6.★核心实验方法——控制变量法：探究多因素（如I、N）问题时，必须确保只改变其中一个因素，而保持其他因素不变，以明确该因素的独立影响。7.▲铁芯材料要求：需选用软铁（低碳钢）等软磁材料。特性是易磁化、易退磁（剩磁小），从而能迅速响应电流变化。8.★典型应用——电磁继电器：一种电控开关。利用低压控制电路的通断来控制电磁铁磁性有无，进而驱动衔铁动作，接通或断开高压工作电路。实现安全控制与自动控制。9.▲电磁继电器工作过程分解：控制电路闭合→电磁铁有磁→吸引衔铁→触点动作（常开闭合/常闭断开）→工作电路状态改变。10.★电磁继电器优点：①用低电压、小电流控制高电压、大电流，保障操作安全。②实现远距离控制和自动控制。11.★其他应用实例：电铃、电磁起重机、磁悬浮列车（推进或悬浮系统）、电磁吸盘、自动水位报警器、电话听筒（老式）等。12.▲电铃工作原理：电路接通→电磁铁吸合衔铁带动铃锤敲铃→同时衔铁动作使电路断开→电磁铁失磁→弹簧片使衔铁复位→电路再次接通……形成断续电流，铃锤连续敲击。13.▲思维提升——系统分析：分析含电磁铁的装置时，应将其置于整个系统中，追踪“电信号输入→电磁铁动作（磁/力转换）→机械结构响应→输出特定功能”的因果链条。14.▲STSE联系：电磁铁技术是现代电气化、自动化的基石之一，广泛应用于工业、交通、医疗、信息等领域，深刻改变了人类社会面貌。同时，其能耗问题也促使着更高效电磁技术（如超导）的发展。15.▲拓展：超导电磁铁：利用超导材料在临界温度下电阻为零的特性制成的电磁铁。优势：可承载极大电流而无能耗，产生极强的稳态磁场。主要应用于核磁共振成像(MRI)、粒子加速器（如LHC）、可控核聚变实验装置（托卡马克）等尖端科技领域。16.易错点辨析：电磁铁吸引的必须是铁、钴、镍等铁磁性物质，不能吸引铜、铝等非铁磁性金属。电磁起重机的“料斗”必须是钢铁材质。八、教学反思（一）教学目标达成度评估  本节课的核心目标在于引导学生完成对电磁铁从结构认知到原理探究，再到应用迁移的深度建构。从课堂反馈看，知识目标基本达成，绝大多数学生能准确说出构造、特性和影响因素，但在用公式F∝I·N进行定性解释时，部分学生仍显生硬，需后续练习巩固。能力目标中的实验探究环节是亮点也是焦点，小组基本能完成既定探究任务，但设计方案的严谨性（特别是控制变量的自觉性）呈现明显分层，这恰好为差异化指导提供了契机。情感与价值观目标在小组合作与STSE讨论中有所渗透，学生表现出较强的好奇心和参与感。科学思维目标中的“模型建构”在应用迁移环节（如分析继电器）面临挑战，不少学生难以将动态过程分解为清晰的因果链，这提示模型建构需要更细致的支架和更多的练习机会。元认知目标通过小结时的路径回顾初步触及，但深度反思不足，未来可引入更具体的反思问题单。（二）教学环节有效性分析  导入环节的“电磁起重机”情境与简易演示成功制造了认知冲突，迅速聚焦到“可控性”这一核心，激发了探究欲望。新授环节的五个任务整体构成了递进式认知阶梯。任务一（拆解）从直观入手，铺垫良好；任务二（探究）是主体，学生动手充分，但时间略显紧张，部分小组在数据记录和整理上仓促；任务三（归纳）的生生互评有效促进了深度思考；任务四（极性）作为快速拓展，节奏得当；任务五（应用迁移）是难点，动态演示和分步讲解至关重要，但仍有部分学生感觉“跳步”太快。“如果在这里能用一个更慢速、可分步操控的交互式动画，或许能让学生自己‘拖拽’着看每一步的变化，理解会更深刻。”巩固与小结环节的分层练习满足了不同需求，概念图构建有助于知识系统化，但课堂时间所限，构建过程以师生共构为主，学生自主构建的空间可以留到课后作业中进一步拓展。（三）学生表现与差异化应对  课堂中，学生表现大致可分为三类：一是“引领型”，能迅速理解原理并提出深入问题，如询问“为什么铁芯用软铁而不用钢？”对于他们，挑战性任务和课外拓展资料能有效满足其求知欲。二是“主力型”，能跟随教学节奏完成探究和基本应用，