沪粤版初中物理九年级下册：探究通电螺线管外部磁场方向教案

沪粤版初中物理九年级下册：探究通电螺线管外部磁场方向教案

一、教学设计指导思想与理论依据

本教学设计以《义务教育物理课程标准（2022年版）》的核心素养为导向，深度融合科学探究与工程实践（SEP）理念。建构主义学习理论为基石，强调学生在已有电磁现象认知基础上，通过主动探究、社会性互动和意义建构来形成新的物理观念。同时，借鉴项目式学习（PBL）与跨学科实践（STEAM）的框架，将物理知识与技术应用、社会议题相结合，引导学生理解科学、技术、社会与环境（STSE）的相互关系。教学设计遵循“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，将通电螺线管这一核心模型置于真实的工程应用情境中，如电磁继电器、磁悬浮列车等，使学生在解决真实问题的过程中，发展科学思维与探究能力，实现对安培定则（右手螺旋定则）的深度理解与灵活应用，而非机械记忆。教学过程重视证据的收集与论证，培养学生的实证意识与科学态度。

二、教学内容分析

本节课是电磁学领域的核心内容，在初中物理知识体系中承上启下，地位至关重要。从知识纵向发展看，学生在学习了磁场、磁感线、条形磁体磁场分布以及电流的磁场（奥斯特实验）的基础上，本节将进一步探究由多匝线圈构成的通电螺线管其外部磁场的特性。这不仅是对电流磁效应的深化与拓展，更是为后续学习电磁铁、电磁继电器、电动机、发电机等电磁应用装置奠定不可或缺的理论与模型基础。通电螺线管是连接电与磁的核心物理模型之一。

从科学方法维度看，本节课是训练学生完整科学探究能力的绝佳载体。探究内容明确指向“磁场方向”这一抽象物理量，要求学生能将不可见的磁场方向转化为可见的小磁针指向进行可视化表征，这涉及转换法的应用。在探究过程中，学生需要自主设计实验方案，系统性地改变电流方向、线圈绕向等变量，观察并记录小磁针N极的指向，通过归纳分析得出规律，最终总结出安培定则。这一过程完整涵盖了“提出问题、猜想与假设、设计实验与制定计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作”等科学探究要素，是对学生探究能力的综合锻炼。

从跨学科视角看，本内容与工程技术（电磁铁设计）、数学（空间方向判断）紧密关联，为后续技术课程中的控制电路学习提供了原理支持。

三、学情分析

本节课的教学对象是九年级下学期学生，其认知与能力特点如下：

知识储备方面：学生已经掌握了磁场的基本概念，知道用磁感线描述磁场，了解条形磁体等永磁体的磁场分布。通过奥斯特实验，学生明确了电流周围存在磁场，即“电生磁”的基本事实。同时，学生具备串联电路的基本连接与操作技能，能够使用电源、开关、导线等器材。这些构成了本节课学习的“最近发展区”。

认知心理与思维特征：九年级学生正处于抽象逻辑思维发展的关键期，具备一定的归纳推理和空间想象能力，但对于三维空间中的方向与平面示意图之间的转换仍存在困难。安培定则涉及的“电流方向”、“磁场方向（磁感线方向）”、“螺线管绕向”三者之间的立体关系，对学生空间思维能力提出了较高要求。学生容易将平面思维代入立体判断，导致定则应用错误。

前概念与潜在困难：学生可能存在以下迷思概念：认为通电螺线管的磁场与条形磁体完全相同，而忽略其极性可通过电流控制；在判断磁场方向时，可能混淆“磁场方向”（磁感线切线方向）与“小磁针受力转动方向”；对于“握住”螺线管的操作，可能存在方向上的困惑。此外，实验操作中，如何稳定放置小磁针、如何清晰标记电流方向与线圈绕向、如何有序地进行多组对比实验，对学生来说都是需要引导和规范的挑战。

兴趣与动机：学生对电磁现象在生活中的广泛应用（如喇叭、磁悬浮、电磁起重机）抱有浓厚兴趣，但可能对背后的原理感到神秘。利用这种好奇心，将抽象的定则学习嵌入到富有挑战性的应用任务中，能有效激发其内在学习动机。

四、教学目标

基于物理核心素养，制定如下三维教学目标：

1.物理观念

1.通过实验探究，认识通电螺线管外部磁场的分布与条形磁体相似。

2.理解并建构“通电螺线管的极性（N极与S极）与其中电流方向存在确定关系”这一核心观念。

3.能用安培定则（右手螺旋定则）判断通电螺线管的极性和电流方向。

2.科学思维

1.经历从“提出问题”到“得出结论”的完整探究过程，提升科学探究能力。

2.学习运用转换法（用小磁针N极指向表示磁场方向）和归纳法（从多组实验数据中找出普遍规律）。

3.在应用安培定则解决实际问题的过程中，发展空间想象能力和逻辑推理能力。

3.科学探究与实践

1.能基于问题，提出可检验的猜想与假设。

2.能独立或合作设计验证猜想的实验方案，明确控制变量（电流方向、线圈绕向）和观察变量（小磁针N极指向）。

3.能正确、安全、规范地组装实验器材，进行实验操作，并如实记录实验现象和数据。

4.能分析实验数据，得出关于通电螺线管外部磁场方向规律的结论，并与同伴进行交流、评估。

4.科学态度与责任

1.在探究活动中养成实事求是、严谨细致的科学态度。

2.体验合作交流在科学探究中的重要性，敢于提出自己的见解，也乐于倾听他人意见。

3.了解通电螺线管原理在现代科技（如电磁阀、粒子加速器）和社会生活中的广泛应用，体会科学对技术进步的推动作用，初步形成将科学服务于社会的意识。

五、教学重难点

教学重点：

1.通过实验探究通电螺线管外部磁场方向的规律。

2.理解并掌握安培定则（右手螺旋定则）的内容与应用。

教学难点：

1.安培定则（右手螺旋定则）的建立与空间理解。

2.灵活运用安培定则判断通电螺线管的极性、电流方向或线圈绕向。

难点突破策略：

1.采用“探究-建模-应用”三步法。首先通过学生亲手实验，获得丰富的感性认识和数据支撑；然后引导学生从数据中抽象出规律，并以“右手螺旋定则”这一物理模型进行概括；最后设计多层次、有梯度的应用练习与实际问题，在解决具体问题的过程中内化模型，发展空间想象力。

2.利用高质量立体动画、可交互的物理仿真软件，动态演示电流方向、磁感线环绕方向与拇指指向之间的关系，帮助学生在大脑中建立清晰的立体图景。

3.设计“手势操练”环节，让学生边口述边用手比划，将思维过程外显化、动作化，强化肌肉记忆与思维关联。

六、教学准备

1.教师准备

1.多媒体课件：包含电磁应用视频（电磁起重机工作、磁悬浮列车）、通电螺线管磁场三维仿真动画、探究过程引导提纲、分层练习题目。

2.演示器材：大型通电螺线管演示仪（透明外壳，内部嵌有可自由转动的小磁针阵列或可显示磁感线的铁屑板）、大功率电源、开关、导线、条形磁体。

3.辅助工具：激光笔、不同颜色磁性贴（用于标记极性）、白板及书写笔。

4.实验设计单与学习评价量表。

2.学生分组实验器材（按4人一组配置）

1.螺线管线圈（2个，绕向相反，建议使用透明亚克力管骨架，匝数清晰可见，导线两端颜色不同以便区分电流方向）。

2.学生电源（直流，0-6V可调）或电池组（3-4节干电池带电池盒）。

3.单刀开关。

4.导线若干。

5.小磁针（至少4个，建议置于有明确方位刻度的底盘上）。

6.滑动变阻器（可选，用于调节电流强度，观察对磁场强弱的影响，但非本课重点）。

7.铁屑盒及透明覆盖板（用于直观显示磁场分布形态，可作为拓展）。

8.记录用白纸、笔、胶带（用于固定导线和标记方向）。

七、教学实施过程（共计2课时，90分钟）

第一课时：情境激疑，方案设计与实验探究（40分钟）

（一）创设情境，提出问题（预计用时：8分钟）

教师活动：播放两段对比视频。视频一：港口巨大的电磁起重机吸起数吨重的废钢铁，当关闭电流时，钢铁重重落下。视频二：电脑硬盘内部结构显微视频，显示磁头通过微小电流变化在高速旋转的磁盘上读写数据。

教师提问：“从庞大的港口机械到精密的电脑芯片，这些功能迥异的设备中，可能都隐藏着一个共同的‘核心元件’。它是一个能将电能高效转换为磁能的装置。根据大家之前所学的知识，猜猜它可能是什么？”

学生可能的回答：磁铁、通电导线、线圈……

教师引导：“是的，一个简单的线圈通上电，就能产生磁场。但单个线圈的磁场太弱。工程师们将导线一圈挨一圈地密绕成管状，制成了‘通电螺线管’，它产生的磁场更强、更集中，像一个‘电磁条形磁体’。那么，这个‘电磁条形磁体’的N极和S极由什么决定呢？它的磁场方向遵循怎样的规律？这就是我们今天要探究的核心问题。”

教师板书或课件呈现核心科学问题：“通电螺线管外部的磁场方向与哪些因素有关？存在什么定量规律？”

（二）猜想假设与方案设计（预计用时：12分钟）

1.引导猜想：教师手持一个螺线管线圈，连接电路但未通电，提问：“要使它产生磁场，首先需要什么？”（通电，即有电流）。教师改变电源正负极接线，提问：“改变电流方向，可能会影响什么？”接着，出示另一个绕向相反的螺线管，提问：“如果线圈的缠绕方向不同，结果又会怎样？”基于对条形磁体和奥斯特实验的认识，引导学生提出合理猜想。

学生可能猜想：通电螺线管的磁场方向可能与电流方向有关，可能与线圈的绕向有关。

2.明确变量与设计思路：

教师引导学生将猜想转化为可探究的变量关系。

自变量：电流方向（正向、反向）、线圈绕向（顺时针、逆时针，从某一端看）。

因变量：通电螺线管外部磁场的方向（即其N、S极的位置）。

如何观测因变量？复习用小磁针N极所指方向表示该点磁场方向。教师演示：将小磁针分别放置在条形磁体的两端和侧面，观察其静止时N极的指向，明确螺线管两端相当于磁极，侧面磁场方向沿轴线方向。

3.小组设计实验方案：

分发实验设计单。要求各小组围绕以下问题讨论并拟定初步方案：

1.4.需要哪些器材？如何连接电路？

2.5.如何清晰、统一地定义并标记电流方向？（建议：在电路图中标出电源正负极，在实物导线上用颜色或箭头贴纸标注）

3.6.如何定义并记录线圈绕向？（建议：从螺线管的某一端（如左端）看向另一端，导线是顺时针还是逆时针缠绕？画出简图）

4.7.计划在螺线管的哪些关键位置放置小磁针来判定磁场方向？（两端、侧面）

5.8.实验步骤顺序如何安排，才能清晰对比？（例如：固定绕向，改变电流方向；固定电流方向，更换不同绕向线圈）

教师巡视指导，参与小组讨论，提示注意事项（如电路连接安全、开关试触、小磁针远离强磁性物体等）。

9.交流与优化方案：

请1-2个小组汇报其设计方案，其他小组补充或质疑。教师引领全班共同完善，形成相对规范、可行的实验步骤共识。强调“改变一个变量，控制其他变量不变”的控制变量思想，以及及时、如实记录（画图或文字描述）的重要性。

（三）进行实验与收集证据（预计用时：20分钟）

1.安全规范与操作提示：教师再次强调安全操作规程：电源电压不宜过高（建议3-6V），连接电路时开关必须断开，检查电路无误后再进行试触。提醒学生轻拿轻放小磁针，避免剧烈震动影响其磁性。

2.分组实验与教师巡视：各小组领取器材，按照优化后的方案开始实验。教师深入各小组，进行针对性指导：

1.3.关注学生是否准确标记了电流方向和绕向。

2.4.指导学生正确放置小磁针，观察其稳定后的指向。

3.5.鼓励学生用图示法记录：画出螺线管轮廓，标出电流方向（用箭头在线圈上表示）和绕向，在关键点画出小磁针N极的指向。

4.6.引导学生完成至少四组系统性对比：绕向A+电流正向、绕向A+电流反向、绕向B+电流正向、绕向B+电流反向。

5.7.对于进度快的小组，可提出进阶思考：“如果改变螺线管中的电流大小，磁场方向会变吗？磁场强弱会如何变化？”（用滑动变阻器验证）或尝试用铁屑展示磁感线分布。

8.数据记录与初步整理：要求学生将实验现象清晰、有条理地记录在实验报告单上。临近下课，教师提醒各小组开始整理数据，准备下节课的分析与论证。

第二课时：建构模型，迁移应用与总结评价（50分钟）

（四）分析论证，建构模型（预计用时：20分钟）

1.现象汇报与归纳：

教师邀请不同小组派代表，利用实物投影展示他们的实验记录图。全班共同观察、比较。

引导性问题链：

1.2.“当线圈绕向不变，只改变电流方向时，螺线管两端的N、S极位置发生了什么变化？”（结论：磁场方向与电流方向有关，电流反向，磁场方向也反向。）

2.3.“当电流方向不变，只改变线圈绕向时，螺线管两端的N、S极位置发生了什么变化？”（结论：磁场方向与线圈绕向有关。）

3.4.“综合以上两组关系，通电螺线管的极性（磁场方向）究竟由什么共同决定？”（结论：由电流方向和线圈绕向共同决定。）

5.引入安培定则（右手螺旋定则）：

教师指出：“电流方向和线圈绕向，这两个因素共同决定了磁场方向。物理学家安培为我们总结了一个非常简洁的判断方法——右手螺旋定则。”

教师演示：用右手握住一个螺线管模型。

1.6.动作要领：用右手握住螺线管。

2.7.方向对应：让弯曲的四指所指的方向与螺线管中电流的方向一致。

3.8.结果判断：则大拇指所指的那一端就是通电螺线管的N极。

教师利用三维动画，反复演示电流方向、四指弯曲方向、拇指指向三者的动态关系。强调“握”的动作和“电流方向与四指指向一致”是操作关键。

9.模型验证与操练：

1.10.验证：教师选取学生实验中记录的一组数据（特定的绕向和电流方向），邀请学生上台，用右手螺旋定则进行判断，看结果是否与实验观察到的小磁针N极指向（即螺线管的N极）一致。重复数次，增强学生对新模型的信心。

2.11.操练：开展“你说我做”活动。教师口述或投影出示不同的电流方向与绕向组合（辅以示意图），全体学生用右手比划进行判断，并齐声说出“N极在哪一端”。同桌之间互相出题、判断。此环节旨在将抽象的思维过程具体化、熟练化。

（五）迁移应用，解决问题（预计用时：20分钟）

设计分层应用任务，从模型直接应用到综合创新，逐步提升思维难度。

任务一：基础应用（巩固模型）

1.如图所示，标出通电螺线管的N、S极。

2.如图所示，根据小磁针静止时的指向，标出螺线管中的电流方向。

3.要使通电螺线管两极如图示，请连接电源正负极。

任务二：综合推理（逆向思维与多因素分析）

1.一个通电螺线管旁小磁针静止如图示。请判断电源正负极，并思考如果改变电源正负极连接，小磁针将如何偏转？

2.给你一个带有铁芯的螺线管、电源、开关、滑动变阻器和一些导线。请设计一个电路，使得通电后螺线管的左端为S极，并且可以通过滑片移动来增强其磁性。画出电路图，并说明理由。

任务三：实践创新（联系STSE）

情境：某工厂自动生产线上需要一个电磁阀门来控制流体管道。要求：当控制电路接通时，阀门打开；断开时，阀门关闭。阀门动作原理是：一个衔铁（铁质阀门杆）被弹簧顶住，堵住管口；当它下方的电磁铁通电产生磁性时，会吸引衔铁向下运动，打开管口。

挑战：你作为工程师，需要绕制这个电磁铁的线圈。已知管道安装位置决定了电磁铁吸引衔铁的方向必须向下。

1.小组讨论：如何确定线圈的绕向和电源的连接方式，才能保证电磁铁下端为吸引衔铁的磁极（假设为N极）？

2.设计并画出线圈绕制示意图和电路连接简图。

3.思考：如果希望阀门动作更迅速有力，可以从哪些方面改进这个电磁铁装置？（增加线圈匝数、增大电流、加入铁芯）

在此环节，教师巡视指导，重点关注学生能否将右手螺旋定则灵活应用于新情境。任务三的讨论将物理原理与工程设计结合，是跨学科实践的体现。

（六）总结反思，拓展延伸（预计用时：10分钟）

1.知识结构化总结：引导学生以思维导图或知识树的形式，总结本节课的核心内容。从“探究问题”出发，分支为“实验方法”（转换法、控制变量法）、“探究结论”（磁场方向与电流方向、绕向的关系）、“核心规律”（安培定则）、“主要应用”（电磁铁原理）。让学生明晰知识间的逻辑关联。

2.科学探究过程反思：提问：“回顾整个探究过程，你认为哪个环节最关键或最困难？实验设计中有没有可以改进的地方？你们组的合作是否高效？”引导学生对探究方法和合作学习进行元认知反思。

3.拓展延伸与作业布置：

1.4.基础性作业：完成同步练习册上关于通电螺线管磁场与安培定则的基础习题。

2.5.实践性作业：利用身边的材料（如大铁钉、漆包线、电池），制作一个简易电磁铁，探究其磁性与线圈匝数、电流大小的关系，并尝试用它吸引不同大小的大头针，记录数据。

3.6.研究性学习（选做）：查阅资料，了解“亥姆霍兹线圈”的原理与应用。它是一种特殊排列的通电螺线管对，能产生非常均匀的磁场。思考它与单个螺线管在结构和磁场特性上有何不同。

八、教学评价设计

本课采用“过程性评价与终结性评价相结合”、“定性评价与定量评价相结合”的多元评价方式。

1.过程性评价：

1.2.实验探究评价量表：从“方案设计合理性”、“操作规范性”、“数据记录真实性”、“合作参与度”、“分析论证深度”五个维度，设计等级量表（如A、B、C）。通过教师观察、小组互评、学生自评相结合的方式进行。

2.3.课堂表现观察：教师记录学生在提问、讨论、汇报等环节的参与质量，关注其思维活跃度与表达逻辑性。

4.终结性评价：

1.5.应用任务完成情况：对“迁移应用”环节中三个层次任务的完成质量进行评价，特别是任务三的设计方案，评价其科学性、创新性与可行性。

2.6.单元测试相关试题：在后续单元测试中，设置相关题目，评估学生对安培定则的理解与应用水平。

7.作品评价：对“实践性作业”——自制电磁铁的作品及其探究报告进行评价，关注其制作工艺、探究过程的科学性和结论的准确性。

九、板书设计（主板书）

主板书的布局体现知识生成逻辑，分为三个区域：

左侧：探究主线

核心问题：通电螺线管外部磁场方向由何决定？

猜想：可能与电流方向、线圈绕向有关。

方法：控制变量法、转换法（小磁针N极指向→磁场方向）。

步骤：（关键词）设计→操作→记录→