九年级物理跨学科实践：电磁铁原理·探究·应用-核心素养导向单元教学设计

九年级物理跨学科实践：电磁铁原理·探究·应用——核心素养导向单元教学设计

一、大单元整体架构与课时规划：基于“物理观念形成·科学探究深化·工程技术启蒙”的三阶递进逻辑

（一）单元定位与课标锚定

本教学设计针对北京师范大学出版社义务教育教科书《物理》九年级全一册第十四章“磁现象”第四节内容展开。依据《义务教育物理课程标准（2022年版）》【非常重要·纲领性文件】，本节内容归属于“能量”主题下的“电磁能”二级主题，具体条目为：“3.4.2知道电磁铁是内部插有铁芯的通电螺线管；通过实验探究，了解电磁铁磁性强弱与哪些因素有关；例举电磁铁在生产生活中的应用。”【课标原点·核心依据】。

区别于传统物理知识点的孤立讲授，本设计将本节定位为“跨学科实践”的典型载体【2024版北师大教材已将其明确为第三节跨学科实践】。课程性质从“验证性实验”升级为“工程导向的探究设计”，深度融合物理学科中的电与磁核心概念、技术学科中的系统与控制思想、工程学科中的需求分析与方案优化方法。学段锁定为初中九年级下学期（总复习前综合应用能力拔高期），学生已具备完整的电学基础（欧姆定律、电路连接）及初步的磁学认知（磁场、通电螺线管）。

（二）标题优化与表述

九年级物理跨学科实践：电磁铁原理·探究·应用——核心素养导向单元教学设计

（三）单元大观念与学科本质

本节承载的核心大观念是：“可控制的磁场是实现能量传递与信息控制的关键技术桥梁”【学科本质】。电磁铁不仅是电生磁知识的应用延伸，更是学生第一次系统性地接触“电信号—磁信号—机械动作”的转换逻辑，是后续学习电动机、传感器、电磁波以及高中物理“电磁感应”的认知基座。因此，本设计不仅关注“线圈匝数与电流大小”的定量关系，更着力于培育学生“通过技术手段改造自然磁体以满足人类需求”的工程思维。

（四）课时架构重组

打破传统单课时（45分钟）的碎片化局限，实施“1+1+1”三阶贯通式单元教学【大单元设计】，总时长135分钟（三课时连排或分三日递进）：

第一阶：解构与复现（课时1）——从“通电螺线管”到“电磁铁”的改进思维。聚焦结构认知、原理分析、自制电磁铁。

第二阶：探究与建模（课时2）——磁性强弱影响因素的定量化实验探究。聚焦控制变量法、数据图像化、函数关系初探。

第三阶：应用与创造（课时3）——电磁继电器读图、电磁铁工程实例剖析、低成本自动化装置原型设计。聚焦系统分析与创造性物化。

二、学习目标全维陈述：从“双基”到“核心素养”的升维表达

依据核心素养四大维度（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任），结合布卢姆认知目标修订版二维框架，制定如下可测评、可表现的学习目标【高阶定位】：

（一）物理观念维度（对应原“知识与技能”升级）

[1]能够准确阐述电磁铁的本质特征——内部插有铁芯的通电螺线管，并从“磁场来源”与“磁场增强”两个视角解释铁芯的作用机理。【基础·核心概念】

[2]归纳并记忆电磁铁相较于永磁体的三大可控优势：磁性的有无可由通断电流控制、磁性的强弱可由电流大小及线圈匝数调节、磁极的极性可由电流方向改变。【重要·观念固化】

[3]识别电磁继电器的核心结构（电磁铁、衔铁、弹簧、触点），并用“低压控制电路”与“高压工作电路”的双回路模型解释其开关功能。【高频考点】

（二）科学思维维度（原“过程与方法”升级）

[1]运用控制变量思想独立设计探究电磁铁磁性强弱影响因素的实验方案，并能够针对“如何比较磁性大小”提出两种以上不同精度的转换法方案（如吸引大头针计数法、弹簧伸长长度法、霍尔元件电压示数法）。【难点·思维品质】

[2]经历从“定性观察到定量测量”的思维进阶，能根据实验数据绘制“电流-磁性强弱”关系散点图，并初步感知磁性强弱与电流成正比、与匝数呈正相关的非线性特征。【热点·科学论证】

[3]对含有电磁铁的实际电路（如悬浮地球仪、水位自动报警器）进行逆向推理，还原设计者的技术意图与逻辑链路。【高阶·工程思维】

（三）科学探究维度

[1]能够利用提供的器材（漆包线、不同规格铁芯、滑动变阻器、电源、开关）独立绕制至少两种不同匝数的电磁铁，并排除电路中可能存在的短路故障。【基础·操作技能】

[2]在分组实验中通过完整的“提问—猜想—设计—实验—数据—结论”流程，真实记录实验现象，并能对异常数据（如某次吸引大头针数量反常少）进行归因分析（如铁芯残留磁性、接触不良等）。【核心·实证意识】

（四）科学态度与责任维度

[1]通过观看电磁铁在巨型电磁起重机、高速磁悬浮列车、医疗核磁共振中的应用影像，形成对“大国重器”背后基础物理原理的敬畏感，理解“小线圈推动大工业”的技术演进逻辑。【情感内化】

[2]在小组制作电磁铁装置时，主动节约漆包线材料、规范处理实验废弃物，建立绿色物理的实验伦理观。

三、教学实施过程全景呈现（核心篇幅，占全文70%以上）

（一）课时一：解构与复现——自制电磁铁与本质特征提炼

1.先行组织者：认知冲突的制造（8分钟）

【课堂实录设计】教师于讲台下隐蔽操作，将一枚大型铁钉完全没入绕有漆包线的线轴中，闭合隐藏的电源开关，用该装置轻松吸起约200g砝码；随后当众切断电源，砝码应声脱落。学生此前已知条形磁铁可吸引铁钴镍，但从未见过“时有时无”的磁体。

教师以追问驱动思维：“这是魔术还是物理？若是物理，它的磁体藏在哪里？为什么我可以随心所欲地让它吸就吸、放就放？”此环节核心目的在于打破学生头脑中“磁性是永久的”前科学概念，建立“磁性可生成、可消失”的新认知锚点。

2.结构解剖与概念定义（7分钟）

各组领取教师预制的“黑箱电磁铁”（线圈完全包裹热缩管，仅露出铁芯两端），要求不拆解的前提下通过观察外观、阅读铭牌、连接电路测试，推测内部结构。

学生经讨论后一致认为：内部必有通电螺线管，且螺线管中心有某种金属棒。教师顺势引出电磁铁标准定义：【非常重要】“电磁铁是内部插有铁芯的通电螺线管。”随即追问：“为什么要强调是铁芯？铜棒、铝棒、塑料棒行不行？”以此引出铁磁质磁化增强原理——铁芯在通电螺线管的磁场中被磁化成磁体，其磁化磁场与原磁场方向一致，叠加后总磁场大幅增强。

3.工程技术挑战：自制最强电磁铁（20分钟）

【项目式任务嵌入】教师发布工程挑战令：“每组领取等长漆包线（5米）、等规格铁钉一枚、一号电池两节、开关及导线若干。15分钟内制作一个电磁铁，以吸起的大头针数量为唯一指标，评选班级最强电磁铁。”

此环节摒弃传统“按图索骥”式实验操作，还原技术发明的原始过程。学生必须自行解决以下真实工程问题：

[1]绕制工艺问题：漆包线应紧密单层缠绕还是随意松散排布？是否必须在铁钉上预先包裹绝缘纸？（【重要】强调漆包线表面绝缘漆已足够绝缘，但若有破损则必用绝缘层隔开）

[2]电路拓扑问题：一节电池与两节电池串联，对磁性强弱影响几何？部分小组将两节电池并联，发现磁性反而变弱，产生认知冲突。

[3]匝数计数问题：如何利用固定长度的漆包线绕出尽可能多的匝数？（引出“细线密绕”策略）

教师巡视过程中不直接给答案，而是通过追问引导：“你观察到失败的小组，他们的线圈通电后钉子本身发热吗？发热说明了什么？是有效磁能还是热损耗？”引导学生理解电能的双重去向，渗透能量转化观。

4.展示互评与本质归纳（10分钟）

各组依次演示，记录最大吸起数量（班级记录可达38枚）。教师组织“技术复盘”：获得冠军的小组分享绕制秘诀（如“将铁钉夹在手摇钻上匀速缠绕”“预留抽头可调节匝数”）。教师从现象中提炼电磁铁核心特征：【高频考点·必记】①通电有磁、断电无磁；②磁性大小可能受某些因素影响（引出下一课时）；③电流方向改变时，用安培定则验证磁极对调成功。

（二）课时二：探究与建模——磁性强弱影响因素的定量化实验

5.问题链牵引与猜想系统化（5分钟）

基于上节课自制电磁铁时发现的“有的吸得多、有的吸得少”这一真实差异，教师将生活化问题转化为科学研究问题：“电磁铁的磁性强弱到底与哪些因素有关？”

学生自然提出猜想：电流大小、线圈匝数、铁芯粗细/材料、线圈形状、铁芯插入深度、导线粗细等。

教师执行【科学思维训练】：不是简单肯定或否定，而是引导学生依据已有知识筛选变量。依据欧姆定律，导线粗细本质影响电阻进而影响电流；铁芯插入深度本质改变了有效磁化体积。故核心自变量可归纳为三个：【难点·变量控制】电流I、匝数N、铁芯性质（有无/材质）。

6.转换法的多元化研讨（8分钟）

【测量方法论】教师提出关键问题：“磁性看不见摸不着，就像风一样，我们如何比较磁性的强弱？”学生小组讨论后提出五类方案：

（1）吸引大头针/回形针的数量（离散统计，灵敏度低但直观）；

（2）悬挂弹簧测力计缓慢拉离电磁铁，读取最大拉力值（连续测量，精度较高）；

（3）让电磁铁吸引小铁球，测量铁球被吸离桌面所需倾斜角度；

（4）利用铁钉撞击铃铛，数出单位时间响铃次数；

（5）【高水平跨学科】利用霍尔元件靠近磁场，将磁信号转为电压信号，从数字万用表读取示数（数字化实验）。

教师高度评价方案（5）并展示DIS数字化实验设备，同时指出：无论何种方案，其核心思想都是将“磁”转化为“力”“数”“电”进行间接测量——这正是物理研究中普适的转换法。

7.控制变量法的学生自主设计（12分钟）

【最高专业水准环节】教师不再提供既定电路图，而是发布设计挑战：“每个小组设计一个电路，能够分别研究电流和匝数对磁性强弱的影响。要求电路连接后，研究电流时不因匝数改变而干扰；研究匝数时，必须保证通过不同匝数电磁铁的电流相等。”

各组呈现设计原型，暴露迷思概念：

迷思A：研究匝数影响时，将两个不同匝数电磁铁分别接入电路，通过调节滑动变阻器使电流表均显示0.2A——教师质疑：“你们怎么保证两个电磁铁的线圈电阻相同？匝数多的电阻大，要达到相同电流，它两端的电压其实更高，这是允许的吗？”引导学生明确：控制变量法控制的是电流值，而不是变阻器滑片位置。

迷思B：研究电流影响时，改变滑动变阻器阻值后，忘记观察电流表示数，误以为滑片位置即电流大小。

教师在此基础上呈现【标准实验范式】：

[1]探究电流关系：固定同一电磁铁（匝数N固定），串联滑动变阻器与电流表，通过移动滑片改变电流，记录多组电流I及对应的磁性强弱（吸引大头针数/力传感器示数）。

[2]探究匝数关系：将两个不同匝数的电磁铁（N1=200匝、N2=400匝）与电流表、滑动变阻器串联成单一回路。优点：串联电路电流处处相等，自动控制了电流变量。在电流相同时比较两者磁性强弱。

8.分组实验与数据实证（30分钟）

各组按照自主修正后的方案进行实验。教师重点关注：

【数据真实性】要求学生至少测量3组不同电流值，每个电流值重复测量2次取平均。

【异常处理】某组发现当电流增大到一定程度后，吸引大头针数量不再明显增加甚至减少。教师引导分析：电流过大导致线圈发热严重，电阻增大，电流不稳定；同时铁芯磁化趋于饱和，磁性不再线性增强。此为极佳生成性资源，向学生渗透“磁饱和”概念（不要求掌握，但可感知）。

9.数据建模与结论陈述（15分钟）

各组将数据录入教师分发的Excel模板，自动生成I—N吸引数柱状图。学生基于图像归纳结论：

【核心结论·必记必考】①在线圈匝数相同时，通过电磁铁的电流越大，磁性越强；②在电流大小相同时，电磁铁线圈匝数越多，磁性越强；③插入铁芯可使磁性大大增强，抽出铁芯磁性急剧减弱。【非常重要】教师强调第三条虽未经历完整探究（前一课时已做），亦为核心因素。

为深化思维，教师设问：“我们说的是‘电流越大磁性越强’，那么磁性强度和电流是严格的正比例函数吗？”展示一组理想实验数据：电流0.2A吸5枚；0.4A吸12枚；0.6A吸18枚。学生发现并非一倍对应一倍，而是增长趋缓。教师指出：科学规律常呈现非线性，初中阶段只需定性掌握“越大越强”即可，为高中精确公式（F与IN成正比）预留接口。

（三）课时三：应用与创造——从电磁继电器到自动化装置原型设计

10.电磁继电器：解构经典控制器件（20分钟）

【难点突围】电磁继电器是本课时公认的教学难点，传统讲授法使学生只记结论不懂原理。本设计采用“角色扮演+模型拆解”策略。

教师将大型继电器模型（拆除外壳）分发各组，提供任务单：

[1]观察电磁铁未通电时，衔铁与哪个触点接触？此时工作电路处于通路还是断路状态？

[2]给电磁铁通电，观察衔铁运动方向，又接触哪个触点？工作电路状态如何？

[3]切断电磁铁电流，衔铁能否自动弹回？是依靠什么力？

学生经观察得知弹力来自复位弹簧。至此，继电器五部件（电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点）与工作原理浮出水面。

【核心提炼】电磁继电器的本质是“用电磁铁控制的自动开关”；其核心价值是实现【重要·高频】“低电压、弱电流控制高电压、强电流”以及“远距离控制”“自动控制”。

教师投影经典电铃工作电路，要求学生用“先……后……然后……”句式描述电铃持续响铃的动态过程：闭合开关→电磁铁通电吸引衔铁→铃锤击铃→此时衔铁运动导致电路触点断开→电磁铁失磁→弹簧片使衔铁复位→触点重新闭合→电路再次接通……如此往复。此过程生动体现“开关对自己进行控制”的反馈思想，是学生对“控制”概念的重要升级。

11.跨学科实践任务：设计低成本水位自动报警器（25分钟）

【创造性输出·最高潮环节】发布工程任务：“某仓库地势低洼，雨季易积水。请利用电磁继电器、电源、导线、灯泡、电铃以及你自制的探测装置，设计一个水位自动报警器。要求：水位正常时绿灯亮；水位达到警戒线时，绿灯灭、红灯亮且电铃响。”

此任务完全开放式，无标准电路图可抄。学生需整合以下跨学科知识：

物理学科：水的导电性（自来水可导电，需弱电探测）、电磁铁磁性强弱控制。

工程技术：探针的布置方式（平行探针还是上下探针）、避免探针极化腐蚀。

系统思维：应设计两套独立电路——低压探测控制电路与高压声光报警电路。

教师提供继电器接线柱特写图，学生在白板上手绘连线方案，典型设计如下：

控制电路：电源+水位探针（两枚裸露导线置于高水位线）+继电器线圈串联。当水位上升淹没两探针，水电阻使电路接通，继电器线圈得电。

工作电路：电源—继电器常开触点—红灯/电铃为一支路；电源—继电器常闭触点—绿灯为另一支路。水位正常时常闭触点接通绿灯亮；水位超标时，衔铁吸下，常开闭合，红灯亮铃响，常开断开绿灯灭。

小组互评环节，学生提出多种优化方案：探针上加装防锈镀层；采用交流探测防止电解；增加手动强制报警开关等。教师高度肯定并指出：这就是工程师面对真实问题时的系统迭代思维。

12.电磁铁现代应用巡礼与价值观升华（10分钟）

多媒体快速呈现三类进阶应用，要求学生用“此应用利用了电磁铁的哪一特点”句式解析：

[1]磁悬浮列车（上海浦东线）：利用电磁铁异性相吸或同性相斥使列车悬浮，消除了轮轨摩擦，速度可达500km/h以上——【热点】利用了电磁铁磁极可控及磁性可控的特点。

[2]核磁共振成像（MRI）：产生强达数特斯拉的均匀强磁场，必须使用超导电磁铁——利用了电磁铁可产生永磁体无法达到的超强磁场。

[3]粒子加速器（如欧洲核子研究中心LHC）：周长27公里的环形管道上密布上千个二极电磁铁，用于偏转高能粒子束——利用了电磁铁磁性强弱可连续调节，从而控制粒子轨道半径。

此处完成情感升华：从一根铁钉、几米漆包线的“班级最强电磁铁”竞赛，到托举大国重器的工程奇迹，其底层物理原理惊人一致。学生深刻体悟“小物理，大应用”的学科价值。

四、学习评价与反馈系统：基于表现性证据的精准画像

（一）嵌入式过程评价量规（课堂实时采集）

【实验操作核查表】教师手持简表，对学生绕制电磁铁的核心动作进行达标标记：

[✓]漆包线两端是否刮去绝缘漆？（必刮，否则断路）【易错点】

[✓]通电前是否检查短路风险？

[✓]是否在电路接通状态下触碰铁芯感受温升？

[✓]是否在探究实验中保证每次计数大头针时保持电磁铁与针堆接触力度一致？（控制无关变量）

（二）关键问题应答水平分层

课后五分钟“学习效果抽测卡”含三道阶梯题：

[1]（基础）电磁铁插入铁芯后磁性增强的根本原因是什么？——铁芯被磁化，产生附加磁场。

[2]（综合）某同学将两个匝数不同、电阻也不同的电磁铁并联在同一电源两端，能否通过比较它们吸引大头针的数量来得出“匝数越多磁性越强”的结论？为什么？——不能，因为并联电压相等，但匝数多的电阻大、电流小，有两个变量同时改变。

[3]（拔高）参考水位报警器原理，设计一个“光控窗帘自动开合装置”的电路框图，需标注电磁继电器的作用。——此题无标准答案，考查类比迁移能力。

（三）单元长周期作业：家庭实验室微项目

布置为期一周的开放性项目《寻找身边的电磁铁》，要求：

1.寻找家中至少三处疑似应用电磁铁的装置（如电冰箱门封条不是电磁铁、老式电铃是、电磁炉是）；

2.选择其中一处，推测其电磁铁的大致结构及控制方式；

3.鼓励拆解废旧电器（如坏掉的微波炉、继电器）并拍照记录。

五、板书结构化设计（课堂生成性纲要）

板书采用“概念树+技术流”双线索并行布局：

左半区为物理概念逻辑树：

电磁铁

├─结构：螺线管+铁芯（而非钢芯）→软磁材料特性

├─原理：电流磁效应（奥斯特）+磁化（叠加增强）

└─性能控制

├─有无：通/断

├─强弱：I↑N↑铁芯优→磁性↑（饱和现象）

└─极性：电流反向→安培定则重判

右半区为技术应用逻辑流：

电磁继电器：低压/弱电→开关动作→高压/强电