基于电磁铁实验的小学生科学思维培养研究

一、实验设计：构建科学思维的认知支架

青岛版五年级下册《电磁铁》单元以“电磁铁磁力强弱的影响因素”为核心问题，通过结构化实验设计引导学生经历完整的科学探究过程[1]。教材将实验分解为三个递进层次：

前概念激活与猜想生成，教师通过“钓鱼比赛”游戏（用自制电磁铁吸附大头针）引发认知冲突：不同小组制作的电磁铁吸附数量差异显著。学生基于生活经验提出假设，如“电池数量越多磁力越强”“线圈匝数越多磁力越强”等。某校教研课数据显示， 92% 的学生能列举 3 种以上影响因素，但仅 35% 能系统归类为“电流、线圈、铁芯”三大变量，暴露出前概念碎片化特征。

控制变量实验设计，教材以对比实验为载体，要求学生设计“线圈匝数与磁力强弱关系”的实验方案。某校五（5）班课堂记录显示，学生自主提出的控制变量策略包括：

使用相同规格的铁钉（直径 8mm 、长度 8cm ），统一采用 1.5V 干电池（避免电压差异）。

固定导线缠绕方向（防止磁极干扰），通过希沃仿真实验模拟“匝数差 20圈”的临界条件，学生发现匝数差小于 15 圈时磁力差异不显著，以理解实验设计的严谨性。

数据驱动的结论推导，某校实验数据显示，当线圈匝数从 20 圈增至 60 圈时，电磁铁平均吸附大头针数量从 3 枚增至 12 枚，而电流从 1.5V 增至 3V 时，吸附数量从 5 枚增至 18 枚。学生通过绘制折线图发现“磁力强弱与匝数 / 电流呈正相关”，但当匝数超过80 圈时，磁力增强趋势趋缓，引发对“磁饱和现象”的初步思考[2]。

二、课堂实施：催化思维进阶的互动策略

电磁铁实验的课堂实施需通过动态互动机制，将认知冲突转化为思维生长点。

认知冲突情境创设：某教师通过“电磁起重机搬运钢铁”视频导入，提问：“为什么电磁铁能轻松吊起数吨钢材，而普通磁铁不行？”学生基于前概念提出“电磁铁磁力更强”的假设，教师随即展示“用永久磁铁吸附回形针”的对比实验——永久磁铁吸附的回形针数量反而更多。这一反差瞬间引发认知冲突，学生开始质疑“磁力强弱是否唯一决定因素”。教师进一步追问：“若磁力更强是唯一原因，为何电磁铁在搬运重物时表现更优？”学生被迫从“磁力可控性”“磁极方向可调”等新维度思考，为后续探究电磁铁的动态特性奠定基础。

结构化材料支持深度探究：某校开发的“电磁铁探究工具箱”包含可拆卸铁芯（条形 /U 形）、不同规格导线（漆包线直径 0.2mm/0.5mm ）及数字化传感器（霍尔元件测磁感应强度）。在“铁芯材质对磁力影响”的拓展实验中，学生使用工具箱发现：相同条件下，软铁芯吸附大头针数量是钢芯的 2.3 倍，而镍合金芯的磁力衰减速度比铁芯慢 40% 。这一数据颠覆了部分学生“钢芯更硬则磁力更强”的直觉认知。教师引导学生结合材料科学知识分析：软铁芯的矫顽力低，磁化后易退磁，适合快速通断场景；镍合金芯的高矫顽力使其磁力更稳定，适用于需要持久磁场的设备。学生据此提出新假设：“磁力持久性与材料矫顽力相关”，并设计对比实验验证不同材料的磁滞回线差异。工具箱的开放性设计还支持学生自主探索其他变量，如某小组通过更换 U 形铁芯，发现其边缘磁力比条形铁芯强 30% ，从而理解“磁路设计对磁力分布的影响”[3]。

三、生活应用：搭建思维迁移的实践桥梁

电磁铁实验的价值最终体现在学生运用科学思维解决实际问题的能力上。以下案例展示思维迁移的具体路径，从实验现象到技术原理的解码，某校组织学生拆解废旧电铃，发现其核心结构包含：电磁铁（线圈匝数约200 圈），弹性金属片（厚度 0.1mm ），触点开关（间隙 0.5mm ），学生通过测量电流（0.2A）与计算磁力（ F=BIL ），推断出“电磁铁需在 0.1 秒内完成吸合 - 释放循环”的设计要求[4]。

从技术原理到创新设计的延伸，在“设计智能垃圾分类装置”项目中，学生运用电磁铁原理提出：用电磁铁分离金属垃圾（磁力吸附），通过红外传感器控制电流通断（自动识别），采用 U 形铁芯增强边缘磁力（结构优化），某小组原型机测试显示，其金属回收效率比传统磁铁高 65% ，验证了“控制变量思维”在工程设计中的迁移价值。

从创新设计到社会价值的思考，在“磁悬浮列车技术研讨会”上，学生基于实验数据提出：线圈匝数增加虽能增强磁力，但会提高能耗（实验数据：匝数增至 100 圈时，电池续航时间缩短 40% ），需采用超导材料降低电阻（联系初中物理知识），轨道设计应兼顾悬浮稳定性与成本效益。

四、结论与建议

电磁铁实验通过“实验设计 - 课堂实施 - 生活应用”的三维架构，有效促进了学生科学思维的发展。建议开发分级实验工具包，支持不同认知水平学生的深度探究；建立“实验 - 技术 - 社会”的跨学科项目库，强化思维迁移；运用数字化传感器（如磁感应强度计）提升数据精度，培养量化分析能力。未来研究可进一步探索电磁铁实验与人工智能、编程教育的融合路径，为 STEM 教育提供更多实践范式。

参考文献：

[1] 教科版小学科学教材编写组. 义务教育科学课程标准(2022 年版) 解读 [M]. 北京 : 教育科学出版社 , 2022.

[2] 刘见 . 探究电磁奥秘 培养科学思维——以五年级下册《电磁铁》为例 [J]. 小学科学教学研究 , 2025(5): 34-37.

[3] 张华. 低段小学科学实证思维能力培养的策略研究[J]. 基础教育课程 , 2023(12): 45-49.

[4] 李明. 电磁铁在日常生活中的应用案例分析[J]. 中学物理教学参考,2024(3): 22-25.