有趣的磁铁教案

有趣的磁铁教案（精选6篇）

有趣的磁铁教案 篇1

教学目标：

1、知识目标:知道磁铁的基本性质，了解生活中磁铁的应用。

2、能力目标：能相互配合，协作完成探究工作；学会做探究磁铁性质的实验，培养学生收集处理信息的能力。

3、情感目标：激发学生探究自然的兴趣，培养他们探究问题的能力。教学重、难点：通过游戏的方式、让学生在游戏娱乐中发现和了解磁铁的性质。

教学准备：各种各样的磁铁 曲别针 铁夹 木条 橡皮 铁钉 钥匙 皮筋 木块 泡沫塑料等。教学过程：

一．谈话导入：

师：同学们，你们喜欢玩吗？（学生自由汇报）

老师知道同学们都喜欢玩，你可别小看玩，因为我们玩的过程中可以提出很多有价值的问题，发现很多科学道理。今天，我们就是要通过玩的活动来进一步认识一位老朋友。（出示磁铁），问你们认识这些物体吗?（学生回答）

导入课题：今天我们就来研究与磁铁有关的知识。

二．自主探究:(一)观察交流，认识各种磁铁。

1.课前我们准备了各种各样的磁铁，让我们仔细的观察，看看你能发现什么？比一比谁观察的最仔细？

2.汇报观察结果。3.统一命名。

4.认识磁铁的两个磁极。

（教师将一块磁铁放到实物展台上）请同学们仔细观察磁铁，看看磁铁上有什么？

（学生观察后汇报，教师板书：S N。如学生不能说到“磁极”，教师可直接讲解给学生）

师小结：同学们观察的非常仔细，“S ”“ N”是磁铁的两个磁极，“S ”又称为南极，“ N”又称为北极，各种各样的磁铁都有南北两极。

（二）探究磁铁的性质

师:同学们的观察非常仔细，刚才我们认识了各种不同的磁铁。

你们想不想玩一玩这些磁铁？请同学们注意，在玩的过程中把你们的玩法和发现及时作好记录，看哪个小组发现的最多？如果你们感到这是一个重大发现，可用 ☆ 表示出来。1.出示玩法提示：

（1）用一块磁铁研究，怎样实验，能发现什么？（2）用两块，三块磁铁„„，怎样实验，又能发现什么？（3）各小组结合玩法，合理分工。

（4）把你的玩法和发现及时填写在“磁铁游戏记录表”中。2.小组活动。

活动结束，教师组织学生把材料放回实验盘，并提示学生把没记完的记录抓紧时间填完，记完的小组再充实一下。

（学生关注自己小组的记录表，详细记录自己的实验发现。）3.汇报交流发现。

师：哪个小组最想说说你们是怎么玩的？有什么重大发现？交流的时候，发言的同学要清楚地说明你们的发现，其他同学要认真听取别人的发言，在别人发言结束后进行补充和质疑。

（可能出现的情况）

（1）被磁铁吸住的东西是铁制成的。

教师适时总结：就像你们概括的一样，磁铁能吸引铁一类的材料做成的物体，这种性质叫做磁性。

师：大家真是善于发现的小科学家，谁再来说说你还有什么发现?（2）把磁铁用线吊起来，总是S极指南方，N极指北方。（3）N极和N极，S极和S极相互靠近时，会马上分开。N极和S极靠近时，会吸在一起。

师：同极相斥，异极相吸。

（4）磁铁的两极吸的图钉比中间吸得多。说明磁铁两极磁力比中间大。（5）能隔着物体吸铁。

（6）生：我还有不一样的发现呢，我把磁铁吸起的曲别针一个接一个吸了一大串。师：这个发现真不错，你真是个爱动脑筋的孩子。这种现象属于磁化。

师小结：刚才，同学们在玩的过程中，发现了磁铁的好多秘密，实际上这些都是磁铁的一些性质，好多的科学家费尽周折才研究出来，可我们一节课就发现了磁铁的这么多性质，而且都是“重大发现”，太了不起了。

三、生活应用，课后拓展

师：现代生活中，磁铁的用处非常广泛，你知道磁铁应用在哪些方面了吗？（学生举例）师小结：通过交流，我们发现生活中好多物品都用到了磁铁，而且磁铁正越来越多地运用到生产生活的各个方面，如垃圾处理场用大磁铁分离出垃圾内的废铁、废钢等金属，科学家还应用磁铁同极相斥异极相吸的性质制造出了磁悬浮列车，„„课下要注意观察，了解更多磁铁在生活、生产中的应用。

四、巩固练习。

(一)我来填一填。

1.不论什么形状的磁铁，都有（）个磁极，分别是（）极，用（）表示，（）极，用（）表示。

2.磁极间的相互作用规律是：相同的磁极（），不同的磁极（）。3．磁铁的两端吸图钉多，是因为（）。

（二）.当好小法官。

1.把磁铁摔成两半，这时就会形成两块只有一个磁极的磁铁。（）2.将磁铁放在水中，它就不能吸铁制品了。（）

（三）科学与生活。

将铁屑和炭末均匀地混合在一起，如何能很快地将它们分开？

五、本堂小结。

六、板书设计:

5.有趣的磁铁

磁极： S 南极

磁铁的性质：

N 北极

有磁性 能指示南北方向有两个磁极 磁铁两极磁力大

能吸铁制品

有趣的磁铁教案 篇2

二年级上册第28~29页《 有趣的七巧板》 。

【 教材简析】

这节课是一节实践活动课。 在这节课之前,学生已经初步认识了长方形、正方形、三角形、平行四边形以及多边形等平面图形。 拼七巧板是一种传统的数学游戏, 它可以使学生在有趣的活动中进一步感知各种多边形的特点,体会它们的联系和区别,培养学生的学习兴趣,发展空间观念。 在设计教学时要有层次,先认识一副七巧板中的每一个图形, 再逐步引导学生用七巧板中的图形拼已经认识的图形。 ( 这里再分三个小层次:用两块板拼,用三块板拼,用四块、五块、六块去拼。 ) 最后用七块拼出各种有趣的图案。 这样的安排,操作由易到难,学生操作体验、反思与交流,可以培养学生的动手能力,发展空间观念,还可以培养与同学的交往、合作意识。 对于少部分孩子来说,可能拼不规则图形比较容易,而拼成规则图形有一点困难,老师要给予适当的引导和帮助。 从而争取让每个孩子都能体会到七巧板的巧妙和神奇, 也能感受到图形之间的联系和变化,激发学生学习数学的兴趣。

【 教学目标】

1.使学生在有趣的活动中感悟平面图形的特点 ,体会图形的变换,发展空间观念。

2.使学生在活动中积累对数学的兴趣 ,培养与同学的交往 、合作意识。

3.使学生在动手动脑的过程中发展想象能力,培养创新意识。

【 教学重点】

通过拼图形,体会图形的变换,发展空间观念。

【 教学难点】

用七巧板创造性地拼图形。

【 教学具准备】

师:课件、八副磁性七巧板、八块磁性小黑板、8个小篓子。 生:每人一副七巧板、一支胶棒、作业纸。

【 教学过程】

一、创设情境,激发兴趣

谈话:小朋友们,今天老师给大家带来了什么呀?( 七巧板) 对, 相信大家都玩过七巧板,你用七巧板都拼过什么啊? ( 学生自由回答) 小朋友们真棒,拼过那么多图案。 你们想进一步学习七巧板吗? 今天这节课我们就一起来学习七巧板( 出示课题) 。

二、自主探索,合作交流

1.导入

谈话:我们先来看一下七巧板是怎么来的?

一个正方形→用几条线分一分→着色( 出现七巧板)

看,这样一副七巧板就做成了。

【 设计说明 :一步一步去观察 ,从而使学生认识了一副七巧板中的每一个图形,从总体上初步感知七巧板七块之间的相互关系, 以及这些图形与正方形的关系。 】

2.认识七巧板的结构

提问:你们知道七巧板有几块图形组成吗?( 七块) 你是怎么知道的?

预设:“ 七巧板”的“ 七”字告诉我们了。

谈话:你真会动脑筋 ,从名字就 知道了 ,一起数数 看是不是 七块。

提问:一副七巧板有几种不同的图形呢? 分别是哪几种? 谁来说一说? ( 有三种图形,有三角形、正方形和平行四边形)

提出要求:请小朋友从你的一副七巧板中数一数,每种图形各有几个? ( 三角形有5个,还有一个正方形和1个平行四边形)

引导:观察5个三角形的大小,你有什么发现?( 2个大三角形一样大,2个小三角形一样大)

提出要求:这是我们眼睛看到的,那到底是不是呢? 你有什么方法比一比吗?

提问:你是怎么比的?( 请一生到前面来,举起来给大家看) ,这两个三角形完全重合,那么它们的大小就完全一样。

【 设计说明 :这部分教学紧扣七巧板的“ 七 ”字 。 通过观察 ,让学生了解一副七巧板有七块图形组成,分别是哪几种图形,每种图形各有几个。 其中又通过比一比的操作,让学生不仅知道七巧板中有五块是三角形,而且了解了它们的大小关系。 进一步有层次、有系统地认识七巧板的结构,为后面的拼图形做好充分的准备。 】

3.用七巧板拼图形

谈话:我们已经认识了七巧板,那七巧板七巧板,它有“ 七”块, 那你知道它“ 巧”在哪里吗?( 是的,可以拼图形或者拼图案) 你们想不想也用七巧板来拼一拼?

( 1) 两块板

提出要求:先来点儿简单的,请你用七巧板中的两块( 板书:两块) 图形拼成一个正方形→怎么拼的? ( 请一生到黑板前拼一拼)

提问:这里有一大一小两个正方形,每个正方形中的两个三角形有什么特点? ( 这两个三角形的大小是完全一样的)

提出要求:你还会用这两块三角形拼成其他的图形吗? 动手拼一拼。

学生汇报:你拼的是什么图形?( 三角形) 你呢?( 平行四边形) 请你们俩一起上来拼一拼。

小结:( PPT出示) 用两块大小完全一样的三角形可以拼成正方形、三角形和平行四边形。

【 设计说明 :结合拼一拼的操作 ,让学生自己发现只有大小完全一样的三角形才能拼出正方形、三角形和平行四边形。 这里,沟通了正方形、三角形、平行四边形与三角形的关系。 】

( 2) 三块板

提出要求:现在要增加一点儿难度了,下面请你任意拿三块板 ( 板书 :三块) 拼我们认识的图形 。

小组内交流:我用的是哪三块板,拼出的是什么图形?

学生汇报:几个学生上黑板拼。

不同的三块板拼出同一图形:

相同的三块板拼不同的图形:

小结:( 课件演示) 用七巧板中的三块可以拼成正方形、长方形、三角形、平行四边形、五边形等。

【 设计说明 :让学生感受到原来不同的三块板能够拼出同一图形,而相同的三块板能拼出不同的图形,不仅感受到了图形的关系和变化,也体会到了七巧板是如此的巧妙和神奇! 】

( 3) 四 、五 、六块板

谈话:看到小朋友拼得这么起劲儿,老师也想来拼两个。

1( 小黑板出示缺一半的长方形) ,我要拼的是什么图形? ( 长方形) ,可是中间缺了一段,你能帮我补上吗?( 一生上来拼) 一共用了几块? ( 4块)

( 小黑板出示缺一角的正方形) ,我要拼的是什么图形 ? ( 正方形) ,有没有拼完? 接下去怎么拼呢? ( 请一生上来拼) 一共用了几块? ( 5块)

2提出要求:你能像我这样用四块、五块、六块去拼一些我们认识的图形吗? ( 板书:四块、五块、六块)

同桌合作拼一拼→拼好的小组交流:用了几块板? 拼了什么图形? →把黑板给几个拼得好的学生→请刚刚拿到黑板的小朋友把黑板带到前面来给大家介绍一下:你用了几块板,拼了什么图形?

3提问:刚刚老师用五块板拼出了一个正方形,还可以用几块板拼出正方形?

【 设计说明 : 在用两块板 、 三块板和多快板拼的过程中 , 都会有学生拼出正方形,也就是说不同块数也能拼出同一个图形。 这里就列出拼出的几个正方形, 再一次让学生体会七巧板的巧妙和神奇。 】

4.用七巧板拼图案

谈话:刚刚我们用七巧板拼出了我们学过的图形,你觉得七巧板巧妙吗? 除了拼图形,还能拼图案是吗? 我们来试一试。

( 1) 填图

拿出作业纸,上面有印好的只有边框的图案,仔细观察边框的特征,选择七巧板中几块合适的图形填进去。 同桌合作拼一拼,拼好一个再拼另一个。

学生汇报,选择了哪几块? 你是怎么看出来的?

【 设计说明 :这里 ,放中有收 ,让学生有根据地去选择合适的七巧板去拼;同时又收中有放,只给出边框,没有其他的提示,学生自己尝试去拼。 】

( 2) 创新

启发:小朋友,我们来欣赏一组漂亮的用七巧板拼成的图案 ( PPT出示鱼 、狐狸羊 、人) 你能自己动脑拼出一些漂亮的图案吗 ? 拿出信封中的七巧板先拼一拼, 拼好后用胶棒把图形贴在作业纸的反面。

拼完的在小组里说一说你们拼的是什么。

其他学生猜一猜他们拼出的是什么, 也可以请他自己来介绍一下。

三、介绍来历,课堂延伸

谈话:小朋友们,今天我们用七巧板中的几块以及用一副七巧板拼出了我们认识的图形,又拼了一些漂亮的图案,你们觉得有趣吗? 因为七巧板图形间的巧妙组合给我们带来了无穷的乐趣!( 出示:有趣的)

介绍:你们知道有趣的七巧板是哪国人发明的吗? 我们来听听介绍。 ( 动画介绍七巧板的来历)

七巧板是从我国古代的“ 宴几”演变而来的,又有人改进得到了四巧板。( 课件出示) 这就是一个四巧板。 看! 老师也带来了一些用四巧板拼成的图案。 感兴趣的小朋友课后可以去研究研究,去拼一拼,愿你们今后能拼出更多更美的图案,越变越聪明!

【 设计说明 :课后延伸 ,给学生留有思维空间 ,更好地发挥了学生的创造力和想象力。 】

【 资料链接】 四巧板 ,是一种类似七巧板的智力玩具 。 四巧板由一块长方形( 拼图中的大写“ 一”字) 分解的4块不规则形状组成。 其中有大小不同的直角梯形各一块,等腰直角三角形一块,凹五边形一块。

这种拼板智力游戏,源自日本,也叫“ 博士板”,因为这种板不仅用来作为课外活动的玩具,而且还用来测试智能,根据拼图的难易,分成九档:婴儿水平、幼儿水平、初小水平、高小水平、初中水平、高中水平、专科水平、大学水平和博士水平。 也就是说,如果能拼出最难的图形,就能达到博士水平的智力。 这种拼板在日本还有一个名称叫“ 吉四六之谜”,意思是“ 难解之谜”。

其实,这种拼板在我国古时和西方都有,只不过名称不同。 中国古代称它为调合板,这个名字很吉祥,是拼出的图块很协调的意思;西方叫它为T字板,因为它能拼出一个T字来。

四巧板:

有趣的磁铁教案 篇3

【教学目标】

1．能用简单器材做简单的观察实验，并做实验记录；能选择自己擅长的方式表述研究过程和结果；能倾听和尊重其他同学的不同观点和评议。

2．在与他人合作学习和探究活动中，体会合作与交流的愉快；乐于探究和发现周围事物中的奥秘；意识到科学、技术和社会是有机结合的，增强把学到的知识应用于生活的意识。

3．知道磁铁的基本性质，了解生活中磁铁的应用。案例背景分析：

《有趣的磁铁》一课选自青岛版义务教育课程标准实验教科书《科学》三年级下册。本课教科书包括四个板块：活动准备、活动过程、自由活动、拓展活动。活动准备提示了本课探究活动主题——磁铁有什么性质？利用文字及图示方式提出了需要学生课前准备的建议：了解生活中哪些地方用到了磁铁；准备各种各样的磁铁、曲别针、小螺丝、剪刀等。活动过程和自由活动是课堂探究活动的主体部分。活动过程只有一个活动：玩磁铁，看看有什么发现。自由活动是说一说生活中哪些地方用到了磁铁。拓展活动安排了“调查了解磁铁还有哪些应用,写一份调查报告”的课后活动指向，将探究活动延伸至课外，体现科学、技术与社会的有机结合。教科书这样编排，符合学生的身心发展规律，体现着让学生经历“准备材料——发现问题——设计实验——实验探究——获得结论——实践应用”的科学探究过程，从而让学生“真刀真枪”地学科学、做科学。

本课主要采用了“单向喇叭口式”的教学方式，课堂探究活动从“玩磁铁，看看有什么发现”这一活动指向展开，整个活动过程是一个统整的、逐渐开放的过程。本课主体活动基本遵循“探究——发现——再探究——再发现”的活动进程展开，学生在整个活动过程中不受活动阶段的限制，教师在活动中完全以旁观者的身份出现，真正让学生成为学习的主人、活动的自控者。教学过程描述：

课前谈话：

师：同学们，你能告诉老师你平时最喜欢做什么吗？（学生自由汇报）

师：我发现你们都非常喜欢玩，乐于参加与玩有关的活动。作为老师，也非常关注同学们的玩。如果这节课我们一起来玩，你想玩多长时间？

（学生谈自己的想法）

[课前谈话的设计基于以下两方面考虑：1．课前教师采用谈话的方式与学生展开交流活动，以“平时最喜欢做什么？”为切入点，以学生最感兴趣的“玩”的话题为谈话内容，在课未开始就紧紧抓住了学生，为课的开始营造了一种和谐的、平等的氛围。2．孩子的天性就是玩。要是让孩子自己选择，那他会选择“玩一节课”，这是学生的真实想法。但在课堂上学生可能一开始不敢这样说？ 1

因为我们的课堂还受多少年来形成的“学习课堂”的影响，对学生而言，课堂上的玩是违规的，能玩上10分钟已经是很大的“出格”了，那敢奢望能玩一节课！这样设计的意图目的在于让学生袒露自己的真实想法，并从教师的充分肯定中获得认同感，从而对教师产生信任感，轻松拉进师生的距离，好的开始已经成功了一半。]

一、观察交流，直奔主题。

（可以结合课前谈话引入新课）通过刚才的交谈，老师知道同学们都喜欢玩，你可别小看玩，因为很多的科学道理就是在我们玩的过程中发现的，很多有价值的问题也是在玩的过程中提出来的。今天，我们就是要通过玩的活动来进一步认识一位老朋友。（出示条形磁铁）你看老师给你们带来什么好玩的？

（学生回答，板书课题）

师：你们玩过磁铁吗？你是怎么玩的？（学生交流自己的玩法）

师：看来大家对磁铁都不生疏，你们都玩过什么样的磁铁？给它们取个名字吧！（学生交流自己玩过的磁铁，教师将学生描述的磁铁的形状或名字板书到黑板上）

[磁铁的形状是多种多样的，对它们形状的描述也是不确定的，应该没有固定的名称。在教学过程中，教师将给磁铁形状命名的权利放给了学生，按照学生的理解给磁铁命名，这体现了教学的开放性和学生学习的个性化。]（教师将一条形磁铁放到实物展台上）请同学们仔细观察磁铁，看看磁铁上有什么？（学生观察后汇报，教师板书：S N。如学生不能说到“磁极”，教师可直接讲解给学生）[科学课虽然以探究为核心，但并不是说什么都需要学生进行探究。本环节教师在处理“磁铁”名称及“磁极”时，如学生不能说出，就可采用“讲授”的方式，直截了当的“传授”给学生，做到“该讲的就讲”。]

二、开放空间，自由探究。

师:同学们的观察非常仔细，这节课我们就来玩有趣的磁铁。（板书课题：有趣的磁铁）

师：请同学们注意，在玩的过程中用简单的语言或者图画的形式记录你们的发现，看哪个小组发现的最多？如果你们感到这是一个重大发现，可用 ☆ 表示出来。

（学生自由探究20分钟，教师巡视指导）

[“用简单的语言或者图画的形式记录你们的发现”体现了新的教育理念，学生能够自主地选择自己喜欢的方式记录活动发现，摒弃了模式化的记录方式，为研究结果的呈现提供了一个自由的、开放的空间，体现了学生学习的个性化；用“☆”标注自己的重大发现，将对研究成果的评价权交给了学生，“重大发现”由学生自己确定，自己评价研究发现的价值，充分体现了新课程的评价理念；实验取证，是科学探究的一个重要环节，要保证这一环节获得充足的实验证据，就必须给学生足够的时间和空间，让学生“真刀真枪”地搞研究，切忌走马观花，华而不实。本环节教师毫不吝啬地 2

让学生尽情地“玩”20分钟，在这样宽松、开放的时空中，每组学生至少能充分地参与到一个探究磁铁特性的活动中，找到磁铁的两个特性，经历了科学探究的过程，体验到了成功的喜悦和重大发现的快感，较好的张扬了学生的个性。] 活动结束，教师组织学生把材料放回实验盘，并提示学生把没记完的记录抓紧时间填完，记完的小组再充实一下。

（学生关注自己小组的记录表，详细记录自己的实验发现。）

[在这样的课堂上，学生探究的时间很充裕，就是没有组织整理的时间，在热火朝天的探究活动之后，提醒学生做好记录是非常必要的，这需要一个“反思”的过程。因为孩子终究是孩子，你一旦给了他宽松的活动时间和空间，它就会自然地把注意力倾注到活动中，而忽视了记录与整理实验数据、现象和发现。因此，设计这样一个“思一思”的环节，给学生一定的时间组织整理自己的探究收获，再进行汇报，既可以提高汇报研讨的质量，又可以培养孩子的语言组织能力。另外，这一策略，也为学生从“玩”磁铁的探究活动环节过渡到表达与交流环节创设了一个“缓冲区”，使学生的心理状态由兴奋、激动逐渐恢复到平静状态，然后再通过表达与交流活动掀起下一个活动高潮，使课堂教学经历了一个从动到静再到动的过程，体现了课堂学习的节奏感。] 师：哪个小组最想说说你们是怎么玩的？有什么重大发现？交流的时候，发言的同学要清楚地说明你们的发现，其他同学要求认真听取别人的发言，在别人发言结束后进行补充和质疑。

[倾听，不仅是一种学习态度问题，更重要的是它体现了人与人之间的相互尊重，是合作学习的一种技巧，学生只有乐于倾听，才能将自己的想法与同学的想法进行比较，进而重组自己的信息体系，逐渐实现相互认同、相互接纳。教师适时地提醒学生注意倾听别人的发言，不但有利于学生形成良好的学习习惯，而且使课堂教学有序进行。]（学生以小组为单位进行交流。下面是一段学生交流的课堂实录。）

生：我们把磁铁放到小车里，相同颜色的磁铁碰到一块，小车迅速推开。不同颜色的磁铁碰到一块，小车吸在一起，这是我们的重大发现。

师：“不同颜色的磁铁”是什么意思？ 生：是指两块磁铁不同颜色的两端。师：颜色不同，说明什么不同？ 生：说明磁极不同。师：颜色相同呢？ 生：说明磁极相同。

师：磁极相同，我们可以说“同极”（板书），磁极不同我们可以说“异极”（板书）。能把你们小组的发现再说一遍吗？

生：把磁铁放到小车里，相同的磁极碰到一块，小车迅速推开。不同的磁极碰到一块，小车吸在一起。（教师随即板书“推”、“吸”）

师：“推”也就是“排斥”，我们可以简写成“斥”

（师完善板书：同极相斥，异极相吸）

[教师的疑问“‘不同颜色的磁铁’是什么意思？”指出了学生语言表达上的疏漏。这一简单的质疑，却有三层意义：一是为学生学会倾听树立了一个榜样，暗示学生要注意倾听他人的发言；二是提示学生注意语言表达的准确性；三是为学生间的质疑问难提供了一个“激发点”。另外，磁铁磁极间的相互作用是本课探究发现活动的一个重点，也是本课教学的一个难点。在这一难点的处理上，教师选择了“引导”，因为要靠学生自己的努力是很难将结论归结到“同极相斥，异极相吸”上来的。学生已经知道了磁极间的相互作用的规律，只是不能科学、规范的加以描述，教师巧妙地“拉”一把，这是明智之举。] 生：用磁铁吸铁屑的时候，两端吸得多，中间吸得少，这说明两端的力量大，中间的力量小。生：是磁力大，不是力量！师：真棒，你听得很认真！

（师板书：两端磁力大，中间磁力小）

[课堂上，教师就应该抓住这些“稍纵即逝”的教育契机，及时地鼓励、渲染，树立典型，引导学生学会倾听，从他人的发言中发现问题、提出问题、阐述观点，轻松地将课堂推向高潮。] 生：把磁铁用线吊起来，静止后，磁铁会指向南北。生：我们把磁铁放到水里的泡沫上，磁铁也会指南北。生：旋转的小磁针静止后，也会指南北。（师板书：指南北。）

生：磁铁只吸铁的东西，不吸铜、铝的东西。（师板书：吸铁）

生：把曲别针放到盛水的玻璃杯里，隔着玻璃杯也能把曲别针吸上来。„„

师小结：刚才，同学们在玩的过程中，发现了磁铁的好多秘密，实际上这些都是磁铁的一些性质，好多的科学家费尽周折才研究出来，可我们一节课就发现了磁铁的这么多性质，而且都是“重大发现”，太了不起了。

（学生为自己的重大发现鼓掌）

[看看学生的发现，就不难想象课堂活动的效果。只要你给学生足够的时间和空间，创设宽松愉悦的课堂探究氛围，学生就能把“蛋糕”做大，把“雪球”滚大。]

三、生活应用，课后拓展

举例说明磁铁在日常生活中的应用。（学生举例）

师小结：通过交流，我们发现生活中好多物品都用到了磁铁，而且磁铁正越来越多地运用到生产生活的各个方面，如垃圾处理场用大磁铁分离出垃圾内的废铁、废钢等金属。课下要注意观察，了解更多磁铁在生活、生产中的应用。

师：对于磁铁，你还有什么疑问吗？

（学生自由提出自己的问题，教师可以进行重点板书）

师：这么多的问题，在课堂上是无法解决的，不如大家课后亲自去研究，有了结果告诉老师和同学们。

体会与反思：

1．身边的科学是探究活动的源头活水。

身边的科学每时每刻都影响着学生的学习与生活，学生平时对身边的科学现象已有一定的生活体验，但是学生往往不能有意识地去关注和研究，本课以学生身边熟悉的、常见的事物——磁铁为研究对象，设计了学生感兴趣的探究活动，符合学生喜欢做游戏和进行小研究的特点，学生通过亲历活动，感悟到身边处处有科学我们的生活离不开科学，我们也能做科学。

2．充分的课前准备是探究活动顺利展开的前提。

在科学课教学活动或学生自己设计的实验中，教师应考虑到：学生可能会做些什么？他们需要哪些材料？可能会碰到什么难题？学生可能对什么感兴趣，什么能够引起学生的注意力？他们会有什么发现？可能会得出什么错误的结论？最终他们又会得到什么？等等，这些都需要教师课前进行充分的预测，并做好充分的准备。这些准备是多个层面的，有材料准备、也有知识储备方面的准备，更有课堂预测方面的准备。本堂课要让学生充分的活动起来，首要的是要准备充分的、结构性强的材料。本课是一节典型的实验探究课，因此实验材料的准备非常重要，这是上好这节课的前提。为了上好这节课，课前进行了两方面的材料准备：一是布置学生课前收集各种各样的磁铁；二是我准备了各种形状的磁铁（条形、环形、马蹄形、圆柱形、方形、不规则形等）、断裂磁铁、铁屑、细绳、铁器、铜器、、铝器、曲别针、大头针、指南针、塑料棒、小车、泡沫塑料、水槽等，并且保证每组材料的数量充足。由于材料准备充分，学生在课堂上才表现出空前的积极性和创造性，在玩各种各样磁铁的过程中不仅发现了磁铁的性质，还找到了多种解决问题的方法，培养了学生的探究意识和探究能力。

3．只要把学习的主动权交给学生，每个学生都会成为伟大的发现者。

探究的目的就是让学生在活动过程中有所发现，学生的发现越多探究越成功。“探究既是科学学习的目的，又是科学学习的主要方式，亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径。”三年级的学生并非一张白纸，他们具备与生俱来的探究本能。探究过程就要从学生不知道、不了解的地方入手，制造矛盾、困惑是激励学生进一步探究的动力。本课活动的重点放在学生玩磁铁的活动中，期望学生在这一活动过程中有较多的发现，因此，课堂中留给学生二十分钟的时间投入“玩磁铁，找发现”的课堂探究活动之中，学生有足够的时间去实验、去发现。学生在玩中发现问题，在探究活动中解决问题，让学生真正经历了一个较完整的探究过程。在本课教学过程中，问题是学生在玩的过程中自己发现的，问题又是自己想办法解决的，学生的主体性得到了充分的发挥。因此，学生在这种自由的、开放的探究情境中不仅发现了磁铁吸铁、隔着物体也能吸铁、两端磁力大、指 5

南北、磁极间相互作用的性质，还发现了磁铁对电视屏幕、收音机信号的影响、磁力线的形状、断裂磁铁磁极的变化、磁化现象、磁偏角现象，有的学生还利用自己带来的废旧马达、喇叭等提出了有关电磁铁的问题。所有这些，都是我们下一步科学课应该达到和实现的目标，也体现了每个学生都是伟大的发现者这一客观事实。

4．让学生带着问题离开课堂。

有趣的磁铁游戏 篇4

【教学内容】

大象版小学科学三年级下册第三单元第二课《有趣的磁铁游戏》。【教学目标】

1.通过看、摸、说等活动,能够识别磁铁的形状,大胆猜想磁铁的名称。2.通过游戏,探究磁铁的特性。

3.能举例说明磁铁在生活中的应用,增强学生学科学、用科学的意识。

【教学重难点】

重点:指导学生认识磁铁性质,运用磁铁性质进行磁铁游戏。难点:在游戏中运用磁铁性质分析解决磁铁游戏中的问题。【教学准备】

1、教具准备:磁铁、课件、学具塑料包等。

2、学具准备:活动记录表、各种各样的磁铁;细绳、铁钉、大头针、曲别针、木块、泡沫塑料、硬币、橡皮等。

【教学过程】

一、谜语激趣、导入新课

1.师：同学们，喜欢猜谜语吗？今天老师也给大家带来一则谜语，大家猜猜看是什么。“一物脾气怪，专把钢铁爱，一碰就粘住，不拉不分开。”学生猜谜语。（磁铁）

2、出示磁铁，揭题，板题。

同学们真厉害，看这就是磁铁，你们喜欢玩磁铁吗？我们今天就 一起来玩一玩“有趣的磁铁游戏”。板书课题。

二、认识磁铁,讨论命名

师:一提到磁铁,相信大家都玩过,你们平时都玩过什么样的磁铁呢?学生回答。

师:同学们可真善于观察呀,课前老师也搜集了不少磁铁,想看吗?(课件出示)师:磁铁的种类可真多呀!下面我们就来认识一些常见的磁铁,你能根据它们的形状给这些磁铁起一个名字吗?(出示各种形状的磁铁的图片:蹄形磁铁、条形磁铁、环形磁铁、圆形磁铁、磁针、磁棒)师:上面所出示的磁铁虽然形状各不相同,但它们都有着相同之处,请同学们仔细观察一下,说说看。学生答:颜色不同,上边标的有不同的字母等。

师:那么,我们把标有S的这一端叫做磁铁的S极(也叫南极),把标有N的这一端叫做磁铁的N极(也叫北极)。师提问:磁铁有2极,它们分别是南极和北极。[生答,师板书。]

三、玩中求学,探索性质

师:同学们给磁铁起了非常恰当的名字,它们可开心了。瞧,它们正在开心地玩找朋友的游戏呢!同学们,你们猜一猜,哪些会是磁铁的朋友呢?(一生说),有不同的猜想吗?我们的猜想对不对呢?验证一下就知道了。下面咱们就通过游戏活动来验证大家的猜想。在这每个活动中,我们都必须做到哪些呢? 【课件出示】: ★磁铁比较脆容易断,做实验时要注意保护好实验器材。★每个游戏活动都有相应的材料袋,用完的实验材料要及时地整理好,要物归原处。

★每个游戏活动做完后,请填好活动记录。学生齐读一遍。

师:能做到吗?现在让我们开始第一个游戏—《磁铁找朋友》 1.游戏一:磁铁找朋友

师:每个小组的学具袋里都装有“活动一”的料,里面装有这些材料,【大屏幕出示】在做游戏之前,咱先说一下游戏的要求【课件出示】:所需材料:游戏(一)的材料包。活动要求:1.能被吸引住的物体下面打“√”师:看哪个小组分工明确、做的最好。学生亲自动手操作,观察,总结。小组汇报实验结果。

师小结:磁铁能吸铁做的东西。我们把磁铁的这种本领叫磁性。师:那磁铁是否隔着纸、木板、薄铁片等各种材料仍能吸起回形针呢?(生猜想)师:试试看。生汇报,师课件出示。师:根据刚才的实验收获,请判断一下,下面哪些材料能被磁铁吸住? 2.游戏二:磁铁争夺赛

师:我们现在已经知道了磁铁有磁性,那磁铁两头和中间的磁力大小相同吗?(生说猜想)我们怎样才能证明呢?(做实验)师:对!只有自己真正动手实践了才能得出正确的结论。出示游戏要求:所需材料:游戏(二)的材料包。活动要求:1.先用蹄形磁铁或条形磁铁的两端分别去吸大头针;再用中间去吸引大头针,看哪部分吸引的大头针多。2.3 学生分组实验、汇报(课件出示实验结果)师板书实验结论:同极相斥、异极相吸。

3.游戏三:磁铁对对碰

我们已经知道了磁铁的磁力各部分各不相同,如果让一磁铁两端去碰另一磁铁两端,他们会一直友好地在一起吗?想知道答案吗?那就让我们一起进入第三个游戏“磁铁对对碰”。出示游戏要求:所需材料:两块条形磁铁。活动要求:1.先拿一块磁铁的N极、S极分别去接近另一块磁铁的N极、S极。2.学生分组实验,汇报(课件出示实验结果)师:看看我们的实验记录,你发现了什么?(板书实验结论:同极相斥,异极相吸)4.游戏四:磁铁转转转

师:还想玩游戏吗?还是先听游戏要求:1.把磁铁放在塑料盒里,然后把塑料盒轻轻的放在水槽里,再用手轻轻拨动塑料盒,等塑料盒静止不动时,磁铁会指示哪个方向?师:大胆的猜想一下,(生说猜想)我们教室里哪边是南?哪边是北?师:好,事实胜于雄辩,让我们做实验验证一下。注意轻拿轻放,尽量不要把水洒在桌子上。每小组做最少做三次实验。

四、联系生活,总结收获

过渡:通过以上的4个游戏,你知道了磁铁的哪些知识?(1)师:同学们已经了解了磁铁的性质,下面让我们放松一下了解一点小资料吧!师:我国是世界上发现和利用磁铁最早的国家,“司南”就是我国劳动人民利用磁铁的实例。【课件出示:司南】(2)师:除了指南针应用了磁 铁之外,生活中还有哪些地方也应用了磁铁?(学生举例)。老师也搜集了一些例子:【出示课件:冰箱的门,塑料文具盒的盖子等等。】师:咱们在利用磁铁做游戏时,知道了磁铁的性质,关键要学会利用所学的知识解决一些生活问题。

1.解决问题:如果我们的曲别针不小心掉到盛水的杯子里,既不能把水倒掉,又不能用手直接取,你有什么好办法取出曲别针吗? 师:生活中还有许许多多的科学知识等待我们去探索,去发现,老师相信,只要同学们坚持在猜想的基础上,勤动脑,多观察,多动手,就一定会有更多的发现!

【板书设计】 有趣的磁铁游戏

指南北 吸引铁

《有趣的磁铁》教学设计 篇5

一、教材分析：

本课的课程要求是让学生接触精彩纷呈的物质世界，带领学生走进“磁”这一物理现象，探索其中奥秘。本课就是结合《课程标准》——物质世界中能量的表现形式，探究磁铁的各种性质，目的就是想借助学生已有的生活经验，让学生在游戏的过程中，经历观察、实验、搜集整理信息等科学探究的一般过程，体验到探究的乐趣。在与同学相互合作进行科学探究的过程中，学会分享、欣赏、尊重他人的劳动成果。

二、学情分析：

学生对科学学习有了一定的基础，也积累了一些简单的科学探究的方法。三年级学生差不多都玩过磁铁，对磁铁有一定的经验储备。本课的目的是使学生初步建立磁铁的概念，并能利用磁铁的磁性进行简单制作。通过学习激发学生对磁铁研究的强烈兴趣，为后面进一步研究调动学生学习的自主性奠定基础。

三、教学目标：

1．能够通过游戏认识到磁铁的磁性；能够对磁铁在生活中的用途做相关的解释；能够表达交流自己的体会、发现与见解；能够设计、制作与磁铁有关的小玩具；初步学习撰写调查报告。

2．乐于探究和发现周围事物中的奥秘；意识到科学、技术和社会是有机结合的，增强把学到的知识应用于生活的意识。

3．知道磁铁的基本性质；了解磁铁有异极相吸、同极相斥、磁力有大小、两极的磁性大等性质；知道磁铁在生活中的一些应用。

四、教学过程：

（一）教学准备阶段

课前布置学生准备各种式样的磁铁及有磁铁的物品。准备制作的材料，如指南针、大头针、铁屑、曲别针、小铁圈、剪刀、纸板等。

（二）具体教学过程 活动一：创设情景导入。

故事导入：今天的天气真不错，山脚下有一颗老桃树，上面结满了又大又红的桃子，谁最爱吃桃？（小猴）小猴心里乐开了花，一蹦一跳去摘桃，这个桃子个儿最大，咬一口，味道好极了。

师：大家猜一猜小猴子是怎样爬到树上摘桃的？（学生进行猜测。）[开课伊始，根据学生的年龄特点，教师通过磁铁玩具的表演，配以故事讲解的形式创设情景，组织学生进行猜测与交流，引出磁铁。以激发学生的研究兴趣，有利于开展探究活动。] 板书：磁铁。活动二：玩磁铁。

师：同学们都认识磁铁吗？喜欢玩吗？你们想怎样玩？（学生小组进行讨论与汇报）

[从学生最感兴趣的“玩磁铁”活动入手，组织学生对怎样“玩”进行科学的设计，在学生的谈论与交流中，引出“给磁铁找朋友”“悬吊磁铁”“吸铁屑”“磁铁干扰”等玩的方法。科学合理的实验设计有利于探究活动的有效开展。] 师：你们竟然想到了这么多玩的办法。那咱们现在就来玩一玩吧，四人小组玩的时候，请大家注意观察，随时把你们的发现记录在表格里。

（学生小组活动探究。）

[让学生自由组合下位到周围去玩磁铁，通过自己的观察结果会生成很多有关磁铁的问题，初步建立“磁性”的概念。] 师：同学们玩得开心、看得仔细、记得认真。你们都有收获吗？哪个小组愿意为大家介绍你们的观察结果？

（学生小组进行汇报。）

[这一活动侧重于让学生经历“发现问题——设计实验——实验探究——获得结论”的探究过程。培养学生观察实验、整理、分析实验现象，得出科学结论的能力，使学生乐于探究和发现周围事物的奥秘。] 师：请同学们动脑筋想一想，能被磁铁吸住的东西是什么材料做成的？不能被磁铁吸住的东西是什么材料做成的？（学生讨论发言）

师：磁铁能吸引铁一类的材料做成的物体，这种性质叫磁性。

[通过学生“给磁铁找朋友”这一探究活动，帮助学生认识了磁铁有磁性这一概念。] 师：大家真是善于观察的小科学家，谁再来说说你还有什么发现？（学生继续进行交流）

师：有关这些其它的发现，请大家回家查找有关资料，咱们在后面的学习中再进一步研究好吗？

[旨在引导学生积极的参与研究，如相斥、相吸、磁力的传递、两极的磁力大、磁铁干扰无限信号接受、隔物吸铁等性质，需要进一步的探究，使探究更深一层，让学生体验到科学研究永无止境，以此激发学生探究的欲望。] 活动三：磁铁的用处。

师：刚才老师看到大家手里的磁铁形状各不相同，能不能根据形状给你们的磁铁起一个名字？（学生上台画并起名字。）

[教师归到统一的名称：蹄形磁铁、条形磁铁、环形磁铁、圆形磁铁、不规则形磁铁等。引导学生认识磁铁的形状、大小，并根据形状给自己的磁铁起名称，充分培养了学生发散思维，然后统一到一般的称呼上来，以便在以后的研究中使用。] 师：其实无论什么形状的磁铁都具有磁性，人们利用磁铁的这一性质服务于生活，你知道在我们身边那些地方用到了磁铁？

（学生发言交流）

[引领学生观察生活中哪些地方用了磁铁。通过学生交流已有的经验，让他们体会到磁铁与我们的生活非常贴近，进一步深化了学生研究磁铁的兴趣。] 活动四：制作磁性小玩具。

师：原来磁铁的用处这么多。老师还利用磁铁的磁性作乐像这样好玩的磁性小玩具。你们想不想也来做个玩玩？小组讨论一下，你们想设计什么玩具？（学生讨论、发言。小组合作制作并交流展示）

[提出挑战性问题：“想设计什么样的玩具？”旨在激发学生探究兴趣，启发他们创造性的应用知识。这一部分是本课的难点，学生自己设计创造并合作完成，相互交流，提高了合作能力与动手动脑能力，进一步激发学生对磁铁的兴趣，为后面的研究学习奠定基础。] 活动五：总结。

师：这节课你有什么收获？评价一下你和同学的表现吧。

（学生发言。）

师：大家今天像科学家那样动手动脑，而且合作的很愉快，学到了这么多知识。有关磁铁还有许多秘密，咱们在今后的学习中继续研究好吗？

[课的末尾，我以学生在前面玩磁铁时发现的有关磁铁的其他问题为引子，进一步启发学生回家查找有关资料，把磁铁的研究延伸到课外进一步思考和研究。]

五、课后反思：

本课让学生通过对磁铁的探究，初步了解磁铁的性质，产生进一步探究的欲望。更重要的是让学生借助对磁铁的探究，亲历科学探究的过程，掌握观察、实验、查阅资料等探究方法，培养科学探究的兴趣，为今后科学探究活动奠定良好的基础。

燃料电池汽车用电磁铁的优化设计 篇6

在氢燃料电池汽车系统中,储氢瓶口的电磁阀是燃料的流量控制不可缺少的控制元件之一。它可以直接控制35MPa高压氢气的通断,目前只有少数国家能够生产[1,2,3]。作为操动机构的电磁铁要求在小功率、小体积的条件下具有很大的推力,是设计难点之一。电磁铁吸合面的形状和上下位置对电磁力影响很大,在不改变功率和体积的条件下,可以增加电磁力,因此吸合面的优化对于氢燃料电池汽车用电磁铁的设计具有重要意义。

对于电磁铁的优化设计可以分为解析法和有限元法两类。其中,Patrick N提出了一种设计最小能量电磁铁的解析方法[4]。毛万镈等针对圆柱形单稳态永磁接触器操动机构的多目标动态优化设计问题进行了研究[5]。侯永涛等采用基于集成设计平台的方法,对电磁体的设计过程、方法和数据进行集成,实现了电磁体的优化和稳健设计[6]。张志洲等以降低悬浮能耗为目标,提出了一种适合工程应用要求的全尺寸永磁电磁混合磁铁的结构优化设计方法[7]。Sang-Baeck Yoon等使用3DFEM方法对移动铁心的形状进行了优化[8]。JeolMaridor等采用FEM模型和遗传算法优化线性执行器的形状结构[9]。陈棣湘等以有限元分析为基础,采用程序优化设计方法对悬浮电磁铁的几何参数进行优化设计[10]。杨泽斌等利用Maxwell 3D有限元仿真软件,得到了最佳的电磁体非对称结构参数[11]。

综合分析前述电磁铁优化方法,解析法耗费的计算资源和时间少,但由于采用简化公式,计算精度较低,而且对于电磁铁吸合面的计算没有相应的公式。采用有限元方法优化设计,可以提高计算精度,但是用有限元法进行定性分析往往无法取得全局优化的结果。而采用有限元和优化算法定量分析,需要对设计空间中的每个点都要进行有限元计算,计算资源和时间耗费非常多,因此难于有效地应用于电磁铁吸合面的优化设计。本文基于均匀设计和有限元方法计算样本数据,利用支持向量机建模的方法建立了电磁力与吸合面形状和上下位置的非线性模型,作为优化计算时有限元模型的替代快速模型。然后用遗传算法对吸合面形状和位置进行优化。最后进行了实验验证。

2 电磁铁吸合面参数和电磁力

电磁铁结构如图1所示,它由静铁心、外壳、环形铁心、动铁心、线圈和弹簧组成。吸合面的形状和位置由三个参数描述,其中吸合面到环形铁心的距离用h表示,变化范围: 0 ~ 38mm; 吸合面上表面圆环宽度用u表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm; 吸合面下表面圆环宽度用v表示,变化范围: 0. 5 ~ 4. 5mm。

不同吸合面参数值下的电磁力可通过有限元软件Ansoft计算。由于电磁铁轴对称,所以使用轴对称场模型,如图2所示。其中,静铁心、外壳、环形铁心、动铁心的材料为普通钢,线圈安匝数为500A。

3 建模样本

3. 1 吸合面参数构成的混合因素水平表

根据上述吸合面参数变化范围,考虑到模型的强非线性和加工精度要求,u、v、h分别取9、9、20个水平,组成如表1所示的混合因素水平表。

由于吸合面上表面圆环宽度u和吸合面下表面圆环宽度v受到铁心半径的限制,因此u和v还要满足下面的约束条件:

3. 2 建模样本点的选择

根据表1,如果采用全面试验设计的方法选择建模样本,则至少需要9×9×20 = 1620次有限元计算,由于计算资源和时间耗费太多,这种方法在工程上无法实现。因此,需要在设计空间中选择有代表性的点。为了建模准确,应该使用填满空间试验方法选择样本[12,13],使建模样本能够反映出设计空间各处的情况。此外,还必须考虑工程问题对计算数量的要求。

正交设计和均匀设计是常用的部分因子试验设计方法。正交设计既有“均匀分散”特点,使试验点有代表性; 又有“整齐可比”特点,便于试验数据的分析。但是为了保证“整齐可比”的特点,正交设计至少需要9×20 /2 = 90次试验。本文为了建模准确,只需样本点均匀填满设计空间,所以本文选择试验次数较少的均匀设计方法选择建模样本。

均匀设计试验方法是我国数学家方开泰和王元针对多因素控制且精度要求较高的试验问题提出的一种试验设计方法[14]。该方法使少量的试验点在试验范围内最大限度地均匀分布。实践表明,使用这种方法安排试验点只需很少次数的试验就可以接近全面试验的效果。

本文采用数值优化方法构造均匀设计表[15,16]。给定试验次数80,取中心化L2偏差( Centered L2discrepancy) CD2作为均匀性度量,从所有U型设计中选择均匀性度量CD2最小的U型设计作为均匀设计。所以取其中一半作为样本。样本点在设计空间中的分布情况如图3所示。

3. 3 建模样本的建立

根据均匀试验设计表的安排,按照相应的吸合面参数值在Ansoft中计算电磁力F,构成建模样本。如表2所示,由于篇幅所限只列出一部分数据。

4 支持向量机回归建模

由建模样本表可以看出,电磁力与吸合面参数u、v、h之间的关系是非线性的。对于非线性系统而言,系统模型的建立并没有统一的方法,用得较多的方法为神经网络方法。但神经网络的局部极小点、过学习以及结构和类型的选择过分依赖于经验等固有的缺陷,严重降低了其应用和发展的效果。支持向量机回归成功地克服了神经网络的这些缺陷[17]。

4. 1 非线性支持向量机回归

非线性支持向量机回归[18]的基本思想是通过一个非线性映射Φ(·) ,将非线性训练集x映射到高维特征空间,并在这个空间进行线性回归,从而取得原空间非线性回归的效果。假设给定训练样本集{ ( x1,y1) ,…,( xl,yl) } ,l为样本数。考虑用非线性回归函数来估计,见式( 2) 。

为了保证回归函数最平坦,必须寻找一个最小的w,为此,采取最小化欧几里德空间的范数。假设所有训练数据( xi,yi) 都可以在精度ε下拟合,那么寻找最小w的问题就可以表示成凸优化问题:

考虑到允许拟合误差的情况,引入松弛因子,回归估计问题转换为最优化问题:

式中,C > 0为惩罚系数,C越大表示对超出ε管道数据点的惩罚越大。

式( 4) 是基于以下的ε不敏感损失函数得出的。该函数表示如下:

求解上述优化问题一般采用对偶理论,可以得到对偶优化问题:

式中

拉格朗日乘子

核函数

回归函数为:

式中,SV表示支持向量( Support Vector) 集合,b依的计算如下:

式中,NSV为标准支持向量( Normal Support Vector)集合,是落在ε管道上的数据。在计算回归函数时并不需要显式计算该非线性函数,而只需计算核函数,从而避免高维特征空间引起的维数灾难问题。核函数的选择必需满足Mercer条件,核函数的种类较多,本文核函数选择RBF函数:

4. 2 电磁铁吸合面支持向量机建模

本文选择u、v、h三个吸合面变量作为支持向量机模型的输入,模型输出为电磁力F。支持向量机采用RBF核函数。σ取0. 9,惩罚系数C取27. 8。全面试验中随机选取200个样本作为测试集。程序在CPU主频为2. 4GHz,内存为1G的计算机上运行了5. 3s。图4为支持向量机模型估计值与实际值比较曲线。图4中实线为实际值,虚线为估计值,训练集均方误差为0. 0019,测试集均方误差为0. 0021。可以看出模型泛化能力好,精度较高,可以满足工程需要。

5 基于遗传算法的吸合面优化设计

遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化算法[19]。

5. 1 优化设计数学模型

( 1) 目标函数

遗传算法优化的目标函数是前文建立的基于支持向量机的吸合面电磁力模型,记为F = svm( u,v,h) 。其中,F为电磁力,svm( ) 表示此模型基于支持向量机,u,v,h为吸合面参数。设计要求是使电磁力最大。

( 2) 约束条件

设计变量约束为:

另外,受到铁心半径限制,u和v还要满足式( 1) 。

5. 2 遗传算法计算步骤

( 1) 编码。本文采用标准二进制编码,根据问题要求精度串的长度取12。

( 2) 生成初始种群和种群尺寸。本文在设计变量的定义域内随机产生,经过试验本文中种群尺寸为40。

( 3) 适应度函数。本文采用基于排序的适应度函数。

( 4) 选择。本文使用随机遍历抽样选择算法。

( 5) 交叉和变异。本文采用两点交叉方法,交叉概率取0. 7,变异概率取0. 2。

( 6) 终止条件判断。假设t为进化代数计数器,T为最大进化代数。若t≤T,,则t←t + 1,转到步骤( 2) ; 若t > T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出,终止运算。文中最大进化代数T取100。

( 7) 约束条件处理。本文选择罚函数法处理约束条件。

5. 3 优化计算和结果

按照遗传算法的计算步骤,对吸合面电磁力模型进行优化设计,优化结果为u = 3. 61mm,v =1. 39mm,h = 31. 9mm,max F = 14. 421N。遗传算法经过100次迭代种群目标值如图5所示,可见种群中大部分个体目标值趋向最优解。最优解和种群均值如图6所示,由于罚函数为 - 500,远大于正常解,所以种群均值上下波动,但最优解收敛。

6 验证

6. 1 仿真验证

将优化吸合面参数u = 3. 61mm,v = 1. 39mm,h = 31. 9mm代入Ansoft的轴对称场模型中,如图7所示,计算电磁力F = 14. 492N,大于原仿真模型的计算电磁力F = 11. 9N。

6. 2 样机验证

按照优化计算结果,对电磁阀进行了二次试制,如图8所示。并在电磁力测试仪上对电磁铁进行了对比测试。

( 1) 电磁力曲线测试仪介绍

电磁力测试仪如图9所示,包括控制箱和主机两部分。其中主机由伺服电机、压力传感器、连杆、底板等设备组成。操作时,先将移动铁心通过连接件与压力传感器连接,电磁铁其他部分固定在底板上,伺服电机带动连杆向上运动,就可以测试出不同行程下的电磁力,并且存储到测试的存储器中。然后,可以在显示屏中读出不同行程下的电磁力。

( 2) 对比测试

采用上述测试仪,按照上述方法对原样品和二次试制样品进行了电磁力测试,在最大行程下的电磁力分别为13. 5N和17. 2N。

( 3) 误差分析

仿真结果和实验结果的误差来自仿真误差和实验误差两方面。实验误差主要由于测试仪主机很难真正调节水平,动铁心实际在电磁铁中不是垂直运动,因此影响了测量结果。仿真误差主要原因为:为了建模和计算方便,仿真模型是对实际原型的简化,并不完全一致; 仿真模型中使用的材料的磁化特性与材料的实际特性不完全相同; 网格划分的质量和大小会影响计算精度,本文采用Ansoft的自适应网格划分。

对比原样品和二次试制样品的仿真和实验结果可以发现,仿真和实验结果存在误差但趋势一致。而且仿真误差分别为13% 和18% ,可以作为工程设计的参考。

7 结论

本文对燃料电池汽车用电磁铁的吸合面进行了优化设计。首先,利用均匀设计的方法在设计空间中选择设计样本,并用有限元方法计算样本数据。然后,利用此样本数据建立了电磁力与吸合面参数的支持向量机模型。最后,采用遗传算法对吸合面的形状和位置进行了优化。通过仿真和样机验证了方法的有效性。