《帶電粒子在勻強磁場中的運動》教學設計

☆ 趙玲朗 陳佳輝

（1.東北師范大學理想信息技術研究院,吉林長春 130117；2.長春市第八中學，吉林長春 130022）

《帶電粒子在勻強磁場中的運動》教學設計

☆ 趙玲朗1陳佳輝2

（1.東北師范大學理想信息技術研究院,吉林長春 130117；2.長春市第八中學，吉林長春 130022）

為了改善高中物理電磁學教學過程與信息技術的融合，通過創設網絡學習環境來支持學生自主探究學習。使用信息技術將教學內容直觀地呈現給學生，使教學內容清晰化，促進自主探究學習的順利開展，使學生達到高質、高效的學習。

教學設計；高中物理

隨著信息技術的高速發展,高中物理課程改革的進一步加強,新的教材體系以“體現學科體系的系統性”為初衷，展現了濃厚的時代氣息。教學課程的設計與實施也更加重視理論與實際的聯系，力求充分體現物理知識在生活、生產和科學技術等方面的應用，電磁技術在教學過程中也體現出其重要性。現代信息技術的發展強調運用信息技術給學生提供更加豐富的學習資源，把信息技術作為學生學習物理和解決相關問題的工具，致力于教學方法和模式的變革，以及學生能力的培養。

物理是一門抽象的科學，電磁學是高中物理課程的重要組成部分，其內容主要包括靜電現象、電流現象、磁現象、電磁輻射和電磁場等，電磁學內容廣泛、擴展性強、與實際聯系緊密。但電磁學的研究對象相對抽象，運用傳統的實驗手段和方法并不能展現所有的物理現象，需要利用信息技術將一些無法通過傳統教學方式展現的物理現象清晰地呈現給學生，從而加深學生對物理規律的理解與認識，并培養學生的物理建模能力。

高中學生具備一定的理論知識基礎，邏輯思維能力也明顯增強，心智日趨成熟，有獨立自主性，對新知識充滿好奇心，有進取精神。通過信息技術改進教學環境可以豐富學生的學習資源，增加學生的學習興趣，拓展學生獲取知識的途徑，增強學生的學習信心，促進學生的自主探究學習。

信息技術在解決物理學習困難的過程中，不僅帶來了一些積極作用，同時，也存在一些消極影響。有些教師運用信息技術進行教學，只是單純地追求外部包裝，這樣不但會分散學生的注意力，還會遏制學生的思維活動，這樣不恰當地應用信息技術會影響學生物理知識的構建，不利于對物理的學習。信息技術作為支撐物理學習的工具，雖然不斷地更新、發展，但現如今課堂教學大多數還是以教師的講授為主，忽視了學生的主體地位，限制了學生的思維活動，不利于學生自主探究學習。

針對以上高中物理電磁學教學過程中實際存在的問題，為了改善高中物理電磁學教學過程與信息技術的融合，通過創設網絡學習環境來支持學生自主探究學習。使用信息技術將教學內容直觀地呈現給學生，豐富學生的學習資源，提升學生的感性認識，滲透物理思想，充分達到教學意圖。針對教學條件，構建信息化學習環境，支撐學生的自主探究學習，使教學內容清晰化，促進自主探究學習的順利開展，這種教學模式以教師為主導，學生為主體，能夠優化課堂教學過程，使學生達到高質、高效學習。信息技術與電磁學教學的整合有助于提升學生智慧，培養學生的高階思維能力。

一、教學分析

（一）教學內容分析

1.教學內容

《帶電粒子在勻強磁場中的運動》是選修3-1第三章第六節的內容，本節課所要學習的知識是本章的重點內容。本節課按照新課標的教學要求，設置了問題驅動——歸納總結——綜合應用三個環節，實現學生自主探究學習。讓學生帶著問題走進課堂，通過運用信息技術探究解決方法，在解決問題的同時，進行歸納總結，驅使學生進一步探究學習，綜合應用并能夠解決其他相關問題。通過學生自主探究學習，了解帶電粒子在勻強磁場中的受力分析及運動徑跡。培養學生自主探究能力，在學習過程中領悟研究問題中蘊含的物理思想、方法和規律，提高學生的科學素養和使用規律解決實際問題的能力。

2.教學內容特點

本節課是一節實驗探究課，首先提出問題，讓學生帶著問題進行實驗演示，通過實驗演示，學生得到初步的感性認識，然后運用已有知識進行理論分析，引導學生通過理論推導來解釋實驗現象，提高學生的學習興趣，降低課程的學習難度。通過合理地編排教學內容，提出有針對性的問題，方便教師授課，引導學生自主學習。

3.教學內容地位

本節課在歷年高考中，經常以壓軸題的形式出現，是本章的重點內容。本節課以力學、曲線運動、勻速圓周運動、向心力和洛倫茲力等內容作為理論基礎，既復習了力學與電磁學部分已學過的知識，又將二者有機結合，建構新知識的學習過程，在教材中起到承前啟后的作用。根據教學內容，本節課分三個學時完成。

（二）教學對象分析

1.學生的認知特點和情感特點

高中階段學生具備一定的理論知識基礎，對學習有積極性，善于觀察，學習態度端正，思維具有一定邏輯性，針對好奇的問題，具備一定的自主探究與解決問題的能力。讓學生帶著有針對性的問題，在教師適當的引導下，先進行實驗觀察，再進行理論論證，符合一般認知過程。

2.學生已具備的知識與技能

高二學生基礎較好，已經初步具備一定的觀察能力、運用物理語言的表達能力和物理概念學習的思維方法以及從教材中的圖表中提取信息的能力，本節課通過對已有知識的復習，使學生加強對洛倫茲力特點的認識，結合帶電粒子做勻速圓周運動的半徑公式、周期公式，讓學生初步了解帶電粒子在勻強磁場中的運動規律，通過演示實驗和學生自主探究的教學環節，使學生積極參與到學習中，進行自主探究學習，突出學生的主體地位，不僅為本節課的學習提供知識儲備，并且有助于學生學會知識，將內容直觀化提高學生的思維探索能力。

3.學生本課學習存在的困難

本節課學生學習存在的困難是如何圓滿完成自主探究過程，用已學過的知識進行理論推導，并解釋實驗現象，理解和應用帶電粒子在勻強磁場中的運動規律。由于學生探究問題的思維過程和方法有限，需要教師提供適當的幫助，引導學生自己一步步得出帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡情況，并進行分析歸納，使學生圓滿完成自主探究學習過程，享受探究學習的樂趣。

（三）教學環境分析

根據分析學生的學習情況與本節課的教學內容，選擇適當的信息技術支撐教學環境，利用洛倫茲力演示儀、多媒體教學設備輔助教學，提供學生相關虛擬仿真軟件、視頻、動畫和圖片，逐步提出有關問題，分解成多個問題，利用信息技術提高學生探究學習的興趣，降低學生的學習難度，增加課堂教學的有效時間。通過信息化物理實驗教學環境，使學生積極主動參與到科學實驗過程中，體現學生的主體地位，提供學生展現自己學識與見解的機會，培養學生的物理思想、物理方法和科學精神，提高學生的學習智慧，培養其高階思維能力。

二、教學目標

（一）知識和技能

（1）了解洛倫茲力對粒子不做功。

（2）理解帶電粒子垂直射入勻強磁場中的運動徑跡。

（3）能夠推導帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期公式、半徑公式，并解決有關問題。

（4）了解質譜儀的工作原理和回旋加速器的結構、工作原理及用途。

（二）過程和方法

利用多媒體教學設備和洛倫茲力演示儀，使學生了解由洛倫茲力提供的向心力并對帶電粒子在勻強磁場中的運動進行受力分析，并結合勻速圓周運動公式，推導出帶電粒子在勻強磁場中勻速圓周運動的周期公式和半徑公式，解決磁場中運動相關問題。

（三）情感、態度和價值觀

通過本節課知識點的學習，使學生了解帶電粒子在日常生產與生活中的應用，并能推導帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的軌道周期公式和半徑公式，培養學生嚴謹的科學態度和科學素養，讓學生了解物理知識在科技領域的創新與變革作用。

三、教學重點、難點

（1）教學重點：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的軌道周期公式和半徑公式的推導與應用。

（2）教學難點：帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡以及受力分析。

四、教學過程

（一）教學流程圖

根據本節課的教學大綱，設計基本教學結構流程圖如下。

（二）教學環節設計

1.問題驅動

通過復習上節學習內容，明確帶電粒子在勻強磁場中的受力，即洛倫茲力F=qvB。提出問題：帶電粒子垂直射入勻強磁場中，在洛倫茲力F=qvB作用下會偏離原來的運動方向，那么，帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡是怎樣的呢？

（1）觀察洛倫茲力演示儀，播放洛倫茲力演示儀的相關視頻（如圖1）。

圖1

提出問題：

①運用何種方法可以觀察到電子運動的軌跡？（電子射線可以使管內的低壓氫氣（或水銀蒸氣）發光，進而顯示出電子運動徑跡。）

②通過觀察，你所看到的帶電粒子是怎樣運動的？（無磁場時，帶電粒子的運動軌跡是直線；有勻強磁場存在時，帶電粒子的運動軌跡是圓形。）

（2）播放《帶正電的粒子在磁場中的運動》模擬動畫（如圖2）。

圖2

提出問題：

①在什么條件下帶電粒子做圓周運動？此時做什么樣的圓周運動？（帶電粒子垂直進入磁場。帶電粒子勻速圓周運動。）

②帶電粒子為什么會做勻速圓周運動？（因為帶電粒子受到一個大小不變，方向始終與帶電粒子的運動方向垂直的力，即洛倫茲力的作用。）

③帶電粒子的向心力是由哪個力提供的？（洛倫茲力F=qvB提供。）

④根據勻速圓周運動的公式，尋找出半徑與哪些物理量有關？（在模擬動畫中，通過改變帶電粒子的速度，使得學生通過觀察現象，增強感性認知，有助于學生理論的推導。）

⑤洛倫茲力對帶電粒子做功嗎？（不做功。）

⑥模擬動畫中的運動情景與之前學過的哪個運動情景類似？（人造衛星圍繞地球運動、行星圍繞恒星運動——都是由萬有引力來提供向心力。）

⑦帶電粒子運動的速度快慢與哪些因素有關？（不用馬上回答，以此引出周期的推導。）

（3）學生仔細觀察洛倫茲力演示儀，帶著強化的感性認知，用已有知識進行理論分析與推導，進而解釋實驗現象，驗證上述思想，強化軌道半徑公式

（4）播放《初速度不同的帶電粒子在同一磁場中的運動》模擬動畫（如圖3）。

圖3

提出問題：

①通過對模擬動畫的觀察，發現何種規律？（初速度不同的帶電粒子在同一磁場中運動，軌道半徑不同，但運動周期相同。）

②為什么初速度不同的帶電粒子在同一磁場中的運動周期相同？（將得到，由此可見，帶電粒子在磁場中的運動周期與帶電粒子的速度無關。）

〔設計意圖：本環節是科學探究活動的起源，通過播放相關視頻和仿真動畫，激發學生的學習興趣與探究動機，使學生反復觀察帶電粒子在勻強磁場中的運動過程，能夠使學生初步發現問題，并分解成多個階梯式問題，逐步接近結果，得出結論，實現信息技術與課程的有機整合。〕

信息技術整合點：這是信息技術環境下問題驅動學習模式，通過視頻的播放以及問題的提出，激發學生的學習興趣與探究動機，用FLV及視頻剪輯器播放極光的視頻影像，應用Flash展示帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡，讓學生理解傳統學習環境中不可見的現象，讓抽象的內容具體化，使學生發現問題，同時提出問題。

2.歸納總結

（1）利用洛倫茲力演示儀做實驗，研究帶電粒子在勻強磁場中的運動情況。

（2）通過觀察多媒體演示實驗，探究帶電粒子的運動半徑與哪些因素有關，教師進行適當引導，提示洛倫茲力提供向心力，幫助學生開展自主探究學習，探索圓周運動周期公式的推導。

（3）通過信息技術手段，觀察帶電粒子在云室中的運動圖片以及質譜儀的三維動畫演示，了解質譜儀的工作原理。

學生通過觀察《運動電荷垂直射入磁場》的模擬動畫（如圖4），自己動手操作，自由選擇參數，多次進行觀察，記錄每次的圓周運動方向、軌道半徑以及運動周期，針對每次的結果進行對比分析，運用信息技術查找相關學習資源，對之前提出的具有針對性、遞進式的問題逐一進行解決，鞏固軌道半徑和周期公式，通過課件進行驗證。

圖4

〔設計意圖：這一環節是學生自主探究，發現規律的過程。針對之前一系列問題的提出，學生用已有知識做出了預測，借助信息技術手段驗證自己的預測，推導軌道半徑和周期公式，在解決問題的過程中，培養學生的自主探究能力和高階科學思維方法，讓學生體驗到自主探究的喜悅。〕

信息技術整合點：應用PPT，利用洛倫茲力演示儀做實驗，針對提出的一系列問題，學生利用已有的知識做預測，借助信息技術手段驗證自己的預測，推導軌道半徑和運動周期。教師應用PPT展示帶電粒子在云室中的運動圖片，利用BS Contact Player軟件演示質譜儀的三維動畫，調動學生積極性，培養學生的自主探究能力和理論聯系實際的科學思維方法。

3.綜合應用

提出問題：

①探究了解原子核內部結構的方式。

②觀察回旋加速器的三維動畫演示（如圖5、圖6），探究怎樣使帶電粒子獲得更高的能量。

圖5

圖6

③提供世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸的信息，提高學生探究科學的熱情。

〔設計意圖：這一環節是學生解決問題，拓展延伸的過程。通過采用信息技術手段對本節課進行學習，不僅要讓學生理解新知，更要讓學生認識到物理在科學領域的高速發展，讓學生帶著問題走進課堂，在解決問題的同時，產生新的疑問，驅使學生課后進行進一步的學習和探究，培養學生的物理思想、物理方法和科學精神，達到教學目標。〕

信息技術整合點：利用BS Contact Player軟件演示回旋加速器的三維動畫，使學生認識到科學發現的艱辛與自主探究的喜悅，應用PPT及相應的網址給學生提供世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸的內容，促使學生課后進一步自主學習和探究新知。

五、教學反思

在本節課的教學中，利用信息技術創設信息化的學習環境，提供學生自主探究學習平臺，充分體現了教師的主導作用和學生的主體地位，應用信息技術完成問題驅動——歸納總結——綜合應用的教學環節，培養學生的發散思維和綜合運用知識的能力，有助于達成三維教學目標。

信息技術與學科課程整合的關鍵是通過優化教育教學環境，變革學生的學習方式，發揮學生的主動性，引導學生高質、高效的學習，實現學科教學目標，滿足學生的個性化發展。

G434

A

1671-7503(2014)07-0050-05

鄭方林]