核心素養理念下物理教學實踐

林壽木

摘 要：新的一輪高中物理課程改革序幕逐漸拉開，課程改革在落實三維目標基礎上進一步提出培養學生核心素養。物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態度與責任” 組成。本文基于洛倫茲力作用下勻速圓周運動教學，在開放式、多元化的學習環境中，突出教師引導下的學生為主體的平等對話和知識建構，突出學生積極思考和合作探究，從而達到踐行培養學生物理核心素養的理念。

關鍵詞：教學弊端；核心素養；實驗探究

引言

傳統物理教學弊端：忽視學生的自主意識、創新精神的培養，忽視學生主體性的發展意識，主要表現在：重知識講授不重探索，填鴨式教學、上課面面俱到、實驗課“紙上談兵”；重結果而不重過程，只給出結論，不經歷感受、理解知識產生和發展的過程；重考試成績而不重全面發展，這一切不僅造成學生學業負擔加重，學習物理興趣散失，而且極大地妨礙了學生主體性發展，不利于新課程物理課堂改革全面實施。教育部在2014年3月30日印發了《關于全面深化改革落實立德樹人根本任務的意見》，第一次明確提出了“核心素養”的概念，明確指出各級各類學校要將核心素養落實到各學科的教育教學中 [1 ]。物理核心素養是什么？物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質 [2 ]。主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態度與責任”。那么，怎樣將培養學生核心素養落實到物理學科教學中？本人結合洛倫茲力作用下勻速圓周運動教學談一談實踐過程和感悟。

1 物理觀念

教學片斷1：

師：關于場，已經學過了重力場、電場、磁場，現在我們一起討論帶電粒子在只有一個場中的運動情況。

如圖1所示A、B、C都做什么運動（用帶有箭頭的力線分別表示重力場、電場、磁場）

學生1：當帶電小球初速度為0時，重力場做自由落體運動、電場中做初速度為0勻加速直線運動、在磁場中處于靜止狀態。

師：很好！若有初速度而且速度方向與場方向同向或反向又做什么運動？

學生2：在重力場中做豎直上拋或豎直下拋、電場中做勻加速或勻減速運動、在磁場中……

讓我想一想，根據對稱性應該和電場一樣……

學生3：（補充）不對，應該做勻速直線運動，因為速度方向與磁場方向平行受力為0。

師：很好！我們不能隨便遷移，做什么運動還是從受力入手，這是正常物理思維。那么如果有初速度而且方向與場方向豎直，他們又做什么運動？

學生4：（很快回答）在重力場做平拋運動，在電場做類平拋運動，在磁場中也應該做平拋運動如圖2（學生定勢思維再一次曝露出來）。

師：（用目光掃視教室一周）平拋運動的條件是什么？

學生5：有初速度且垂直于恒定的合外力。

師：對的，那我們不妨來考察一下磁場中運動軌跡（如圖2C圖根據左手定則洛倫茲力垂直紙面向里，轉化成俯視圖，請一位學生來畫軌跡圖，如圖3所示畫好后），當運動到位置2畫受力圖。

學生6：（畫好后頓悟）不是做類平拋，應該做勻速圓周運動。

師：（微笑點點頭）反問：做勻速圓周運動嗎？（教室再一次安靜下來），請一個同學回顧勻速圓周運動的條件是什么？

學生7：速度大小不變，且方向垂直于大小不變，方向始終指向圓心的合外力。

師：考察一下滿足條件嗎？

學生8：可能是勻速圓周運動，因為洛倫茲力方向始終垂直于速度，所以洛倫茲力始終不做功，速度大小不變，根據洛倫茲力的公式可知洛倫茲力也不變。但方向會不會始終指向圓心？

師：（教室響起雷鳴般的掌聲）那怎么辦？

學生9：（很自信大聲說）實驗，實驗……（也許他們已經看到我帶著實驗儀器進入教室，有點按耐不住了，而且非常希望揭開“謎底”）

師：對的，但別著急，因為實驗儀器太小先看PPT照片。

介紹原理：圖4甲兩個共軸螺旋管形成垂直圓面似認為勻強磁場（若順時針電流打點磁場，逆時針電流打叉磁場）。圖乙大球形玻璃泡充滿著低壓汞蒸氣，當電子經過發出綠光可以看到電子的軌跡，內部有發射電子槍，經過加速電場和偏轉電場進入磁場；通過玻璃泡旋轉可以改變電子速度方向。圖丙控制面板偏轉電場、加速電場、磁場（磁場強弱通過控制電流實現）。

請兩位學生做實驗。

實驗1：控制電子速度方向與磁場方向平行。

結論：電子做勻速直線運動。

實驗 2：控制電子速度方向與磁場方向垂直。

結論：電子做勻速圓周運動。

點評1：物理觀念是物理學視角形成關于物質運動和相互作用、能量等基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華。而學生最容易混淆的“類平拋和勻速圓周運動”物理概念，是屬于物質運動和相互作用、能量基本認識。通過實驗證明：只有洛倫茲力下做勻速圓周運動。經過學生交流討論使物理觀念更清晰化，讓學生明白滿足什么條件做什么樣的運動。而如果教師對這部分教材處理只給結論，不關注物理觀念建立和形成過程，學生就會產生“洛倫茲力就做圓周運動，初速度與力垂直就做類平拋”的錯誤觀念。建構主義認為“教師要由知識的傳授者、灌輸者轉變為學生主動建構意義的幫助者、促進者；學生要從外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識意義的主動建構者” [3 ]。

2 科學探究與科學思維

教學片斷2：

師：通過實驗證明軌跡是圓形，可以說明：只有在磁場中速度方向與磁場方向垂直時帶電粒子做勻速圓周運動。那么勻速圓周運動我們最關注是什么？

學生1：圓的半徑和運動的時間（即周期）。

師：很好，先猜想一下圓的半徑跟什么有關？

學生2：可能與質量有關，因為質量越大慣性也越大，運動方向不容易改變所以半徑越大。

學生3：可能與粒子速度有關，因為速度越大，運動方向不容易改變所以半徑越大（和車轉彎的道理一樣）。

學生4：可能與磁場強度有關，因為磁感應強度越大，洛倫茲力也越大，運動方向很容易被改變，所以半徑越小

學生5：可能與帶電粒子電量有關，因為電量越大，洛倫茲力也越大，運動方向很容易被改變，所以半徑越小。

師：同學講非常好，我們通過實驗一一驗證，半徑可能和四個量有關，用控制變量法，但由于電子槍只能發射電子，所以電量和質量都沒辦法改變，實驗只能控制速度和磁感應強度。

實驗3：保持速度（加速電壓為120V），改變磁感應強度（改變螺旋管電流），觀察到現象：磁感應強度（電流越大）半徑越小，相反半徑越大；如圖5.

怎么測量半徑呢？

學生6：用手機在同一位置依次拍下不同電壓或不同磁感應強度時的圖片，測量半徑時從軌跡寬度中點測量開始。

老師：很好，請兩位同學進行操作。

數據記錄：加速電壓為120V，在同一位置拍攝相片，如表1。

作半徑為縱坐標，磁感應強度為橫坐標，呈現過（0，0）點直線，結論：當速度一定時，半徑與磁感應強度成 反比。

實驗4：保持磁感應強度不變（改變螺旋管電流1.0A不變），改變速度大小（改變加速電壓），觀察到現象：速度越大半徑越大，相反半徑越小；如圖6。

數據記錄：電流為1.0A，在同一位置拍攝圖片，如表2。

作與半徑為縱坐標，速度為橫坐標，呈現過（0，0）點直線。結論：磁感應強度不變時，半徑與速度成正比。

師：很好，同學們交流討論實驗誤差、不足之處、是否有改進。

學生7：作圖時出現有的點偏離直線，說明測量存在誤差。誤差分析：（1）半徑測量，由于圓軌跡呈“帶”狀； （2）拍攝照片不能保證在同一位置和比例尺是否相同；（3）控制面板旋鈕指示值不夠準確。

學生8：不足之處：（1）帶電粒子質量和電量改變不了，只能探究半徑與磁感應強度、速度關系；（2）速度太大無法用實驗驗證周期與速度無關。改進：（1）用三腳架固定照相機進行拍攝；（2）電壓或電流通過外輸入控制加速電場電壓和偏轉磁場電流，然后用電壓表和電流表準確的測定電壓和電流；（3）半徑應該多次測量求平均值。

師：請同學上臺板演推導過程。

點評2：科學思維突出理想化思維，其內涵是物理學視角對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是分析綜合、推理、論證等科學思維方法的內化；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力和品質 [4 ]。研究過程螺旋管內部磁場近似勻強磁場、發射粒子速度近似相等，測量半徑時從軌跡寬度中點測量開始（化帶狀為線狀），這反映理想化思維，是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程；通過學生對勻速圓周運動的半徑決定因素條件交流討論，培養學生科學推理思維，即演繹推理、歸納推理、類比推理。

點評3：科學探究是指具備科學探究意識，能在真實情景中提出物理問題，形成猜測和假設，利用科學方法獲取和處理信息，形成結論，以及對科學研究過程和結果進行交流、評估、反思能力[4 ]。通過對圓周運動的半徑決定因素條件討論交流，提出猜測和假設，用控制變量法方法獲取數據，列表和作圖方法處理數據，最后形成結論。特別是學生對誤差分析和實驗不足的分析交流討論，可養成對實驗過程和結果進行交流、評估、反思的能力，既體現教學開放性理念，又體現科學探究的核心素養。

3 科學態度與社會責任

片斷3：

老師：自從湯姆生發現電子，微觀從此被打門，人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，來觀察它們的變化情況，怎樣才能在實驗室里產生高能量的帶電粒子呢？怎樣才能獲得更大能量？

學生1：由一個電容器加速獲得高能量的帶電粒子如圖7甲，要獲得更大能量用多個電容器連續加速圖7乙。

老師：實驗表明：直線加速器能量只能被加速到4×104eV的能量，能量是有限的，而且需要很大空間，怎么解決？

學生2：可以將圖7乙首尾連起來做成圓形，在外加一個垂直紙面的勻強磁場，讓帶電粒子處于加速和偏轉交替進行的狀態，原理如圖7丙所示，從而減小了加速器的占有空間長度，節約空間，能量得到有效提高。

學生3：加速電場不用那么多，一個就夠如圖7丁所示，粒子每轉一周就得到一次加速。

學生4：同學3設計方式很簡潔，節約材料，但問題是：每轉一圈電場方向改變一次，如何解決 ？ 能否人為控制？況且隨著速度增加半徑也在增大，加速電場工藝怎么做？

老師：說的很好，這個問題美國物理學家勞倫斯制作回旋加速器如圖戊，因為周期與速度無關，通過同步方式解決改變電場方向。由于勞倫斯制作回旋加速器貢獻獲得諾貝爾獎。但是隨加速能量運動粒子速度接近光速時，同步被打破，怎么辦呢？這時人類開始思考直線型優越性。

點評4：科學態度與責任是指認識科學本質，理解科學、技術、社會、環境等關系基礎上形成對科學和技術應有的正確態度以及責任心。具有學習物理和探索自然的內在動力，獨立思考、敢于質疑、和善于反思的創新精神 [4 ]。沒有科學探究精神、沒有創新精神，就沒有科學的發展和社會的進步，不管從直線加速器演變到回旋加速器最后又重新思考直線加速器價值，還是從簡單到復雜再到簡單加速器演變過程，無不體現人類探索自然經歷艱辛、曲折的漫長過程，這需要勇于探索自然內在動力和熱情，更體現人類敢于質疑、和善于反思的創新精神。學生只有參與感受、理解知識產生和發展的過程，才能更好地形成科學態度與責任。

教師在物理課堂教學過程中應該多創設開放式、多元化的學習環境，這樣學習環境才能突出學生為主體的平等對話和知識建構，突出學生積極獨立思考、形成批判性和創造性思維，才能培養團隊協作、共同探究、實事求是的科學素養，培養有責任和擔當的人才，從而達到踐行物理核心素養理念，實現對人的價值的體現和喚醒。

參考文獻：

[1]徐學.基于核心素養下物理概念建立的案例研究 [J].物理教師，2017（1）.

[2]彭前程.積極探索基于核心素養下的物理教學[J].物理教師，2016（2）.

[3]韓壽梅.“啟問”+“交流”教學模式建構與實踐[D].長春：東北師范大學，2002.

[4]王高.物理核心素養培養淺探[J].物理教師，2016 （12）.