磁感應強度概念教學之我見

晉興強 吳偉

[摘 要]高中物理教學中，可依據建構主義學習理論，立足學生的前概念，創設物理教學情境，通過小組交流、討論，使學生主動建構相關概念。文章結合教學實踐，探討磁感應強度概念教學。

[關鍵詞]物理概念；磁感應強度；教學情境；合作學習

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058（2018）02004303

一、建構主義理論視角下的物理概念教學

建構主義認為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構而獲的得。因此建構主義學習理論認為“情境”“協作”“會話”“意義建構”是學習環境中的四大要素。[1]教師是學生知識建構的幫助者和促進者，而不是知識的傳授者和灌輸者。在實際教學中，通過教師的引導，促進學生自主建構科學的物理概念。

物理概念是物理學習的基礎，也是物理教學中的重點和難點。不少學生對物理概念不清楚，對物理規律不明確，因為有些教師重課堂教學結果，而輕課堂教學過程。

經過十多年的教學實踐，筆者深刻認識到物理概念教學的重要性。剛工作時，物理新課一般講解較快，且一般以講授為主，物理概念教學沒有多少內涵和外延，課后通過大量習題訓練，自我感覺學生接受了，但隨著問題研究的深入，依然發現學生理解非常困難，甚至到高三第一輪復習結束后，發現有的學生對物理概念還沒有理解透徹。學生在高中學習過程中，感覺物理非常難學，漸漸對物理失去了興趣。有時也只是為了在高考中取得較好的成績，而強迫自己去做題。經過反復思考，筆者發現原來是教師在平時教學過程中，沒有注重物理概念教學，對探究式教學、學生自主學習和合作學習不夠重視。基于此，筆者認為教師應創設物理教學情境，引導學生探究真實的物理現象，通過生生、師生間的交流，幫助學生主動建立科學的物理概念。

二、學生磁場強弱的前概念

前概念是指人們在沒有接受正式的科學概念教育之前，對日常生活中所感知的現象，通過長期的經驗積累與辨別式學習而形成的對事物的非本質的認識。[2]前概念廣泛存在于人們的思維中，因此探究學生頭腦中原有的前概念，分析學生已有的前概念對科學概念學習有積極作用，有利于教師在教學中找準突破口，采取適當的策略搞好物理概念教學。

學生在學習“磁感應強度”這一概念前，在初中已經學習過磁場，且學生對磁場有較深刻的認識。為了探究學生在磁場方面的前概念，筆者精心設置了下列五道試題，并進行了測試，測試時間為8分鐘，要求學生當堂獨立完成。

（1）以下關于磁場和磁感線的說法，正確的是（ ）。

A.磁體周圍存在磁場，通電電流周圍沒有磁場

B.磁場中實際存在著磁感線

C.磁體周圍，畫有磁感線的地方有磁場，沒有畫磁感線的地方則沒有磁場

D.磁感線的疏密反映了磁體周圍磁場的強弱，磁感線越密，磁場越強

（2）在圖1中畫出條形磁體和蹄形磁體的磁感線分布情況。

（3）如圖2所示，一同學在通電螺線管周圍畫出四個小磁針，表示磁感線方向，其中小磁針指向正確的是（ ）。

（4）圖3所示的四個裝置中，反映電動機工作原理的是（ ）。

（5）如圖4，閉合開關后，導線ab會運動，說明磁場會對通電導體產生力的作用。我們知道，力是有大小的，請思考

磁場對通電導體作用力的大小與什么因素有關，說說你的理由。

測試完成后，經過統計，結果如下：全班51人，第（1）題51人選擇D答案，全部正確，說明學生對磁場的基本認識比較清楚。第（2）題畫出條形磁體和蹄形磁體的磁感線，除了少部分學生漏畫了磁體內的磁感線外，其余學生都畫正確，說明學生對磁感線掌握較好。第（3）題，有2名學生選擇錯誤，49名學生選擇D答案，正確，說明學生對磁感應強度的方向掌握得較好。第（4）題，有4名學生選擇C答案，錯誤，47名學生選擇B答案，正確，說明大部分學生知道電動機與發電機的區別，且了解通電導體在磁場中會受到力的作用。第（5）題，大部分學生猜測磁場對通電導體的作用力大小與磁場強弱、電流的大小、通電導體在磁場中的長度有關，但學生基本都說不出什么理由，同時學生的觀點也有待實驗探究來驗證。通過這五道試題的測試，及與學生的交流、討論，發現學生對磁感應強度的認識程度是：知道磁場的方向，知道磁場存在強弱，但不知如何探究磁場的強弱?？傊?，學生對磁感應強度的認識程度對磁感應強度概念的建立是有利的，不存在相悖的概念。

三、磁感應強度概念的建構

1.磁場強弱的驗證

基于學生在初中已學過磁場，知道磁場存在強弱，本節就把“磁場存在強弱”這個問題拋給學生，讓學生小組交流、討論找出能說明磁場有強弱之分的事例，如學生找出較大的磁體能吸引較重的鐵塊，而小磁體只能吸引輕小的鐵釘，說明較大的磁體周圍磁性較強；學生還回憶初中學習的“磁場的強弱可以從它對放入其周圍的細鐵屑的分布來判斷”，如細鐵屑聚集多的地方，磁性較強等。筆者提問：“是不是只有磁體周圍才有磁場？如果有，其磁場存在強弱嗎？同學們能設計實驗演示嗎？”學生在組間交流、討論后，回憶起通電的導體周圍存在磁場，有的學生還設計了如圖5所示的演示實驗：在一枚長鐵釘上繞上多匝導線，就可制成一個簡單的通電電磁鐵，增大通過導線中的電流，吸引別針的數目增多，這說明導線中電流越大，周圍磁場越強。把“磁場存在強弱”這個問題拋給學生，讓學生在交流、討論中，深刻認識磁場存在強弱，為后面磁感應強度概念的建立奠定基礎。

2.磁場方向的討論及如何定量引入磁場強弱的思考

初中階段學生已經學過磁場的方向，且通過對學生磁場前概念的測試，了解了學生對磁場方向掌握得比較好，故這個問題仍然可以拋給學生，讓學生回顧磁場的方向及通過圖6的演示實驗，鞏固并提升學生對磁場方向的掌握程度，同時讓學生思考、討論：能不能用小磁針（靜止時）S極所指的方向作為該點的磁場方向？學生各抒己見，這樣就拓寬了學生的視野，同時也加深了學生對相關概念的理解。

學生在初中時只接觸到了磁場強弱的定性描述，對磁場強弱的定量描述沒有先前的概念，對此筆者引導學生回憶如何定量研究電場強度：通過引入試探電荷來研究電場的強弱，同時讓學生展開小組交流、討論，有的小組提出用小磁針來研究磁場的強弱，有的小組提出用一段通電導體來研究磁場的強弱。學生思考，小組之間展開討論，暴露出通過小磁針來研究磁場強弱的一些弊端和不確定性，最后學生總結：通過對一段通電的導體來研究磁場的強弱較為適宜。這部分內容的學習完全交給學生，充分發揮了學生的主動性，同時也沒有忽視教師的主導性，關鍵時刻筆者充當引路人，學生仿佛已經窮途末路，卻又能柳暗花明，通過學生思考、交流、討論，為學生真正建立磁感應強度的概念埋下了伏筆。

3.磁感應強度大小概念的建立

筆者演示了磁場對通電導體作用的實驗，同時引導學生猜測磁場對通電導體作用力的大小與哪些因素有關。

學生經過思考，小組交流、討論后，總結磁場對通電導體的作用力跟磁場強弱、電流大小、通電導體在磁場中的長度等有關。隨后如圖7的演示實驗發現：磁場越強，磁場對通電導體作用力越大；電流越大，磁場對通電導體作用力越大；通電導體在磁場中的長度越長，磁場對通電導體作用力越大。這時，許多教師會介紹精確實驗，發現：通電導體與磁場垂直時，磁場對通電導體作用力與通電導體長度成正比，又與導體中電流的大小成正比，從而建立磁感應強度的概念。這樣學生對磁感應強度概念的理解是不扎實的，是空中樓閣，不是學生通過探究實驗主動建立的。筆者通過使用傳感器演示實驗，探究磁場對通電導體的作用力跟電流大小、導線長度的關系。

如圖8所示的裝置，在外力F的作用下，保持通電導線框的位置不變，用力傳感器測量所需拉力F（等于通電導線框下邊所受磁場作用力大小）的大小，拉力與電流所受的磁場力是平衡力，同時用電流傳感器測量線框中的電流。

（1）同一塊磁鐵，保持長度L不變，改變六次電流I的大小，測出相應的六組外力F的大小。

（2）保持電流I不變，同一塊蹄形磁鐵，通過改變通電線圈的匝數（改變受力部分導線的長度），測定相應的五組線圈（匝數不同）和外力F的大小。

筆者把問題拋給學生：通過上述定量測量，記錄數據，下面我們通過小組交流、探討磁場強弱的決定條件及定量表達式。

每個小組設1名組長主持討論（主持人），1名主發言人（主講），3人評價補充（裁判），1人記錄兼發言（發言人），組內角色分工定期輪換，確保每個人都能承擔不同的角色，以調動每位學生主動參與小組交流、討論的積極性。下面是一個小組交流、討論的過程。

組長：老師要求通過上述定量測量的數據，探討磁場強弱的決定因素，請大家思考一下。

主講：同一塊磁鐵，保持長度L不變，改變六次I的大小，測出相應的六組外力F的大小；保持I不變，同一塊蹄形磁鐵，通過改變通電線圈的匝數（改變受力部分導線的長度），測定相應的五組線圈和外力F的大小，這兩個實驗說明了什么？

裁判1：關鍵是如何處理數據。

裁判2：通過計算，找出力F與I、L的關系。

裁判3：那我們就處理數據吧。

3位裁判員認為當長度L不變時，磁場對通電導體的作用力跟電流大小成正比；當通電導體中電流I不變時，磁場對通電導體的作用力跟通電導體的長度L成正比。

發言人：數據處理比較正確，力F分別與I、L成正比，感覺不太直觀。

裁判1：那我們作圖看看，后通過Excel軟件繪制下列圖像，如圖9、圖10所示。

主講：分析圖像可知，當長度L不變時，磁場對通電導體的作用力跟電流大小成正比，即F∝I；當通電導體中電流I不變時，磁場對通電導體的作用力跟通電導體的長度L成正比，即F∝L。

裁判2：磁場對通電導體的作用力與導體的橫截面積大小及導體材料有關系嗎？

裁判3：研究磁場對通電導體的作用力與導體長度關系時，能否不改變導體長度，而只并排增加相同的蹄形磁鐵的個數？

組長：針對你們的問題，我們小組再次實驗，隨后，進行數據處理。

發言人：通過我們組的實驗，總結出：當長度L不變時，磁場對通電導體的作用力跟電流大小成正比，即F∝I；當通電導體中電流I不變時，磁場對通電導體的作用力跟通電導體的長度L成正比，即F∝L；磁場對通電導體的作用力跟橫截面積大小及導體材料無關，即F∝IL。

師：你們總結得很好，我們再分享一下其他組的成果。

筆者在各小組匯報后，順利地引入比例系數B，F=BIL，故B=FIL，通過幾組DIS驗證實驗得出：在同一磁場中，不管I、L如何改變，比值B總是不變的，但在不同的磁場中，比值B一般是不同的。

再次通過各小組成員思考、交流后一致得出：B與通電導體的電流大小I、導體的長度L等無關，只由磁場本身決定，進而引導學生主動建立并運用B=FIL定量地表示磁感應強度的概念。

物理概念是物理學的基礎，在建構主義視角下，深挖并分析學生的前概念，有利于學生建立科學的物理概念。在此基礎上，創設物理概念教學情境，通過實驗探究，小組交流、討論等，突破學生建立科學的物理概念的障礙，使學生對物理現象的認知達到一個更高的層次，進而使學生主動建立科學的物理概念。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]何克抗.建構主義革新傳統教學的理論基礎[J].中學語文教學，2002（8）.

[2]趙強，劉炳升.建構與前概念[J].物理教師，2001（7）.

（責任編輯 易志毅）