基于提升學生的物理核心素養(yǎng)的教學研究
——以“磁感應強度”為例

何麗亞 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院,云南 昆明 650500)

1 設計思想

物理核心素養(yǎng)是指學生在接受物理學習過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有學科特性的一種品質．[1]物理核心素養(yǎng)包含4個要素:物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度和責任．本文以“磁感應強度”為例,介紹在教學設計過程中如何來培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．

物理觀念是具體的物理知識在學生頭腦中的提煉與升華,科學態(tài)度與責任是指對待科學的態(tài)度與價值觀．科學思維是讓學生通過學習,能夠了解物理學研究問題所運用的思想和方法,而科學探究是指讓學生通過學習,具有科學探究的意識和能力去解決生活中所遇到的問題．[2]磁感應強度是電磁學的基本概念之一,為后續(xù)學習安培力、洛倫茲力奠定基礎．本節(jié)內(nèi)容選自人民教育出版社高中物理選修3-1中的第3章第2節(jié),是整章的重點,也是難點．自從進入高中之后,學生感覺高中教材中的概念越來越難以理解,在面對考試的時候,概念辨析題一直是學生的易錯題.筆者認為這是因為學生在接受概念學習的過程中,無法體會到概念建立的過程,只是機械地記住概念本身,導致學生難以理解概念的深刻含義．本文從概念的引入,通過實驗探究來建立概念,從教材中的定性分析到設計實驗定量分析來設計磁感應強度這一節(jié),在教學中體現(xiàn)出如何來建立磁感應強度的這一過程,也體現(xiàn)出了如何來培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)．

2 教學過程

2.1 創(chuàng)設情境,新課引入

師:我們都知道,磁鐵能吸起磁性物質,那么不同的磁鐵吸起磁性物質的本領相同嗎?

生:不一樣.

師:能舉個例子說明磁鐵吸起磁性物質的本領間的差異嗎?

生:用于深海打撈的銣鐵硼磁鐵能吸起很重的金屬,而條形磁鐵卻不能．

師:(點評)老師:展示兩種不同的磁鐵,用兩塊體積不一樣大的磁鐵吸引同一個鐵盒子,(向學生展示兩塊磁鐵),同學猜想是體積大的磁鐵能把鐵盒子吸起來,還是體積小的磁鐵能把鐵盒子吸起來?

學生回答:大的,小的……

教師:同學們的答案都不一樣,我們一起來看觀察實驗,到底是大的磁鐵能把鐵盒子吸起來還是體積小的磁鐵能把鐵盒子吸起來?

實驗演示……如圖1、圖2所示．

圖1圖2

教師:體積小的磁鐵卻把鐵盒子吸起來了,原來“磁不可貌相”,這說明了什么呢?

生:說明磁鐵周圍的磁場強弱是不一樣的．

師:上述讓我們認識到了磁場有強弱之分,我們?nèi)绾蝸碚J識和描述磁場的強弱呢?通過今天的學習我們就能揭示其中的奧秘．

2.2 類比舊知,溫故知新

師:同學們,在學習磁場之前,我們還學習過哪種場呢?哪位同學能回答一下呢?

生:電場．

師:在學習電場的時候,我們用哪一個物理量來描述電場的強弱呢?

生:用電場強度來描述電場的強弱.

師:那電場強度是如何來定義的呢?

生:電場強度是通過將一檢驗電荷放在電場中分析電荷所受的電場力與檢驗電荷量的比值來定義的．

師:我們研究檢驗電荷在電場中的受力情況,從而確定了一個叫做電場強度的物理量來描述電場的強弱．

師:那么我們是否可以分析通電導線或磁鐵在磁場中的受力情況,從而也確定一個物理量來描述磁場的強弱呢?電場和磁場有很多相似的地方,今天我們就類比電場,找出描述磁場強弱的物理量．與電場強度相對應,我們是不是可以把描述磁場強弱的物理量叫做磁場強度呢?

生:可以．

生:不可以．

師:歷史上磁場強度已經(jīng)用來表示另一個物理量,因此物理學中用磁感應強度來描述磁場的強弱．[3]通過類比可知:我們是可以分析通電導線或磁鐵在磁場中的受力情況,確定磁感應強度這個物理量來描述磁場的強弱．

板書:磁感應強度:描述磁場強弱的物理量．

2.3 科學探究,建立概念

2.3.1 探究磁感應強度的方向

師:這兩個問題將是我們這節(jié)課要學習、解決的兩個問題,也是本節(jié)課的重點,首先,我們來探究磁感應強度的方向．

教具:一塊條形磁鐵,多枚小磁針.

師:首先我們來看一個小實驗,桌子上放有一根條形磁鐵,它的周圍存在著磁場,現(xiàn)在我們在它的周圍放置多枚小磁針,待小磁針處于靜止狀態(tài)時觀察現(xiàn)象(如圖3、4所示)．我們發(fā)現(xiàn)不同位置小磁針紅色指向也就是N極的指向是不同的,這說明了不同位置小磁針受到磁場力的方向是不同的．在初中我們已經(jīng)學過磁感線的知識,在磁鐵的外部,磁感線總是從N極指向S極,物理學中把小磁針靜止時N極所指的方向規(guī)定為該點磁感應強度的方向,簡稱磁場方向．

圖3 小磁針靜止的指向圖 圖4 磁感線圖

板書:磁感應強度的方向(簡稱磁場方向):小磁針靜止時N極所指的方向

2.3.2 探究磁感應強度的大小與哪些因素有關

師:探究了磁感應強度的方向,接下來我們來探究磁感應強度的大小,小磁針既有N極,又有S極,N極不能單獨存在,沒有辦法單獨研究小磁針N極的受力大小,無法探究磁感應強度的大小,那該怎么辦呢?能不能用一段很短的通電導線來檢驗磁場的強弱呢?

生:能．

師:為什么能呢?

生:剛才已經(jīng)講解過磁場除了對磁極有力的作用,還對通電導線有力的作用．

師:很好,在物理學中,把一段很短的通電導線中的電流I和導線長度L的乘積叫做電流元,孤立的電流元是不存在的,它是理想模型．如果我們研究的是勻強磁場,我們就可以使用一段比較長的通電導線來推出一段電流元的情況．

師:教材中定性地分析通電導線受到的力與導線長度L、通過導線的電流I有關,并且得到的關系是:通過電流I一定的情況下，導線長度L越大,F越大;導線長度L一定的情況下，通過的電流I越大,F越大．

師:那么影響磁場力大小的因素除了電流、導線長度有關,還與哪些因素有關呢?同學猜想一下．

生:磁場強弱,導線的擺角有關．

師:為了精確得到磁場力的大小與電流大小、導線長度、磁場強弱、導線的擺角之間的定量關系,老師針對教材方案中的實驗可能出現(xiàn)的問題進行了改進,圖5為改進后的方案:變單根導線為多匝線圈,電流表定量測出電流的數(shù)值,兩塊強磁鐵之間構成勻強磁場．本實驗還巧妙地利用了牛頓第三定律,把測量磁鐵對通電導線的作用力轉化為測導線對磁鐵的作用力,因而整個磁鐵置于電子秤之上．[4]將4節(jié)干電池與開關、滑動變阻器、電流表,線圈串聯(lián)起來接入電路．

圖5 實驗設計圖(單個線圈接入電路的情況)

教具:4節(jié)干電池,開關一個,滑動變阻器1個(2 A 20 Ω),電流表一個,方形線圈2個(一個線圈的邊長大約為0.07 m),電子秤1個(精度為0.001 g),支架一個,導線若干．

師:閉合開關,開啟電子秤,電子秤上有示數(shù),清零去掉磁鐵的重力,直接從電子秤上讀出線圈在磁場中的受力．怎么來測量磁場力與電流大小、導線長度、磁場強弱、線圈的擺角這4個變量之間的關系呢?采取什么樣的方法呢?

生:控制變量法．

師:對了,當有多個因素決定一個問題時,為研究其中一個因素與這個問題的關系時,我們采取的是控制其他變量不變的方法叫做控制變量法．首先我們來進行第1組實驗:控制電流大小、導線長度不變、磁場強弱不變,改變線圈的擺角,探究力與擺角的關系,閉合開關,采集數(shù)據(jù),并讓一位學生協(xié)助記錄數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)如表1所示)．

表1 探究磁場力與線圈擺角的關系

師:從數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)了什么呢？

生:當線圈的擺角為90°時,線圈受到的磁場力最大．

師:線圈的擺角為90°時,線圈與磁場方向之間有什么關系呢?

生:線圈與磁場方向垂直．

師:很好,接下我們研究的就是線圈與磁場方向垂直的情況,接下來進行第2組實驗:控制磁場強弱和導線長度不變,探究力與電流的關系,將滑動變阻器的阻值調(diào)到最大,閉合開關,不斷調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值來改變電流的大小,采集數(shù)據(jù),并記錄數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)如表2所示)．

表2 探究磁場力與電流的關系

師:為了形象直觀地反映力與電流的關系,我們以電流為橫坐標,力為縱坐標進行擬圖,觀察圖像大致為一條過原點的傾斜的直線,從而說明力與電流成正比關系(如圖6所示)．

圖6 磁場力與電流的關系圖

師:接下來進行第3組實驗:控制磁場強弱不變和電流大小不變,改變磁場中通電線圈長度,上述實驗采用的是1個線圈,現(xiàn)在把2個線圈串聯(lián)起來接入電路,此時的線圈長度為0.14 m,如圖7所示.圖8為2個線圈串聯(lián)起來接入電路的情況.不斷地調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值,記錄數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)如表3所示)．

圖7 實驗設計圖(兩個線圈串聯(lián)接入電路的情況)

圖8 兩個線圈串聯(lián)

F/gI/AL/m 0.3550.300.14 0.1600.280.07 0.3350.280.14 0.1450.240.07 0.2950.240.14 0.1200.200.07 0.2500.200.14

師:當磁場強弱、電流大小保持不變時,導線長度變?yōu)樵瓉淼?倍時,同學們看一下,力發(fā)生了怎樣的變化呢?

生:力大約變?yōu)樵瓉淼?倍．

師:當導線長度變?yōu)樵瓉淼?倍時,力也變?yōu)樵瓉淼?倍,從而說明在磁場強弱、電流大小保持不變時,力與導線長度成正比關系,F∝L．F∝I、F∝L,由第2組和第3組實驗可知,力與電流和導線長度的乘積也成正比關系．

師:那比例系數(shù)k有什么物理意義,誰在影響它的大小?帶著疑問,我們進行第4組實驗:保持電流大小、導線長度不變,改變磁場強弱,探究力與磁場強弱的關系．我們通過增加磁鐵層數(shù)來增強磁場強弱,獲取數(shù)據(jù)后我們發(fā)現(xiàn):當磁場變強時力隨之增大了,力增大可知比例系數(shù)k也增大,顯然,磁場的強弱決定了比例系數(shù)k的大小．(數(shù)據(jù)記錄如表4所示),因此我們用F與IL的比值來描述磁場的強弱,將它定義為磁感應強度,用符號B來表示,它的單位由F、I、L共同決定．

表4 探究力與磁場強弱的關系表

生:B的大小都基本保持不變．

師:對比表4中的磁場增加,K增大,這說明了什么呢?

生:說明了磁感應強度只與磁場本身有關．

師:嗯,對了,這就是磁感應強度的物理意義．

板書:磁感應強度是磁場本身的屬性,與F、I、L無關,用來描述磁場的強弱．

評析:“科學思維”物理課堂教學應該為學生創(chuàng)新真實、復雜的問題情境,鼓勵并引導學生剖析問題、簡化問題、建立物理模型,并運用適當?shù)姆椒ń忉寙栴}．[5]“創(chuàng)設情境,引入新課”這一過程中: (1) 結合生活中的實例來創(chuàng)設真實情境,拉近了物理與生活的聯(lián)系;對比前后兩次磁鐵吸起磁性物質的本領不一樣,讓同學們認識到磁場有強弱之分.(2) 這一過程中使學生產(chǎn)生問題意識,引導學生分析問題,把學生的注意力吸引到課堂中來,提高學習的效率,符合了“核心素養(yǎng)”的培養(yǎng)目標．

緊接著,“類比舊知,溫故知新”過程中通過類比電場知識,得出磁場的知識．類比,相當于在新舊知識間架起了一座橋梁,讓學生能夠從已掌握的舊知識中順利地接受和理解新知識．[6](1) 類比的方法是物理教學、學習過程中經(jīng)常使用的一種方法,把相似的概念進行類比,可以幫助學生加深對物理概念的理解. (2) 將概念之間進行類比,可以調(diào)動學生學習的主動性,有利于培養(yǎng)學生分析問題的能力,培養(yǎng)學生類比的思維能力,教給學生在今后的學習中利用類比的方法將相似概念、規(guī)律進行整理,有利于學生搭建知識網(wǎng)路圖,培養(yǎng)學生的科學思維能力．

“科學探究,建立概念”過程中應用控制變量法的思想來探究磁感應強度的大小與哪些因素有關.當有多個因素決定一個問題時,運用控制變量法的思想來解決問題,培養(yǎng)學生處理問題的能力,培學生的科學思維素養(yǎng)．

“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質、運動、相互作用、能量等的基本認識,物理基本觀念來源于物理知識,又不同于物理知識,它是具體物理知識在學生頭腦中的提煉與升華．[7](1) 教師首先利用一塊條形磁鐵和多枚小磁針來探究磁感應強度的方向,得出物理學中就把小磁針靜止時N極所指的方向定為該點磁感應強度的方向,從而建立概念．學生能體驗到概念建立的這一過程,并且也加深了對概念的理解,只有小磁針靜止時,小磁針N極的指向才是磁場的方向. (2) 教師利用實驗一步步探究,最后說明磁感應強度是磁場本身的屬性,與F、I、L無關,避免了學生被動地接受知識,使物理知識在學生頭腦中提煉與升華．

“科學探究”主要指物理中通過實驗發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法,包括發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測、設計實驗探究方案和獲取證據(jù)、分析論證、合作與交流、評估和反思等．[8]在探究磁感應強度的大小與哪些因素有關時: (1) 首先提出猜想磁場力與電流大小、導線長度、磁場強弱、線圈的擺角有關,并用控制變量法的思想來探究實驗,用4組實驗驗證了所提出的猜想. (2) 當磁場增強時,比例系數(shù)k增大,得出磁場強弱決定了比例系數(shù)k的大小,從而得出磁感應強度B的大小公式．從提出猜想、進行實驗探究、對數(shù)據(jù)分析得出結論,學生交流討論這一過程中,結合圖像、控制變量法的思想,教給學生處理問題的方法,培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)．

“科學態(tài)度與責任”主要指對待科學的態(tài)度與價值觀,包括能正確認識科學的本質,具有學習和研究物理的好奇心與求知欲．[8]利用實驗來驗證磁感應強度的大小與F、I、L無關,讓學生能認識到知識的本質．

3 小結

磁感應強度是電磁學中的重要概念之一,電場、磁場這樣的物質,我們既看不見,也摸不著,因此學生在學習電磁學中的概念時會感覺比較抽象,無法理解概念的深刻含義．所以教師在教學過程中應以學生為主體,多利用實驗、模型、圖像、類比等教學方法來幫助學生建立概念,體驗概念建立的過程,使學生加深對概念地理解．