構建邏輯主線彰顯概念本質

臧富華 趙曉蕊 邢紅軍

摘 要： 高中物理的磁場教學是對初中物理磁場教學的進一步深化，應當體現出繼承基礎上的螺旋式上升.基于目前高中物理教材編寫并未體現這一思想，為此對高中物理磁場的教學進行了重新設計，以期對高中物理電與磁部分的教學有所裨益.

關鍵詞： 磁場;邏輯主線;概念本質;高端備課

文章編號： 1008-4134（2019）23-0009 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

1 傳統教學的困局

磁場作為一個比較抽象的物理概念，在初、高中學段均有涉及.人教版初中物理教材[1]磁場部分的內容主要包括磁現象、磁場的定義、磁感線分布的特點、地磁場、電流磁效應、通電螺線管的磁場和右手螺旋定則.人教版高中物理教材磁場部分的內容主要包括磁現象、電流的磁效應、磁感線、三種常見的磁場、安培分子電流假說.對比初高中教材內容并結合當前的教學現狀，筆者認為，目前高中磁場教學還存在以下問題：

1.1 教材大量重復初中內容，邏輯主線不甚明了

研究發現，高中教材中有很大一部分內容與初中教材有重合，且在講解電流產生的磁場部分時，把單根通電直導線、環形電流和通電螺線管的磁場看成是三種常見的磁場，但并未說明它們之間的聯系，缺乏一條清晰的邏輯主線.筆者認為，初中學段學生已經學習了磁場的部分內容，故高中階段磁場教學的一個重要任務就是要厘清哪些是初中講過的？哪些是沒有講過的？兩者的區別在哪里？此外，還要進行初高中教學內容的統領和整合，使學生經過高中階段的學習之后，能建立一個貫通、完整的磁場概念.

1.2 混淆磁性起源的兩種理論，造成磁場教學的邏輯偏誤

人教版高中物理教材中提到了磁性起源的一種理論-分子電流假說，這是解釋通電直導線周圍存在磁場的一種理論假說.值得注意的是，物理學發展史上還存在另外一種磁性起源的假說-磁荷理論，這一理論主要用來解釋永磁體的磁性起源.關于磁荷理論，教材中并未提及，這不僅有礙學生全面認識磁場，也會影響后續楞次定律的學習.筆者認為，交代磁性起源的兩種理論，是高中物理磁場教學中非常關鍵的一環.因為，唯有真正從本質上理解磁性的起源，才能使學生真正理解磁場概念，更好地學習后續與磁場有關的內容.

2 彰顯邏輯的高端備課

基于對上述問題的深入思考，我們設計磁場的高端備課如下：

2.1 重溫磁現象 實現磁場概念進階

通過初中學習，學生頭腦中已經初步建立了磁場概念：磁體周圍存在的一種看不見、摸不著、能使磁針偏轉的物質，永磁體和通電直導線周圍均存在著磁場，可以用磁力線或磁感線來形象地描述磁場，磁體外部磁力線是由N極指向S極的曲線.高中磁場的學習要在初中的基礎上進一步理解磁場的概念，構建更全面的磁場概念.因此，可以采用向學生展示指南針指示方向、奧斯特電流的磁效應實驗、磁體對通電導線磁場的作用實驗以及平行通電直導線之間存在相互作用力四個實驗引入本節課.表1所示實驗，既有永磁體與永磁體磁場之間、通電導體與通電導體磁場之間的相互作用，又有永磁體與通電導體之間磁場的相互作用.通過觀察，學生能直觀感受電流周圍同樣存在磁場的事實，并且能通過本組磁現象的實驗，類比電荷之間的相互作用，得出磁體與磁體之間、磁體與通電導體之間，以及通電導體與通電導體之間的相互作用是通過磁場發生的結論，進而實現磁場概念理解的進階.

2.2 尋找規律 厘清磁場之間的邏輯關系

初中階段，學生已經知道了通電螺線管周圍的磁場分布與條形磁體的磁場一樣，并且學會了用右手螺旋定則判定通電螺線管的極性，但并未將直導線、環形導線、螺線管三者的磁場建立起明確的聯系.為此，我們將三種磁場的關系梳理如下.由表2可見，通電環形導線其實就是將單根直導線做了一下彎曲，通電螺線管則可以看成是多個通電環形導線的疊加.根據這樣的邏輯，學生就能很好地理解三種磁場的磁感線分布規律了.值得注意的是，這里出現了安培定則的兩種握法，教師要向學生澄清的是，教材所示判定單根通電直導線的安培定則同樣也適用于通電環形電流和通電螺線管，但出于直觀方便的需要，我們常采用教材上所示的另一種握法來判定通電環形導線和通電螺線管的磁場方向，以防學生困惑.

2.3 彰顯本質 澄清磁性起源的兩種理論

在初中階段學習右手螺旋定則時，學生已經知道通電螺線管是可以看作條形磁鐵來處理的，到了高中階段，教師常常利用結合磁極、磁感應線等概念對磁現象進行講解.然而，認真追究起來，永磁體與通電螺線管外部磁場分布是一致的，但內部磁場分布卻是不同的[2].究其原因，還是教師對磁場本質的理解不到位，筆者認為，在磁場一節的教學中必須要澄清磁性起源兩種理論的基本概念和適用條件.

2.3.1 “磁荷”理論

永磁體之間存在相互作用，與兩種電荷之間的相互作用相似，于是，人們就將電荷的相關概念引入磁現象的研究之中.認為在磁的研究中同樣存在兩種磁荷，分布于磁棒的兩極，N極帶正磁荷，S極帶負磁荷，當磁極的幾何線度遠比它們之間的距離小時，稱磁極上的磁荷為點磁荷[2].“磁荷”觀點認為磁荷也可以激發磁場，描述磁場的基本物理量定義為磁場強度H.由于電和磁的相似性，于是定義磁場中某一點的磁場強度H的大小等于單位正磁荷在該處所受的磁場力F的大小，方向與該處正磁荷受力方向一致[3].磁荷和電荷激發的場具有相似性，故磁場也應該為有源場.磁荷與磁荷之間將按照磁庫侖定律發生相互作用，就會有同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的規律，從這就可以看出，只有在“磁性起源于磁荷”的觀點中才能提及磁極的概念.同時，磁荷觀點中采用磁場強度H描述磁場的強弱，用磁力線（H線）形象描述磁場強度的分布，由于磁場為有源場，所以磁力線（H線）不閉合，它起于正磁荷止于負磁荷.所以，當把通電螺線管“等效”為條形磁鐵時，管內管外磁力線均起于N極，止于S極.

2.3.2 “分子電流”理論

安培提出了“分子電流”假說，他認為“在原子、分子等物質微粒的內部，存在著一種環形電流———分子電流，未磁化的鐵棒，內部分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁性相互抵消，對外不顯磁性.當受到外界磁場的作用時，各分子電流的取向變得大致相同，鐵棒被磁化，兩端對外界顯示出比較強的磁作用[1].”在了解了原子的結構后，我們知道不論對于磁鐵還是導體中的電流，它們的本質都是電荷的運動，也就是運動的電荷之間存在磁相互作用.從而形成了“磁場是電流激發的”觀點，該理論也將電和磁統一了起來.與磁荷理論相對應，在“分子電流”理論中描述電流激發磁場的基本物理量是磁感應強度B，用磁感應線（B線）形象地描述磁場強弱的分布，需要指出的是，B線與H線不是同一種線.磁感應線（B線）是與電流環連的無頭無尾的閉合曲線，沒有端點.并且，該理論認為磁場為無源場，不可能有“磁極”的概念.由此可知，有關磁極的概念，均屬于磁性起源于磁荷的觀點.

綜上所述，“磁荷”理論與分子電流理論均可以獨立解釋磁現象.通常兩種理論所得到的結果也相同，但歸根結底，兩者還是存在差異的.所以，在分析磁場問題的時候，只能選用其中一種觀點來解釋，不能混用，否則在后續的學習中就會出現問題.我們在此將“磁荷”理論與“分子電流”理論進行對比，見表3.

3 高端備課的啟示

3.1 體現物理教學邏輯

在進行通電直導線、環形電流、通電螺線管周圍激發的磁場教學時，由于充分把握三種磁場的內在聯系，是體現物理教學邏輯，從而彰顯了教學規律的重要環節.顯然，環形電流其實就是通電直導線彎曲而成的，螺線管則是多個環形導線的疊加，這樣就建立了通電直導線、環形電流、通電螺線管之間的聯系.在教學中按照先向學生呈現一個通電直導線的磁場，再彎曲成環形導線，最后纏繞成通電螺線管的順序，依次向學生呈現三種不同的磁場，依此邏輯，學生只要理解了通電直導線周圍激發的磁場特點，就能夠很好理解后兩種磁場的分布了，這也為學生的思維發展找到了一個非常好的邏輯通道，同時促進學生思維能力的提高.

3.2 實現磁場學習進階

所謂學習進階，其實質就是對學生在各學段，學習同一主題知識時所遵循的連貫的、循序漸進的學習路徑的描述，一般表現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列[4].磁場概念在初高中均有涉及，初中階段學生只是初步建立了磁場概念，因此，高中階段磁場教學的關鍵在于融通初高中物理磁場概念，加深對磁場的認識，實現磁場學習進階.然而，達成以上目標的前提是要搞清概念的起點、節點和終點.不難發現，磁場概念教學的起點是學生已經有永磁體能吸引鐵鈷鎳、指南針能指示方向的生活經驗，節點是建立磁場的初步概念，了解永磁體、知道通電直導線、環形電流、通電螺線管的磁場分布特點，能對磁場概念有全面深刻的理解，知道通電直導線、環形電流、通電螺線管三種磁場之間的關系和特點，終點是能從本質上解釋磁場的起源.顯而易見，按照磁場概念的三個進階層次進行教學，不但能較好地融通初高中內容，而且能促進課程的螺旋式上升，實現學生磁場概念學習進階.

3.3 彰顯概念教學本質

對物理概念本質的掌握是物理概念教學的重要環節，也是物理教學的本真所在，體現著物理教學的至高境界.因此，在本節課的教學設計中，著重提出要澄清磁場起源的兩種理論，說明兩種理論的差別所在和適用范圍，幫助學生從根源上理解磁場到底是怎么來的.我們認為，學生唯有到了“知其所以然”這一步，才表明真正建立起了磁場的物理觀念，達到了認識磁場的最高境界.否則，學生對磁場的認知還只是建立在一個“知其然”的模糊的磁場概念之上，這是不穩固的，容易在后續的學習中陷入思維誤區.

參考文獻：

[1]人民教育出版社教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：2-5.

[2]阿不都克由木·吾吉阿不拉，周栩君，邢紅軍.論楞次定律教學中的磁荷理論與分子電流理論[J].物理教師，2017，38（06）：69-71.

[3]黃永修.基礎物理專題分析[M].鄭州：河南科學技術出版社，1993：300-303.

[4]劉晟，劉恩山.學習進階：關注學生認知發展和生活經驗[J].教育學報，2012，8（2）：81-87.

（收稿日期：2019-09-09）