淺談核心素養視角下科學探究能力的培養
——以“探究安培力的大小”教學為例

顧夢婷 呂華平

(江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇 徐州 221116)

“安培力的大小”是人教版選修3-1第三章第4節“通電導線在磁場中受到的力”這一節中的教學內容，在《義務教育物理課程標準(2011年版)》中，對這一節的要求是：通過實驗，了解通電導線在磁場中會受到力的作用，知道力的方向與哪些因素有關.而在最新的《普通高中物理課程標準(2017年版)》中，對這一節的要求是：通過實驗，認識安培力，能判斷安培力的方向，會計算安培力的大小，了解安培力在生產生活中的應用.并指出可以利用電流天平等簡易裝置測量安培力.可見，“安培力的大小”這一內容的重要性有所提升.并且對于“安培力的大小”這一內容，在以往的教學中，大多數教師會基于課本內容進行理論分析，得出一般情況下安培力的計算公式.

基于新課改的教學理念，人教版選修3-1對于“安培力的大小”這一教學內容的編排有以下兩點不足.其一，教材指出在學習“磁感應強度的大小”時，通過“探究影響通電導線受力的因素”這個實驗，已經得到了“通電導線與磁場方向垂直時，導線所受安培力大小為F=ILB”這一結論.但事實上該實驗為定性實驗，是通過觀察位于磁場中的導線擺動角度的大小來比較導線受力的大小，故而得出“安培力大小與電流強度、導線長度成正比”顯然不妥，有失嚴謹性；其二，教材直接給出了“當磁感應強度B的方向與導線方向平行時，導線受力為零”這一結論，并未給出任何探究過程或解釋.事實上，這是教師“傳授知識，強調結果”的越位現象，顯然不符合新課標倡導的自主性學習、體驗性學習與研究性學習.

物理新課標指出物理核心素養包括：物理觀念、科學探究、科學態度與責任、科學思維這4個方面.因此，為了契合新課標的理念以及使學生更深刻地理解和掌握“安培力的大小”這一教學內容，我們以培養學生科學探究能力為目標，設計了使用電子秤測量安培力，并結合實驗探究結果進行理論分析的創新性教學方案.

1 實驗原理與裝置

1.1 實驗原理

安培力的大小一般都較小，要精確測量具有一定的難度，因此可以利用電子秤測量安培力，從而可以精確到10-2～10-3N.將線圈放置在電子秤上，使其上邊框導線處于勻強磁場區域內，打開電子秤，由于線圈對電子秤有壓力，電子秤上會顯示線圈的質量，將示數調零.再在線圈中通入電流，此時通電線圈對電子秤的壓力大小即為線圈所受安培力的大小.且當安培力的方向向下時，電子秤上的示數為正值,如圖1所示；當安培力的方向向上時，電子秤上的示數為負值,如圖2所示.

圖1 安培力方向向下時，電子秤示數為正值

圖2 安培力方向向上時，電子秤示數為負值

1.2 實驗裝置

根據以上思路，設計了如圖3所示的實驗原理圖，實物裝置圖如圖4所示.

圖3 實驗原理圖

圖4 實物裝置圖

實驗裝置包括:(1)安培力演示儀,由電子秤、大號槽型磁鐵、磁極固定架、線圈、刻度圓環組成.其中,電子秤精確度為0.1 g；大號槽型磁鐵利用磁鐵的兩極提供勻強磁場；磁極固定架由透明亞克力板材制作而成，在磁極固定架上方放置磁鐵，在磁極固定架內部放置電子秤；多匝線圈如圖5所示，由0.3 mm的漆包線在長為6.5 cm、寬為3.5 cm的塑料矩形線圈骨架上繞制而成，分別為1個100匝線圈、2個200匝線圈、1個300匝線圈，可以通過改變線圈匝數來改變處于磁場中的導線長度，并沿線圈下邊框固定一紅色箭頭來標示線圈上邊框導線中的電流方向；刻度圓環如圖6所示，以15°為單位，共360°，并用透明膠粘于電子秤的轉盤下方，這樣紅色箭頭在刻度圓環上所指的角度即電流方向與磁場方向之間的夾角；(2)電流表；(3)學生電源；(4)滑動變阻器；(5)顯示屏,從電子秤上引出數據線到自制的顯示屏上，把電子秤上的數據傳輸到顯示屏上，方便學生觀察電子秤上的數據.

圖5 線圈

圖6 刻度圓環

在實驗中，可以通過調節滑動變阻器來改變線圈中的電流，通過改變線圈的匝數來改變在磁場中的導線長度，通過改變上邊框導線與磁場的夾角來改變電流與磁場方向之間的夾角，從而達到改變安培力大小的目的.

2 科學探究

在課堂之初，教師首先引導學生進行猜想，安培力的大小與什么因素有關，學生根據第二節所學知識猜想安培力的大小與電流強度、導線長度等因素有關.

2.1 探究實驗一：當磁場B與電流I垂直時 安培力的大小與電流I和導線長度L的關系

2.1.1 研究安培力與電流強度的關系

教師向學生提出問題：如何改變電路中電流的大小？學生進行思考后，各抒己見：通過調節滑動變阻器或通過改變電源電壓大小，并且經過討論分析后發現采用調節滑動變阻器來調節電流大小更為方便.通過學生的思考交流，不僅活躍了課堂氛圍，而且培養了學生積極思考問題和合作交流的能力.

教師向學生呈現設計好的實驗方案：將一個100匝線圈置于電子秤轉盤中央且使線圈上邊框導線中的電流方向與磁場方向垂直(如圖7和圖8所示)，并接入串聯電路之中，閉合開關后，在保持磁感應強度B與導線長度L均不變的情況下，改變電路中電流I的大小若干次，觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上的示數.

圖7 磁場方向與電流方向垂直示意圖

圖8 磁場方向與電流方向垂直實物圖

接著，師生合作進行實驗.值得注意的是，在連通電路之前需將電子秤上示數調零.在實驗過程中，引導學生仔細觀察實驗現象，及時記錄下實驗數據.并且引導學生思考討論安培力的大小與電子秤上示數之間的關系，最終得出結論.例如,當測得的示數為0.9 g時，意味著此時導線所受安培力的大小等于一個0.9 g的重物對電子秤的壓力大小，即安培力的大小為9×10-3N.

對于記錄下來的實驗數據,如表1所示，教師請學生在坐標紙上進行描點、連線，并提出問題：安培力的大小與電流強度是什么關系？

表1 安培力與電流關系的研究數據統計

如圖9所示，學生通過分析圖像,得出結論：安培力的大小與電流強度I成正比.在這一過程中，提高了學生處理實驗數據的能力和表達能力.

圖9 安培力與電流關系的研究數據擬合圖

2.1.2 研究安培力與導線長度的關系

對于如何研究安培力與導線長度的關系這一問題，教師給學生一定的思考時間，并在進行交流討論后，設計得出較為完善的實驗方案：在電路中分別接入或串聯接入不同匝數的線圈，便可以改變位于磁場中的線圈上邊框導線的長度，保持磁感應強度B與電流強度I為0.2 A不變，觀察并記錄顯示屏(電子秤)上的示數.

記錄數據后,如表2所示，教師給學生充足的時間進行數據處理(如圖10所示)、思考交流，最終得出結論：安培力的大小與導線長度L成正比.

表2 安培力與導線長度關系的研究數據統計

圖10 安培力與導線長度(匝數)關系的研究數據擬合圖

2.2 探究實驗二：當磁場B與電流I平行時 安培力的大小為零

教師提出問題：當磁場B與電流I平行時，安培力的大小為多少？引導學生進行猜想和假設.教師轉動電子秤的轉盤，使線圈上邊框導線中的電流方向與磁場方向平行(如圖11和圖12所示)，閉合開關后，觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上示數為零.

圖11 磁場方向與電流方向平行示意圖

圖12 磁場方向與電流方向平行實物圖

學生思考后得出結論：當磁場B與電流I平行時，安培力的大小為零.

2.3 探究活動三：當磁場B與電流I成任意夾角θ時 安培力F∝sin θ

遵循從特殊到一般的研究思路，教師引導學生提出問題：當磁場B與電流I成任意夾角θ時，安培力的大小與夾角θ的關系是什么？如何通過實驗探究安培力的大小與夾角θ的關系？

教師啟發學生結合之前的探究經驗，以小組為單位討論設計出實驗方案進行進一步探究.小組討論完畢后，請各小組派出代表介紹本組的實驗方案.最后結合各組的方案，最終得出最佳方案：保持磁感應強度B以及電流I為0.2 A不變，通過轉動電子秤的轉盤來改變線圈中電流方向與磁場方向之間的夾角，每隔15°觀察并記錄一次數據，直到360°為止.通過這一過程，不僅培養了學生的科學探究能力，而且提高了學生的合作意識和表達能力.

記錄數據如表3所示，學生對實驗數據進行分析處理.經過描點、連線后，學生在一片驚呼中發現，該圖像就是正弦函數的圖像,如圖13所示.由此得出結論：安培力的大小與sinθ成正比.

表3 安培力與夾角關系的研究數據統計

綜合以上3組探究實驗，學生在教師的引導下經過討論分析得出，安培力的計算公式即為F=ILBsinθ.并且值得注意的是，在進行3組探究實驗的過程中，教師盡量給學生足夠的時間思考實驗中可能出現的問題，在學生得出實驗數據后進一步引發學生的反思和質疑：實驗結果的誤差是由什么原因造成的？實驗中有哪些地方值得改進？目的在于強調讓學生在具體情境中像“科學家”一樣主動參與，積極地發現問題、研究問題、解決問題.這樣，不僅獲取了知識，還發展了技能，培養了綜合能力，形成了初步的物理核心素養.

圖13 安培力與夾角關系的研究數據擬合圖

3 理論分析

在實驗探究完成之后，教師應趁熱打鐵從理論角度出發，運用“從特殊到一般”的科學方法帶領學生重新研究安培力的大小.

教師向學生展示電流I與磁場B成θ角的示意圖，提出問題：如何對位于磁場中的導線進行受力分析？給學生充足的時間進行思考與交流討論.并引導學生類比力的正交分解，將同為矢量的磁感應強度B進行分解如圖14所示，分解為垂直于導線的分量B⊥和平行于導線的分量B‖.

圖14 B與導線夾角為θ時B的分解示意圖

結合剛才探究實驗一和二的結論，學生在思考后發現，當導線處于B⊥這個磁場中時，導線所受的安培力為F=ILB⊥，即ILBsinθ；當導線處于B‖這個磁場中時，導線所受的安培力為零.

最后，根據合力是分力的等效替換，學生通過計算得出導線所受的合力F為ILBsinθ.這與實驗探究的結果相一致.

4 教學效果

4.1 培養學生的問題意識

愛因斯坦曾說過：提出一個問題往往比解決一個問題更重要.教師要善于引導學生在觀察后有所發現，萌發出有價值的物理問題.如當連通電路后，學生觀察到電子秤上有示數時，教師要善于引導學生思考電子秤上的示數與安培力大小之間的關系.教師還可以在創設一些任務后，如在探究完電流與磁場平行時安培力為多少以后，隨即讓學生運用科學思維，提煉出接下來要探究的問題，即電流與磁場成任意夾角時，安培力又為多少.通過鼓勵學生大膽提問、學會提問，可以提高學生學習的興趣和主動性，也為進一步開展科學探究奠定了基礎.

4.2 培養學生的探究能力

教師要盡量將課堂交還給學生，以一個探究者的身份參與到活動中去，在重要環節可以進行適當提示，培養學生分析問題的能力.例如，在探究安培力的大小時，可以提出以下問題進行引導：安培力的大小與什么因素有關呢？如何通過實驗測出這些因素對安培力的影響？怎樣改變電路中電流的大小呢？如何對實驗數據進行處理呢？等等.但不要急于干涉學生的探究活動.教師可以在學生思考、交流時進行觀察，去傾聽學生的問題和想法，教授學生一些科學思維和研究方法，例如：控制變量法、等效替代法等，真正做到“授漁”而非“授魚”.在教師適當的引導下，通過分步探究，步步深入，可以讓學生像科學家做研究一樣去經歷探索和發現的過程，思維也經歷了由淺入深、由表及里的深化過程.

4.3 培養學生的小組合作精神

在探究活動中，學生往往會基于自己的知識與經驗來建構對事物的理解.但是由于每個學生已有的經驗、知識背景、思考問題的角度不同，因此對事物的理解和解決方式也會不盡相同，例如，對于“如何探究當磁場B與電流I成θ角時，安培力的大小與夾角θ的關系”這個問題，每個學生會對實驗方案有不同的想法，有的學生認為可以轉動線圈來改變B與I之間的夾角，也有學生認為可以轉動磁鐵來改變夾角.此時教師如果引導學生進行小組合作與交流，就可以使學生取長補短，制定出更為完善、更為有效方便的實驗方案.這樣不僅提高了學生的交流表達能力，也可以培養學生的小組合作意識.

4.4 培養學生的創新能力

在學習“安培力的大小”這一節時，在實驗探究后，再從理論角度出發，通過“由特殊到一般”的科學研究方法，將導線放置于特殊的磁場(與導線垂直或平行的磁場)中進行受力分析.最后運用合力是分力的等效替換這一結論，從而得出導線所受的合力，也即一般情況下安培力的計算公式.在這一過程中，引導學生使用探究實驗一和二的結果進行進一步的理論分析，從而得出與實驗探究相一致的結果.通過這一探究過程，讓學生在思維上碰撞出了智慧與創新的火花，這樣不僅培養了學生的科學探究能力，還培養了學生的創新能力.

5 教學反思

科學探究的7個步驟是：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與搜集數據、分析與論證、評估、交流與合作.為了培養學生科學探究的習慣，在日常教學活動中，教師要善于挖掘和提高學生的科學探究能力.正如在“安培力的大小”這一教學內容中，通過使用電子秤測量安培力，并結合實驗探究結果進行理論分析的創新性教學方案，我們將培養學生科學探究能力的任務完美地融入到教學之中，培養了學生的問題意識、探究能力、小組合作精神以及創新能力.此外，通過讓學生經歷探究的過程，不僅培養了學生的科學思維，還激發了學生對物理學科的興趣，從而產生從“要我學”到“我要學”以及從“學會”到“會學”的轉變，使學生的物理核心素養得到了提升.