基于注重物理概念形成過程的實踐研究

董雯雯 付彪

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）32-0140-02

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關鍵能力和必備品格，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面。學習不是由教師向學生傳遞知識的過程，而是學生建構自己知識的過程。由此可見，學生才是課堂的主體，教師只是組織、引導和幫助學生進行知識結構的建構。學生終身受益的不是物理知識，而是物理學科的核心素養。因此，要求我們物理教師必須要更新教育理念，轉型課堂教育，從物理教學走向物理教育。

物理概念是人們頭腦中對客觀事物的物理共性和本質特性的反映，是物理事物和物理過程的思維加工和抽象概括。所以，物理概念是很抽象的，既不容易教，又不容易學。[1]在教學實踐中，教師都非常重視物理概念的教學，通常會從物理概念的內涵、外延以及與有關概念的聯系及相近概念的區別這三個方面發力。這樣的教學嚴謹扎實，有利于學生在短時間內強化對概念的認識，形成應考的知識結構和解題技能。但是，這種教學“重結果”而“輕過程”，強調物理概念知識本位，將概念的學習理解完全等同于對概念符號或定義的陳述，忽視了對概念形成過程的教學，致使一部分學生只是死記硬背，沒有真正理解其實質，囫圇吞棗、食而不化，應用時瞎套公式，在茫茫題海中逐漸失去了對物理學習的興趣。因此本節課，以《帶電粒子在勻強磁場中的運動》的教學為例，談談如何在實踐教學中注重物理概念形成過程。[2]

結合物理核心素養的四個方面，在“帶電粒子在磁場中的運動”課堂教學中，學生要達成的核心素養目標為：

（1）通過魔術實驗和已有知識，力與運動的關系與運動電荷在磁場中受的力，推斷帶電粒子在磁場中的運動情況，進一步形成運動觀念。（2）通過優化的物理實驗，驗證推理結論，獲取證據并做出解釋，培養實事求是的科學態度。（3）通過對帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動的軌道半徑和周期公式的推導，培養學生嚴密的科學態度。（4）了解質譜儀的結構及應用，理解質譜儀的原理，理解科學與社會、技術之間的關系，從而形成一定的社會責任感。

下面結合教學設計，談談我在教學過程中如何實現學生的物理學科核心素養的形成。

一、魔術實驗引入，激發學習動機

課堂開始，設計以下魔術，教師事先將強磁貼藏在右手中，用左手在示波器屏幕前晃動，示波器圖像沒有絲毫變化，用右手在示波器前晃動，示波器內的圖像明顯變形，引起學生的興趣。

通過上述實驗，一方面，好奇是指學生對新奇的事物的觀察、擺弄、詢問、思考，從而對事物產生一種原始的內在運動。通過這樣的實驗吸引學生的眼球，從而啟發思考，調動學習的積極性，這是形成物理學科核心素養的基礎。另一方面，符合學生的思維發展特點。學生已經在之前帶電粒子在電場中的運動中，知道了示波器的原理，其中有高速運動的電荷，運動電荷在強磁鐵的磁場作用下運動軌跡發生變化，由于學生上節課知道運動電荷在磁場中受到的力是洛倫茲力，引出學生思考帶電粒子在勻強磁場中如何運動。這是形成物理學科核心素養的一個關鍵步驟。[3]

二、改進演示實驗，突破教學重難點

本節課的重點是學生能夠理解帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動的成因，同時也是這節課的教學難點。對于已有的教學方式，一般教師會利用洛侖茲力演示儀進行演示實驗，同樣，該實驗也是一個演示實驗，但由于實驗儀器的大小有限，觀察角度有限，很多同學不能清晰地觀察出實驗結果。因此，教學效果大打折扣。

因此，我對解決實驗儀器的觀察角度問題做了以下改進。首先，實驗的第一步，我仍然采取教師演示。但是，在觀察實驗現象之前我們必須對實驗一起進行介紹。為了讓更多的學生能夠清晰地觀察到實驗儀器，我在洛侖茲力演示儀前放了一個攝像頭，并將攝像頭的圖像投射在電腦屏幕上。這樣在介紹實驗儀器時，即使最后一排的學生也能清晰地觀察到實驗儀器。這個方法同樣可以解決觀察實驗現象的問題，在觀察帶電粒子在磁場種運動軌跡時，我們可以借助攝像頭的影像進行觀察。

但是，運動帶電粒子在垂直進入磁場時軌跡應該是個平面的圓形，可是我們從正面很難分辨帶電粒子的軌跡到底是平面的圓形還是螺旋線。所以，我對實驗進行了第二點改進。我在實驗儀器的側面也安裝了一個攝像頭，同樣將畫面連接到電腦屏幕上，通過和面切換，同學們便可以看到帶電粒子軌跡側面的圖像。

最后，雖然本實驗是一個教師演示實驗，但是為了讓學生自己探究帶電粒子在勻強磁場中運動的其他情況，我在班級的四個角分別放了實驗儀器，學生分組進行實驗探究。

這樣符合了學生得認知規律，提高了學生學習得積極性，千言萬語道不清，一看實驗就分明，實驗是物理這門學科的靈魂。通過改進演示實驗，能夠讓學生觀察到更清晰的實驗結果，使實驗結果更加有說服力，得出最真實的結論。這樣才能保證物理規律的真實性、客觀性和真理性，也逐漸培養了學生事實求是的科學態度。學生分組實驗時實現了學習共同體的共同合作，發表自己的意見，學會溝通交流等科學態度與責任感。

三、創新實驗，引導學生深入思考

本節課既涉及磁場的知識，也涉及動力學知識，由于動力學知識是學生高一學習的內容，時間太長學生有遺忘的現象。但是學生在動力學知識學習時，有一個非常典型的模型——“繩—球”模型。即在光滑水平面上的輕繩一端與小球相連，另一端固定與水平面上某一點，當給小球一垂直于繩方向的初速度，小球將在繩拉力的作用下做勻速圓周運動。這與運動電荷垂直進入磁場時，受力情況和運動情況相同。所以，運用類比的方法也可以得出運動電荷垂直進入磁場時做勻速圓周運動的事實。

由于“繩—球”模型只是一個理想模型，很多同學并沒有親自做過這個實驗，因此，我利用比較光滑的木板，做了接近“繩—球”的模型，在誤差允許的范圍內，為同學演示了上述實驗，根據實驗現象，讓學生思考如果沒有摩擦，小球做的是勻速圓周運動，進而得出運動電荷垂直進入磁場時的運動狀態。

這個實驗，我們采取類比實驗，效果更加生動、形象、深刻。并且很好地將力學與磁學的知識結合，讓學生將已有知識與現學知識建立聯系，形成知識結構。并且揭示了電磁場的動力學本質，使磁場的建構更加完整，也為接下來的學習磁場打下了一定的基礎。學生通常是能夠分析出受力和運動，也知道運動和力的關系下由動力學關系可以推出運動狀態，但是缺少感性認識。當然，“繩—球”模型實驗是純動力學的實驗，如果在高一講解動力學知識時就借助這個實驗，效果會更加明顯。

四、基于問題設置，加強物理學科思維

當然，實驗只是課堂的載體，學生科學思維的提升才是關鍵。在實驗的利用上，教師必須注重問題的引導，這樣才能實現物理實驗效果的最大化，形成學生的物理學科思維。如在演示實驗時，我設計了以下幾個問題：

1.洛倫茲力與速度方向的關系？

2.洛倫茲力會改變速度的大小和方向嗎？

3.在勻強磁場中做什么運動？

這樣的“問題鏈”，都是針對理解帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動的成因這一問題設計的。幫助學生有方向地進行實驗觀察，并且進行思考來尋找解決問題的答案，再進行試驗的效果將事半功倍。

五、基于評價，促進學生思考

本節課通過以下幾個層次來評價學生的學習效果：

物理概念教學要研究學生的已有學習體驗和生活經驗，重視概念形成過程的教學。本節課，從學生熟悉的生活現象出發，我們利用六個主要教學環節（觀察現象、提出猜想、實驗探究活動、理論分析活動、知識鞏固、知識拓展）來進行帶電粒子在電場中運動的探究學習。在實驗資源有限的情況下，教師通過創新演示實驗向學生展示豐富多彩的物理現象，在實驗過程中“師引導，生思考，師操作，生細看”成為一道屬于物理的靚麗的風景，幫助學生直觀、形象地理解物理現象的變化規律，形成物理概念。不僅如此，在學校條件允許的情況下，盡量地多開展學生分組實驗，不僅可以加強學生的動手能力，體驗物理規律形成的艱辛，還能樹立科學創新精神。在課外，教師還可以選擇合適的題目作為研究課題，鼓勵學生大膽進行物理實驗，并倡導充分利用身邊的物品做小實驗，讓學生從中獲得知識更直觀的科學認識，完成實現學生從被動接受知識向主動獲取知識的轉變。通過這些方式，營造一種輕松活潑的氛圍，化抽象為直觀，化空中樓閣為觸手可及，利用學生的多種感官和已有經驗，通過親身體驗和例證分析，明確為什么要引入這個概念，這個概念是在什么基礎上建立和發展起來的，引入它的物理意義何在？ 讓學生經歷概念的形成過程，體驗抽象、概括的科學思維方法，這樣的概念就不再是鏡中花、水中月，而是栩栩如生地站在了學生的面前。

參考文獻：

[1]吳軍.中學物理概念教學的現狀分析及對策[J].物理通報，2009（2）：20-22.

[2]王小明.學習心理學[M].北京：中國輕工業出版社，2013.

[3]于培翠. 高二學生電磁學前概念調查與干預教學研究[D].廣州大學，2019.