運(yùn)用“NB物理實(shí)驗(yàn)”軟件，提升學(xué)科核心素養(yǎng)——以“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例

樂露露 元 瑤 廖湘萍* 王詩龍

（1.湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.株洲市八中，湖南 株洲 412000）

當(dāng)前基礎(chǔ)教育理論伴隨著信息化建設(shè)水平的不斷更新與提高，對中學(xué)物理教學(xué)相應(yīng)也提出了更高的要求：物理課程要始終以提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)為目標(biāo)，并且作為一門以實(shí)驗(yàn)為依托的基礎(chǔ)性學(xué)科，提倡讓學(xué)生在充分經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，鍛煉實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與精神.［1］因此，教師在物理教學(xué)的過程中，既要重視培養(yǎng)學(xué)生的能力，又要注重信息技術(shù)與課堂融合以提高教學(xué)質(zhì)量.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種新興實(shí)驗(yàn)手段，能為我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的選擇，也是教育信息化服務(wù)于教學(xué)的重要應(yīng)用.筆者以“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探討如何運(yùn)用“NB物理實(shí)驗(yàn)”仿真軟件，優(yōu)化課堂教學(xué)，提升學(xué)生核心素養(yǎng).

1 “NB物理實(shí)驗(yàn)”軟件的特點(diǎn)

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件（NB物理實(shí)驗(yàn)）中包含力、熱、電、磁、光和聲學(xué)6個(gè)獨(dú)立應(yīng)用APP，是專門為初高中教師打造的物理實(shí)驗(yàn)操作與演示工具.其優(yōu)點(diǎn)在于：學(xué)生可自主在平臺上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案；能任意選擇并組裝相應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器、不受實(shí)驗(yàn)步驟限制地完成實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果；不受時(shí)空限制，充分利用碎片化時(shí)間自主學(xué)習(xí)，以達(dá)到加深對實(shí)驗(yàn)的理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的目的.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于教學(xué)之中的形式多樣，需要教師根據(jù)多角度多因素來精心設(shè)計(jì).

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者選擇以最新高中物理教材選擇性必修2“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)”為例，融合仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，以提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).仔細(xì)研讀新教材后，制定如圖1所示的課堂教學(xué)流程.

圖1 課堂教學(xué)流程圖

2.1 情景引入

（1）情景引入，激趣設(shè)疑.

教師播放一段我國最北部漠河上空的北極光短視頻，提問“同學(xué)們知道極具炫目的極光現(xiàn)象是怎樣形成的嗎？極光的運(yùn)動(dòng)軌跡為什么是曲線呢？在我們株洲上空怎么就沒有？”（由于太陽風(fēng)暴粒子被地球磁場捕獲，與地球大氣摩擦碰撞發(fā)光而形成，指出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況與它所受到的力有關(guān)），由此拋出今天的課題.

（2）回顧舊知，形成物理觀念.

讓學(xué)生回顧：什么是洛倫茲力？怎樣確定它的方向和大小？然后啟迪學(xué)生思考：在洛倫茲力作用下，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中究竟會做什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)？教師試探性地提問：做勻速直線運(yùn)動(dòng)還是曲線運(yùn)動(dòng)？平拋運(yùn)動(dòng)還是勻速圓周運(yùn)動(dòng)？（粒子考慮重力／不考慮重力、垂直入射／平行入射）不管學(xué)生做怎樣回答，都立即追加他所判斷的依據(jù)：為什么呢？步步引導(dǎo)學(xué)生，直到他們有理有據(jù)、相對完整的闡述自己的觀點(diǎn).

設(shè)計(jì)意圖：（1）通過播放實(shí)際生活中的漠河極光短視頻為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)良好的物理情境，以調(diào)動(dòng)他們主動(dòng)參與課堂新知探究的積極性；再通過不斷啟發(fā)式的提問與質(zhì)疑為學(xué)生開啟思考按鍵，培養(yǎng)學(xué)生利用初步建立起來的磁場、運(yùn)動(dòng)電荷以及相互作用等物理觀念，從物理學(xué)視覺角度解釋自然現(xiàn)象的意識.［2］

（2）復(fù)習(xí)鞏固上一節(jié)課的知識：啟發(fā)學(xué)生從已有的知識（運(yùn)動(dòng)的粒子在磁場中受到“洛倫茲力”）進(jìn)入本節(jié)課的研究：這個(gè)“力”對帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)的影響.使學(xué)生明白兩節(jié)課之間的內(nèi)在聯(lián)系，一舉突破（不計(jì)重力）垂直入射的帶電粒子為什么會做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的難點(diǎn).

2.2 實(shí)驗(yàn)探究

（1）科學(xué)推理，拋出問題.

經(jīng)過剛才學(xué)生們的推理與假設(shè)，多數(shù)認(rèn)為：“若忽略重力，帶電粒子垂直入射某一勻強(qiáng)磁場，依據(jù)左手定則，洛倫茲力方向始終與粒子速度方向垂直，這個(gè)力將永不做功，只改變速度方向而不改變速度大小，做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

關(guān)于運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的猜想是否正確，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

此時(shí)，教師用PPT展示洛倫茲力演示儀，結(jié)合書本內(nèi)容，向?qū)W生簡單地介紹儀器的基本結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并請他們思考：若粒子運(yùn)動(dòng)確如猜想的一樣，哪些因素可改變它運(yùn)動(dòng)軌跡半徑r的大小？

（2）提出猜想，作出假設(shè).

學(xué)生：仔細(xì)觀察演示儀，認(rèn)真思考與分析，組內(nèi)交流與討論，踴躍回答問題.

學(xué)生1：改變加速電壓U的大小.

學(xué)生2：改變勵(lì)磁電流I的大小.

（3）設(shè)計(jì)方案，探究驗(yàn)證.

學(xué)生“虛擬探究”驗(yàn)證：教師打開“NB物理實(shí)驗(yàn)”，找到對應(yīng)的洛倫茲力演示儀，并簡要介紹軟件的操作方法，鼓勵(lì)學(xué)生代表上臺動(dòng)手親自操作.改變不同的參數(shù)，一一驗(yàn)證剛剛同學(xué)們的猜想，檢驗(yàn)其正確與否.

演示1.學(xué)生使用NB物理實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行虛擬演示操作驗(yàn)證自己的猜想.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：明顯看出，① 電子在沒有外加磁場作用時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線；② 電子在加上某一勻強(qiáng)磁場之后的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓形；③ 電壓越大軌跡圓越大，電流越大軌跡圓越小.

圖2 虛擬洛倫茲力演示儀

教師“真實(shí)實(shí)驗(yàn)”證實(shí)：再次驗(yàn)證學(xué)生對于運(yùn)動(dòng)軌跡的猜想.

演示2.教師利用真實(shí)的洛倫茲力演示儀進(jìn)行操作（圖3）.

圖3 真實(shí)洛倫茲力演示儀

“虛擬探究”和“真實(shí)實(shí)驗(yàn)”結(jié)果一致.

（4）理論分析，總結(jié)歸納.

洛倫茲力提供向心力，粒子在平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng).通過上面的實(shí)驗(yàn)探究，嘗試讓學(xué)生歸納總結(jié)，教師完善補(bǔ)充.

結(jié)論：增大或減小加速電壓U以及勵(lì)磁電流I都會影響粒子運(yùn)動(dòng)的半徑r.其實(shí)質(zhì)是：加速電壓和勵(lì)磁電流的改變分別引起粒子速度v和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)半徑的改變.

設(shè)計(jì)意圖：筆者改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，將一般演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生虛擬探究實(shí)驗(yàn)+教師真實(shí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不僅為學(xué)生提供了自主動(dòng)手操作的機(jī)會，同時(shí)也增強(qiáng)了知識的直觀性和實(shí)驗(yàn)的信服力.讓學(xué)生在歷經(jīng)猜想、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)探究和驗(yàn)證、歸納總結(jié)的過程中，提升科學(xué)探究能力，從而更好地掌握物理概念及規(guī)律.

2.3 理論深究

勻強(qiáng)磁場B中，一電荷量為q，質(zhì)量為m的帶電粒子以速度v垂直射入，不計(jì)重力，分別求出粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r以及周期T.

說明：（1）從推導(dǎo)出的公式，發(fā)現(xiàn)影響帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)軌跡半徑r的因素除了速度v、磁感應(yīng)強(qiáng)度B外，其實(shí)還與另一個(gè)因素荷質(zhì)比有關(guān).剛才的實(shí)驗(yàn)無法體現(xiàn)，是因?yàn)橥粋€(gè)洛倫茲力演示儀它發(fā)射的粒子比荷是確定的.粒子運(yùn)動(dòng)速度v和荷質(zhì)比屬于內(nèi)因，磁感應(yīng)強(qiáng)度B屬于外因.

（2）影響運(yùn)動(dòng)周期T的因素有：荷質(zhì)比、磁感應(yīng)強(qiáng)度B，與運(yùn)動(dòng)速度v無關(guān).

然后，教師打開“NB物理實(shí)驗(yàn)”軟件，模擬帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)情況，顯示粒子在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的洛倫茲力、加速度、速度大小參數(shù)，如圖4-6所示.

圖4 虛擬仿真演示實(shí)驗(yàn)：帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中界面參數(shù)設(shè)置

圖5 帶電粒子以不同的速度進(jìn)入磁場

圖6 帶電粒子以不同的角度進(jìn)入有界磁場

設(shè)計(jì)意圖：（1）利用虛擬實(shí)驗(yàn)演示帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況，學(xué)生能非常直觀動(dòng)態(tài)地“看到”洛倫茲力總是與速度垂直，有效克服思維定勢對學(xué)習(xí)的影響；（2）拓展在有界磁場中，帶電粒子以不同的角度進(jìn)入磁場，加強(qiáng)學(xué)生關(guān)于帶電粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的感性認(rèn)識；（3）引導(dǎo)學(xué)生從幾何圓的知識尋找圓心位置，最后確定帶電粒子在磁場做圓周運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間t.

2.4 真題探源，核心素養(yǎng)聚焦

筆者以一道經(jīng)典例題為引子，來強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)原理和規(guī)律的掌握程度.

例題.如圖7所示，x軸下方存在一勻強(qiáng)磁場B.P是y軸上與原點(diǎn)相距為h的點(diǎn)，N0是x軸上與原點(diǎn)相距為a的點(diǎn).A是一塊距離x軸的平行擋板，板長度略小于，板中點(diǎn)交于y軸.若帶電粒子與擋板A碰撞前后，x方向速度不變，y方向速度反向、大小不變.［3］一質(zhì)量為m，電荷量為+q的粒子沿PN0方向入射，最后又回到P點(diǎn).求粒子入射速度的所有可能值（不計(jì)重力）.

圖7

素養(yǎng)聚焦：本道例題通過在有界磁場中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)考查物理觀念中的運(yùn)動(dòng)觀念，① 需要學(xué)生通過逆向思維推理粒子射出磁場的速度方向、碰撞擋板前后的速度方向；② 結(jié)合數(shù)學(xué)幾何知識，確定粒子勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心位置及半徑大小；③ 依據(jù)粒子和板碰撞的次數(shù)，分析在磁場中圓弧軌跡對應(yīng)的弦長變化關(guān)系，考查學(xué)生的動(dòng)態(tài)思維能力；④ 強(qiáng)化學(xué)生解題素質(zhì)（圖9），讓他們得到高層次的提高.

圖9 解題的基本素質(zhì)

圖8 解析圖

解析過程（如表1）.

表1

設(shè)計(jì)意圖：通過對例題的精心設(shè)計(jì)和具體實(shí)施，引導(dǎo)學(xué)生對基礎(chǔ)知識和基本物理過程做不斷深入思考與領(lǐng)悟、總結(jié)與遷移，讓學(xué)生有解決其它異類情境問題的能力.

3 案例特色與思考

（1）以情景為依托、“問題”為主線，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力.［4］課堂從引入“極光”開始，一個(gè)良好的物理情景可以使每一位學(xué)生積極地參與到課堂上來.然后以開放式的題目、啟發(fā)式的提問為學(xué)生們提供充足自主探究的機(jī)會，拓展他們的思維空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)師生間的有效互動(dòng).

（2）重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在歷經(jīng)科學(xué)的自主探究過程中加強(qiáng)感性認(rèn)識.在探討影響粒子軌道半徑因素的教學(xué)過程中，一改傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生虛擬探究實(shí)驗(yàn)、教師真實(shí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式.在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生大膽猜想、積極思考，然后應(yīng)用“NB物理實(shí)驗(yàn)”仿真軟件，進(jìn)行科學(xué)探究，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位；然后通過教師真實(shí)實(shí)驗(yàn)的演示鞏固和強(qiáng)化，虛實(shí)融合，豐富學(xué)生的感官體驗(yàn).

（3）培養(yǎng)探究和解決物理問題的科學(xué)方法，形成科學(xué)的理念.物理除了基本概念和規(guī)律的教學(xué)外，還需要有適當(dāng)?shù)牧?xí)題教學(xué)以提高學(xué)生的解題技巧和解題素質(zhì).讓學(xué)生在科學(xué)理念的指導(dǎo)下，把握聯(lián)系，看清本質(zhì).

（4）本節(jié)課容量較大.首先，要學(xué)生突破對垂直入射某一勻強(qiáng)磁場的帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)這一知識難點(diǎn)的理解.然后，能推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律公式；還要求學(xué)生能根據(jù)對稱性、幾何關(guān)系能找到圓心位置.最后，筆者所挑選的例題屬于高考原題，有一定代表性和難度，想要達(dá)到一個(gè)較為理想的教學(xué)效果，還需進(jìn)一步地實(shí)踐與改進(jìn).

4 結(jié)論

本文以“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用“NB物理實(shí)驗(yàn)”仿真軟件，使虛擬探究實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相融合，讓學(xué)生歷經(jīng)提出猜想—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)探究和驗(yàn)證—?dú)w納總結(jié)—理論升華的過程，提升科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)在物理課堂教學(xué)中更好地培育和提升學(xué)生核心素養(yǎng).