基于學生科學思維發(fā)展的概念教學內容整合實踐研究*——以“定量探究安培力大小定義磁感應強度”教學為例

相新蕾 孫 越

(北京市第一○一中學 北京 100086)

李俊鵬

(北京市海淀區(qū)教師進修學校 北京 100195)

石 磊

(青島西海岸新區(qū)第一高級中學 山東 青島 266555)

1 引言

核心素養(yǎng)指學生發(fā)展應該具備的適應未來社會挑戰(zhàn)的一些必備品格和關鍵能力.學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，如批判性思維和問題解決能力、溝通能力、合作能力、創(chuàng)新能力等.2016年發(fā)布的《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》指出，物理學科的核心素養(yǎng)具體表現(xiàn)在物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面.其中，科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的核心內容[1].

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判、檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.科學思維由模型構建、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新4個主要內容構成，科學思維中應該具有質疑與創(chuàng)新的品質，只有創(chuàng)新才能解決新的問題，科學才能不斷發(fā)展.可以說，科學思維是一種理性思維，是人腦對科學事物的相互關聯(lián)和關系的間接與概括的反映[1].

在物理教學中，科學思維能力的培養(yǎng)，是將科學思維置于科學方法之中，是科學方法在個體思維過程中的具體體現(xiàn)，貫穿于整個科學探究過程.而抽象概念和規(guī)律的學習需要經歷更深刻的思維加工過程，是物理思維培育的重要途徑.

2 概念教學內容整合

學生核心素養(yǎng)的培育和全面發(fā)展的促進都需要更具整合性的教學樣態(tài).概念教學內容整合，是通過圍繞“大概念”組織知識內容，以科學的邏輯和認識的發(fā)展為線索重組概念教學內容與科學實踐活動，達成以往科學課程中零散“物理概念”或者“概念和概念之間聯(lián)系(物理規(guī)律)”的整合.從狹義上，整合的范疇可以針對一個單元、主題或者一個具體概念的整合，從廣義上理解整合，還包括知識與作為認識方式的思維和探究的整合，概念、原理等顯性知識與策略、思路等隱性知識的整合，以及知識與問題情境的整合.概念教學內容整合有利于學生深度理解和建構物理概念，并圍繞核心概念建構概念體系，在知識學習中發(fā)展科學思維與科學探究能力[2,3].

本文以“磁感應強度”概念的建立為例，將抽象概念的認識方式與探究實驗相整合，將多種科學方法、邏輯推理孕育于整個思維過程之中，讓學生經歷更深的思維加工過程，促進學生的深度學習，以及科學思維能力的培養(yǎng).

3 “磁感應強度”教學內容整合的實踐

3.1 教材內容的呈現(xiàn)形式

在人教版選修3-1的教材中，“磁感應強度”是第三章第2節(jié)，教材中通過演示實驗“探究影響通電導線受力的因素”只是定性探究了安培力大小與電流和導線長度的關系，得到結論：“分析了很多實驗事實后人們認識到，通電導線與磁場方向垂直時，它受力的大小既與導線的長度L成正比，又與導線中電流I成正比，即與I和L的乘積IL成正比”，因此定義了磁感應強度.教材中“磁場對通電導線的作用力”是第4節(jié)，很多教學案例設計了探究實驗得出安培力公式F=BIL.所以第2節(jié)和第4節(jié)在教學內容上有重復之嫌，而且邏輯順序不連貫.

3.2 教學內容的重新整合

“場”是一個非常抽象的物理概念，在學習“磁場”之前，學生已經學習了“電場”.在電場中我們通過引入“電場強度”的概念來描述電場“力”的性質，即電場強度E為檢驗電荷在電場中所受電場力F與電荷量q之比，其與電場力F或電荷量q的大小都無關.

類比電場強度的定義過程，本文力圖將教材中“磁場對通電導線的作用力”與“磁感應強度”合理整合，通過定量探究影響安培力F大小的因素，運用模型構建、比值定義、微元等科學方法，以及嚴謹?shù)倪壿嬐评淼玫桨才嗔與電流元IL成正比，而這一比值恰好體現(xiàn)了場的力學性質，從而建立“磁感應強度”這一抽象物理概念，突破“場”這一教學難點.

3.3 教學過程的主要環(huán)節(jié)

3.3.1 實驗原理

為了研究條形磁鐵周圍P點的磁場強弱，如圖1所示，需要在P點垂直放置一通電導線，該導線在磁場中所受到的安培力F大小除了和磁場本身有關之外，還和電流大小I以及導線長度L有關.我們需要放置在該點的導線越短越好，這樣這個導線就只感受P這一點的磁場，我們把這個理想模型稱為“電流元”.

圖1 條形磁鐵周圍的磁場

由于不存在電流元，為了排除該點周圍場不均勻造成的影響，本設計我們研究通電直導線垂直放置在勻強磁場中的受力情況.

3.3.2 定量探究安培力大小與電流I和導線長度L的關系

(1)實驗裝置：該實驗裝置有兩個回路組成.

第一回路：

穩(wěn)壓電源(12 V)給電磁鐵提供穩(wěn)恒電流，使其中間產生勻強磁場.

圖2 第一回路電路圖與實物電路

第二回路：

儀器介紹：電源(8節(jié)干電池)、開關、滑動變阻器、多匝線圈、電流傳感器、力傳感器組成閉合回路.電流傳感器和力傳感器，用于記錄安培力F及電流I的大小.

圖3 第二回路電路圖與實物電路

多匝線圈有4個接線柱：其中標記為0的接線柱與電源負極相連，另外3個接線柱(分別標記為150，200，250對應線圈匝數(shù)為150匝、200匝和250匝)與電源正極相連.

圖4 多匝線圈及其四個接線柱

兩回路組成的整個實驗裝置，如圖5所示.

圖5 實驗裝置電路圖及實物圖

力傳感器懸掛在鐵架臺上，其下端通過掛鉤懸掛一矩形多匝線圈，使矩形線圈的一條邊(長度為L0)垂直放置在磁場中，則若接入250匝接線柱，則磁場中導線長度為250L0.將線圈不同的接線柱接入電路，即改變了接入磁場中導線的長度L.滑動變阻器可以改變通過多匝線圈的電流；電流傳感器可以測量流經多匝線圈的電流I；力傳感器可以測量安培力F的大小；電流傳感器、力傳感器通過數(shù)據(jù)線和電腦相連，它們采集的數(shù)據(jù)在電腦上顯示出來.

3.3.3 探究過程及數(shù)據(jù)處理

探究實驗分為以下3個步驟：

(1)不同L時，探究導線所受安培力F與電流I的關系.

(2)探究導線所受安培力F與IL的關系.

(3)推理安培力F與電流元IL的關系.

下面為具體探究過程：

(1)導線長度L不同時，安培力大小F與I的關系

1)250匝：(控制導線長度L=250L0)利用滑動變阻器改變電流，利用傳感器測得6組電流I和安培力F，記入表1.

表1 匝數(shù)為250匝(導線長度L=250L0)

建立直角坐標系，縱坐標為安培力F，橫坐標為電流I，利用Excel表格，描點連線，如圖6所示，得到直線的斜率為

圖6 導線長度為L=250L0的F-I圖像

k1=0.224 9 N·A-1

2)200匝時：(控制導線長度L=200L0)利用滑變改變電流，利用傳感器測得6組電流I和安培力F，記入表2.

表2 匝數(shù)為200匝(導線長度L=200L0)

建立直角坐標系，縱坐標為安培力F，橫坐標為電流I，利用Excel表格，描點連線，如圖7所示，得到直線的斜率

圖7 導線長度為L=200L0的F-I圖像

k2=0.170 5 N·A-1

3)150匝時：(控制導線長度L=150L0)利用滑變改變電流，利用傳感器測得6組電流和安培力，記入表3.

表3 匝數(shù)為150匝(導線長度L=150L0)

建立直角坐標系，縱坐標為安培力F，橫坐標為電流I，利用Excel表格，描點連線，如圖8所示，得到直線的斜率

圖8 導線長度為L=250L0的F-I圖像

k3=0.123 4 N·A-1

根據(jù)3組不同匝數(shù)(不同導線長度)的實驗數(shù)據(jù)描點連線得到的都是直線，可以得到結論：垂直放置在勻強磁場中的導線長度一定時，線圈所受安培力F與電流I成正比，即

F=kI

(2)安培力F與IL的關系

3條直線的斜率不同，說明斜率k和導線的長度L有關，如表4所示.

表4 斜率與導線長度的關系

建立直角坐標系，縱坐標為不同導線長度L時，線圈所受安培力F與電流I的斜率k.根據(jù)數(shù)據(jù)描點連線,如圖9所示.

圖9 線圈所受安培力F與電流I的斜率k與L圖像

由圖像可知，匝數(shù)和導線長度L也成正比，因此

k∝L

即

所以

因此

因此得到結論：在勻強磁場中垂直放置的通電直導線受到的安培力F與電流和導線長度乘積IL成正比.

(3)安培力F與電流元IL的關系

所以

即電流元垂直磁場放置時，其在某點受到的安培力F與電流元電流I和長度L的乘積IL也成正比，此比值只與磁場本身有關.

(4)磁感應強度B

剛才的實驗中，電流元垂直磁場放置時，其在某點受到的安培力F與電流元IL成正比，比值k′為一常數(shù)且只與場有關，因此它能描述某一點磁場的性質，我們把這個比值稱為磁感應強度B.即

在圖1所示的P,Q兩點處，各放一個相同的電流元，P點磁場強，該處受到的安培力就大，也就是說比值B要大，因此磁感應強度B是表征磁場強弱的物理量.

4 教學評價與反思

在高中物理教學過程中，“磁感應強度”是一個教學重點，同時也是一個教學難點，為幫助高中生更好地認識和理解“磁感應強度”這一反映磁場屬性的重要物理概念，本課例詳細闡述了基于概念教學內容整合的“磁感應強度”的主要教學環(huán)節(jié).將“定量探究安培力大小”與“磁感應強度”兩個內容進行有效的整合，使得對于“磁感應強度”概念的建立提供了新的方法與途徑，通過這一蘊含豐富內涵的物理概念教學模式，達到提高學生科學思維能力、深刻理解物理概念的目的.

此外，在教學過程中往往要經過實踐論、方法論和認識論，我們常常只重視實踐論和認識論，認為教學是實踐到認識的簡單過程，實際上，這是讓學生生硬地接受知識，缺乏利用科學方法總結規(guī)律的過程，而這恰恰是啟發(fā)學生智慧、發(fā)展學生思維最好的途徑[4].

本案例依托探究性的教學理念，立足思維的邏輯性，利用科學嚴謹?shù)膶嶒灧椒ǎ瑥亩康慕嵌忍骄堪才嗔與電流I，導線長度L的關系，給出了“磁感應強度”的概念，過程中運用了豐富的物理學思想和方法，如類比的思想、理想模型構建的思想、控制變量法、比值定義法、微元法等來突破教學中的難點，取得了很好的教學效果.讓學生通過真實的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，并應用科學的方法認真地進行思考，從而形成科學的結論.教學過程中培養(yǎng)了學生的探究意識、分析問題和解決問題的能力以及尊重事實的科學精神.