以科学方法引领高中物理教学情境设计*——以“通电导线在磁场中受到的力”为例

周亮

(慈溪市慈吉中学 浙江 宁波 315300)

郭拯

(慈溪市教研室 浙江 宁波 315300)

“创设问题情境，让学生在情境中学习”是新课程倡导的一个重要理念．问题是科学探究的动力和起点．而物理问题情境是具有物理知识和物理思想方法的情境，是发现和提出物理问题的重要前提．在物理教学中要善于把内容转化为问题情境，把学生置于运用旧识和方法去研究未知问题的气氛之中，让学生在提出问题、思考问题、解决问题的动态过程中学会学习．

教学过程不能脱离学生的身心发展规律而进行，同时也不可能脱离教师的教学过程设计而无序展开．教无定法，但无论何种教学方法都会依托于教学设计，如果说新课程教学的精髓在于探究教学，那么探究教学的精髓在于探究设计，而探究设计的精髓重在问题情境的构建和课堂教学问题的设计逻辑．

笔者以市优质课“通电导线在磁场中受到的力”教学设计为例，试图从科学方法引领教学设计的角度来阐述物理课堂教学中的问题情境设计的逻辑基础，寻找符合科学方法的问题情境的设计方向，用科学方法为问题情境的设计提供一些前瞻性的指导作用．

1 观察法设计新课引入情境

观察法是指研究者根据一定的研究目的、研究提纲或观察表，用自己的感官和辅助工具去直接观察被研究对象，从而获得资料的一种方法．科学的观察具有目的性和计划性、系统性和可重复性．新课的引入总以激发学生的兴趣为目的，在课题引入的设计中一般可以选择观察法来设计引入的问题情境，并根据观察法的要求来设置观看目的或者注意要点，而不是纯粹的观看．

图1 “电磁炮”视频图

笔者选择视听觉的观察，播放视频“电磁炮”(图1)，美国成功研制成功电磁轨道炮，炮弹以5倍音速前进，以巨大的动能带来无需弹药的超级破坏力．结合影片《变形金刚2》中透露了美国电磁炮的巨大威慑片段．并按照观察法的要求设置观察目的：电磁炮的速度和动力来源．

利用视频进行听觉、视觉的观察后，笔者 “废物”利用自制了电磁轨道炮模型(图2)，学生分小组进行进一步的观察：观察仪器的组成，并按要求连线，闭合开关，观察“子弹”的状态变化，然后概括分析其状态变化的原因——力，引出安培的贡献和安培力的定义．

图2 电磁轨道炮模型

2 结合观察法控制变量法模型法实验归纳法来设计实验探究过程

本节内容的重点是安培力的方向与磁场方向、电流方向的定性关系．如何让学生有效地得到知识，按杜威的做中学理论，必须放开手脚让学生在自我体验过程中自我比较归纳分析总结得到知识．在教学过程中教师往往采用的就是探究教学的模式．如何进行有效的探究，恰恰是探究的难点所在，而根据一定的科学方法可以避免一些无序的、无效的探究．

2.1 观察与记录是结果形成的基础必须强调探究中的观察法要求

在设计实验探究的环节中，首先要让学生明确实验探究的观察对象和观察目的．否则学生的实验操作就是一团乱水．结合“力的三要素”和第2节的内容“通电导线在磁场中受到的力的大小F=ILB”确定我们观察的对象，即力的方向、电流方向、磁场方向．观察是一个有计划的行为，所以要制定一定的观察纲要(比如表格)来记录，而观察的目的是记录探究过程中对象的行为或变化，所以必须按照一定的观察纲要采用一定的观察记录方法如笔记、作图、摆放模型等．笔者在教学中首先设计了观察记录表格，同时根据最后结果(空间立体)而预采用了模型记录法(如图3)．

图3 用模型法记录的结果

2.2 用控制变量进行具体的实验探究过程

控制变量法是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中．物理学中对于多因素(多变量)的问题，常常采用控制因素(变量)的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题．每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决．控制变量法的关键是控制单独变量，所以在设计实验探究的过程中，笔者就分别控制单独变量B，I的方向，而力F其实是一个非单独变量，在这里恰恰是我们研究结果．因为主要研究的不只是大小，还涉及B，I的方向，所以导线长度L与B的夹角也是固定量．在学生小组探究的过程中进行必要的规定和指导．

2.3 实验记录方法

实验的操作是记录的前提，而记录是探究的结果，也是后期数据分析的基础．所以得到一系列客观的数据记录，同时还需考虑后期分析的便利．实验记录的方法一般采用数据记录、表格记录、影像记录，而在本实验探究中，由于其最后的关系是三者立体关系，相对于常用的文字数据表格记录，采用模型摆放记录对学生的结果形成和分析判断显然会有更大的作用．所以笔者在具体设计过程中统一规定用红色箭头的竹签代表磁场方向，绿色箭头代表电流方向，黄色箭头代表力的方向，根据实验现象记录三者的方向，并用带箭头竹签插放在立方体泡沫的某一面上，最终让学生得到一个立体空间的三者关系模型(图4)．通过控制变量，分别改变电流或者改变磁场方向，做4组不同的实验，得到4个模型．

图4 磁场、电流、力的关系模型

2.4 实验结果的比较分析法运用

对实验结果的分析是实验探究的最终目的，也是实验归纳法的最终结论，对实验数据或者结果进行有效分析决定了规律的有效获得．实验数据的分析方法一般采用列表法、描迹法、图形图像法、统计法、比较分析法、归纳法．本实验得到的结果是4种不同情况下F，I和B的三者关系，笔者在设计的时候采用比较分析法和归纳法，在观察、分析的基础上同中求异或者异中寻同来发现规律．实验所得4种模型，初看是4种不同的情况得到4种不同的摆放结果，给学生充分的时间进行观察、判断、思考、比较，异中寻同寻找相同的规律．最后用讨论法引导学生进行小组讨论和组间交流，补充归纳得到安培力和电流方向、磁场方向的一个立体空间关系．

利用科学方法引领设计整个探究过程，通过这样的一个实验探究、观察记录、结果对比分析、比较归纳的过程，学生对三者方向之间的立体空间关系有了一定的感性认识，对知识的获得起到了很大的前景铺垫作用，让学生在自身的体验、交流中获取了知识规律．

2.5 头脑风暴法固化所得

利用头脑风暴法、联想法和等效法固化所得的实验规律，比较修正后得到左手定则．引导学生思考掌握并运用这样的规律呢？学生思考讨论后纷纷提出利用墙角、右手(图5)、左手等10余种与模型相似的方法．充分发挥学生的想象力并采用“某某记忆法”来命名，以此鼓励表扬，激发学生的欲望．经过这样一阵思考风暴后，最终水到渠成过渡提出一个经历了时间考验的正确方便的判断方法——左手定则．

图5 右手模拟“左手定则”

3 利用模型法观察法和演绎法设计构建知识运用的问题情境

在设计知识运用的问题选择中，应明确考察的目的是什么，除了运用知识这一简单目的之外还应涉及哪些科学方法培养哪些科学能力，或者运用怎样的科学方法便于学生理解和运用知识来解决实际问题．

(1)设计科学探究的过程和模型法来分析解决问题，在设计中改变书本第92页演示实验(如图6)的方式[1]，以猜测实验现象—验证实验—理论分析这样的一个一般的科学探究过程来展开．先让学生猜测通以同向电流会发生什么现象，为什么？如果通以反向电流会发生什么现象，为什么？通过实验现象来验证学生的猜测，请学生说明他猜测的理由，即“为什么”．

图6 课本演示实验

图7 自制模型

在学生分析电流和电流相互作用的过程中，利用自制的模型(图7)来加深学生对电流周围的磁场空间及左手定则的运用能力的空间分析能力．

(2)运用观察法设计魔术表演方式，把学生从紧张的学习压力中释放出来，不是纯粹的学习练习，而让学生在享受乐趣的过程中自发地去应用所学知识，培养终身学习的能力．魔术表演“自制器材——旋转的液体[2]”(图8)．先把磁铁掩藏，通电后看到液体发生旋转，让学生用揭秘魔术的好奇心来运用知识．通过问题一“液体为什么发生旋转”和问题二“液体旋转的方向是否可以改变增加魔术的表演样式”来总结前面所学的内容，通过问题三“能否改变液体旋转的快慢，来让魔术更具视觉冲击力”来引出安培力的大小．

图8 旋转的液体

4 知识迁移逻辑推理实验探究设计学生自我学习和研究过程

学生在学习第2节“磁感应强度”时已基本掌握安培力的大小因素及两个特殊情况，本节内容侧重点为当磁场和通电导线有某个角度的时候(图9)，安培力的大小该如何确定．笔者用类比法启发引导学生从功的学习过程类比学习，找到分解磁场这一矢量的方法，让学生进行一次自我知识的推演过程，得出F=ILBsina这一结论．

图9

跳出“题目+题目”的作业布置模式，模拟科学探究的过程，笔者设计为小课题研究．

(1)关于电磁炮在军事及生活中应用的可行性研究．设计上前呼后应，同时又培养学生的资料收集和分析能力．

(2)制作一个电控“会跳的弹簧”[2]，如图10所示，源于教材练习，但实验制作并非想象中的简单，目的就是让学生去实际操作，分析失败的原因，进行创新改进制作，达到学以致用．

图10 会跳的弹簧

布鲁纳认为“学习者在一定的问题情境中，经历对学习材料的亲身体验和发展过程，才是学习者最有价值的东西．”新一轮课改必然要求我们有全新的课堂，课堂正如产品，一个好的设计才会有一个好的产品，一个好的产品才能让学生在愉快的探究思考中学习，在不断地动手参与、不断地发现问题解决问题的过程中得到思维的锻炼和科学知识的习得科学方法的培养，最终形成终身学习的能力．

课堂设计的创新发展是教学创新发展的前提，课堂设计的依据、原则、方法有很多，当我们在混沌的规则中摸索的时候，科学方法的引领恰如一盏明灯，指引我们站在高处来思考、设计和构建教学过程，为问题情境的设计和教学情境的构建找到一个入口．

参考文献

1 普通高中课程标准实验教科书物理·选修3-1.北京：人民教育出版社，2011.92

2 周亮.洛伦兹力宏观演示仪的制作.中学物理,2011(3)：25～26

3 普通高中课程标准实验教科书物理·选修3-1.北京：人民教育出版社，2011.94