善用科学猜想培养核心素养

黄利华

摘 要： 因授课对象是没有电学基础的高一学生，故本节课突破了传统的電场类比法教学模式.本节课采用大量的科学猜想和实验探究，逐步建立起磁感应强度概念，同时注重培养高中学生的学科核心素养，落实了立德树人的根本任务[1].

关键词： 磁感应强度；科学猜想；核心素养；立德树人

培养学生的核心素养是当前教育界的热点，落实到学科上就是要培养学生的学科核心素养.[2]

1 高中物理学科核心素养

高中物理学科核心素养是指学生在接受物理过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，主要由物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任四个要素构成.其中 “物理观念”包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素.“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素；“实验探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素；“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、环境（STSE）等要素.

2 基于物理学科核心素养提升的教学案例

本文以人教版选修3-1第三章第二节“磁感应强度”为例，讨论如何基于物理学科核心素养的提升来实施课堂教育.

2.1 教材内容简析

教材从不同磁铁能吸起成吨的钢铁或几枚铁钉说起，引出磁体的磁性有强弱之分，并用磁感应强度来描述这个物理量，然后从方向和大小两个角度描述磁感应强度.在描述磁感应强度大小的环节中有一个“探究影响通电导线受力的因素”演示实验.最后介绍一些磁场的磁感应强度和“地球磁场与古地质学”.[3]

教材从学生的生活经验出发，实验和理论相结合，形象生动地再现了磁感应强度概念建立的过程.笔者认为本节教材的部分内容存在以下不足：一是“探究影响通电导线受力的因素” 这个实验装置开放性不够，不利于学生开展探究活动，不能很好地培养学生的实验探究素养；二是“一些磁场的磁感应强度”这个表格和旁边的特斯拉头像是想拉近学生与“特斯拉”这个单位和科学家之间的距离，让学生对这个单位有一个具体化生活化的感受.但表中提及的场景（除地磁场外）学生平时根本接触不到，学生无法联系实际去感受，不能让“物理走向生活”，不利于培养学生的物理观念和科学态度与责任素养.

2.2 教学设计思路

基于上面的分析，笔者借助朗威DISLib重新设计了一个实验装置（图1），扩大了实验的开放性，让学生在操作、观察、记录、分析和交流的过程中不知不觉地提升了“实验探究”的素养，在学生分析实验数据时潜移默化地培养学生的“科学思维”素养；笔者创新应用数字式特斯拉计（图2）直接测量一些磁场的磁感应强度，再结合教材中的数据让学生真切体会常见磁场的磁感应强度，形成磁场的物质观，培养学生的“物理观念”素养；最后介绍特斯拉的成就和社会责任，提升学生的“科学态度与责任”素养.

2.3 教学目标定位

（1）物理观念：知道磁感应强度的方向、大小、定义式和单位，形成磁场的物质观.

（2）科学思维：掌握比值法定义法，提高分析和推理能力.

（3）实验探究：理解教材实验方案并能做出解释和改良.

（4）科学态度和责任：体会科学家的伟大贡献和崇高品质.

2.4 教学片断赏析

片段1

师：无法测出小磁针N极所受磁场力的情况下，用什么东西放入磁场中也会受到磁场力？

生：通电导线放入磁场中也会受磁场力.

师：可以试试.但通电导线是一种“线模型”，它有别于“点模型”，会涉及到放置的方向问题.

生：老师是指通电导线与磁场可以有不同的夹角吗？

师：对.通电导线受到的磁场力方向与导线会不会也有一个夹角问题呢？

生：应该也有夹角问题，我猜这个力可能沿着导线方向.

师：有可能.这就是科学猜想.

生：我猜这个力可能垂直导线方向.

师：也有可能.通过实验可以验证到底哪种猜想正确，同时注意磁场力的大小是怎么变化的？

设计意图 通过分组实验的探究使学生对磁场力的方向和大小有定性的了解，但受实验装置所限，学生无法得到定量的数据，也无法调整磁场和通电导线平行. 为了克服上述装置的不足，笔者重新设计了实验装置，用细漆包线绕制多抽头的线圈，线圈固定在力传感器的钩子上，将它的下边放入磁场中.选用的蹄形磁铁比较大，可以确保蹄形磁铁的磁场能和通电导线转到任意夹角位置.用朗威DISLib7.0系统可以定量测出通电导线与磁场所成夹角由0°到360°变化过程中磁场力的大小和方向.分析定量数据，使学生对磁场的“性质”有了更深刻的认识.本环节侧重于训练学生的动手能力，培养学生的质疑创新，实验探究等素养.

片段2

师：上述磁场力是一个变力，用什么情况下的磁场力大小来反映磁感应强度呢？

生：用通电导线与磁场垂直时所受力的大小反映磁感应强度的大小.

师：能不能用此时的磁场力大小直接反映磁感应强度的大小呢？

生：应该可以吧.

师：在同一磁场中，如果保持导线中电流不变，改变导线的长度，磁场力会变吗？

生：我猜想会变的，那就不能用磁场力的大小直接反映磁感应强度的大小了.

师：在同一磁场中，如果导线长度不变，改变电流大小，磁场力会变吗？

生：我猜想也会变.endprint

师：科学的猜想需要实验的验证，还是来做实验吧.

使用朗威DISLib7.0系统，测出新装置中当导线中电流（I=0.3A）一定时，通电导线受到的作用力F与导线长度L的数值.导线的长度可以取不同的匝数来改变.得到如表1所示的数据，并求出F与L的比值.

同样道理，测出当导线的长度（L=7m）一定时，通电导线受到的作用力F与导线中的电流I的数值.导线中的电流由外电路控制.得到如表2所示的数据，并求出F与I的比值.

设计意图 实验说明通电导线所受磁场力的大小不能直接用来反映磁感应强度的大小.但却有一个意外发现：在误差允许范围内，磁场力F与电流I成正比，与导线长度L成正比，也即与IL的乘积成正比，写成等式即F=BIL.这个环节由几个学生配合完成实验的操作和数据的测量，并对数据做出分析，教师仅做少量的点拨.通过这个环节的训练大大提高了学生的实验探究、数据分析、科学推理和科学论证等多方面能力.

片段3

师：根据磁感应强度的定义式，用表1和表2中的数据分别算出B的平均值分别是多少？

生：根据表1和表2分别得到磁感应强度的平均值为B1=110mT，B2=108mT.

师：通过两种不同的实验条件算到的结果在误差允许范围内是相等的，科学真迷人.

生：（微笑）

師：如果有一种仪器能够直接测出磁感应强度，那就更棒了.（拿出特斯拉计，并介绍使用方法.）大家期望用特斯拉计直接测出的磁感应强度大小为多少？

生：约110 mT.

接着请两位学生使用特斯拉计测量上述实验中的磁感应强度，结果为111mT，实验结果令人兴奋.

设计意图 本环节不同于教材上枯燥的说教，而是用具体的数值计算，再用特斯拉计的实测数据做检验.通过三种不同实验条件得到了相同的结果，足以说明这个结果的正确性，同时也体现了科学研究的严谨性，更重要的是让学生感受到探究成功后的喜悦和物理学的魅力.

片段4

师：请学生用特斯拉计测钕铁硼强磁铁和普通磁铁附近的磁感应强度大小.

生：分别是280 mT和98 mT.

师：常见的磁感应强度是0.1T这个数量级，再细细体会教材上“一些磁场的磁感应强度”表中数据.

……

师：最后介绍一下特斯拉，他是一个大发明家.一生的专利有上千个，但他把专利的收入全都捐给了世界上贫穷的国家和人民.交流电就是他发明的，如果他申请交流电专利的话，只要过两三年就可以成为世界首富，但他放弃了交流电的专利而是供世人无偿使用.他在诺贝尔奖最初的三十年里被评选出11次，但他全部让贤了.

设计意图 通过实测磁感应强度数据与教材表中数据相比较的方法，学生能更真切地体会不同磁场的强弱之分.介绍特斯拉的事迹，除了让学生感受科学家的伟大贡献外，也让学生感受到科学家的人格魅力和社会责任感，旨在培养学生的科学态度与责任，很好地落实立德树人的根本任务.课后笔者做过调查问卷，绝大多数的学生都被特斯拉这个人震撼了，留下了深刻的印象.

参考文献：

[1]教育部.关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见[Z].2014-3-30.

[2]彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理，2016，34（03）：1-2.

[3]人民教育出版社.物理 选修3-1[M]. 第3版.北京：人民教育出版社，2010：83-86.endprint