让学生在体验中构建物理核心概念

耿玉盛

(扬州市邗江区教研室，江苏 扬州 225000)

让学生在体验中构建物理核心概念

耿玉盛

(扬州市邗江区教研室，江苏 扬州 225000)

物理概念的教学是高中物理教学的重要组成部分,使学生形成概念,掌握规律,并使他们的核心素养在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展,是高中物理教学的核心问题．要做好物理核心概念的教学,必须整体把握教学要求,形成物理核心概念的教学设计;创设学生体验的教学情境,形成对物理核心概念的初步认识;以问题为导引设置认知平台,让学生在讨论交流中理解构建物理核心概念的内涵．

体验； 构建； 核心概念

《普通高中物理课程标准(征求意见稿)》中提出,物理观念是高中物理核心素养的重要组成部分,物理观念的形成和发展并不简单,学生需要通过物理概念、物理规律等内容的学习才能形成．学习概念或规律的每一节课都是形成物理观念的有机组成部分．物理概念的教学是高中物理教学的重要组成部分,在高中物理中有许多重要的核心概念,如运动和力、功和能关系、稳定的电磁场、变化的电磁场、分子动理论、热力学定律等．高中物理教学中,使学生形成概念,掌握规律,并使他们的核心素养在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展,是高中物理教学的核心问题．物理概念教学的效果如何,直接关系到学生对于物理知识的认知程度,进而影响到学生整体知识网络的构建与拓展,可以说学好物理概念是学好物理的关键．要做好物理核心概念的教学,学生在亲身体验中主动构建是重要的环节．

1 整体把握教学要求,形成物理核心概念的教学设计

物理核心概念是指已经经过检验且位于物理学科中心位置的概念性知识,对广泛的自然事物和现象具有解释力,且具有高度的抽象与概括程度,能组织、整合物理学科的许多关键性概念．在《普通高中物理课程标准(征求意见稿)》中,对物理核心概念和规律的学业质量标准提出了5级水平．水平1: 能将一些重要的物理概念和规律与相关的自然现象联系起来; 水平2: 能用重要的物理概念和规律解释一些自然现象,解决简单的物理问题; 水平3: 能说明重要的物理概念和规律的内涵、适用范围和条件,能描述和解释自然现象,解释一些物理问题; 水平4: 能理解重要的物理概念和规律及其相互关系,能正确描述和解释自然现象,综合运用所学的物理知识解决实际问题; 水平5: 能清晰、系统地理解重要的物理概念和规律,能正确描述和解释自然现象,灵活解决实际问题．

在教学活动中,教师要准确把握学业质量标准,结合教学内容,合理设计教学目标,并通过实施教学,促进学生核心素养的提升及相关水平的达成．例如在“磁感应强度”一节的教学中,磁感应强度是高中物理中的一个核心概念,教师首先要从整体上进行教学设计.

(1) “磁感应强度”的内容及其教育价值是什么?

磁感应强度是电磁学的核心概念之一,它对于“磁场”及其后续知识的学习,都有着关键性的作用．磁感应强度概念的学习过程,也是一个典型的物理知识的建构过程,其中蕴含着丰富的物理思想和方法．让学生经历这样的过程,将有助于提高他们的物理素养．

(2) “磁感应强度”与其他教学内容的联系是什么?

知识内容： 承上启下，结构图如图1.

图1

思想方法： 一脉相承，物理量的“比值定义”;多因素的 “变量控制”;以匀代变“极限思想”．

(3) 学生学习磁感应强度概念时可能的困难是什么?

学生的困难主要集中在两个方面:概念的抽象性——学生对“场”这种物质形态,看不见、摸不着, 缺乏相应的直接经验与感受;知识的综合性——磁场对电流的作用远比电场对电荷的作用复杂,与磁感应强度概念相关联的知识也更多．这些都对学习者的抽象思维能力和逻辑推理能力提出了更高的要求．

(4) 帮助学生理解磁感应强度概念的教学策略有哪些?

教学思路： 类比迁移，和电场类比思路如图2.

图2

(5) 帮助学生理解磁感应强度概念的教学策略有哪些?

教学方式： 探究学习.

策略1： 实验感知,丰富物理表象.

策略2： 问题导引,设置认知台阶.

教学手段： 多元整合—— 传统实验的改进;现代技术的运用.

2 创设学生体验的教学情境,形成对物理核心概念的初步认识

学生在学习物理概念之前,基于生活经验形成了大量的日常概念,要在此基础上构建物理概念,必须对所观察的现象重新加工,在诸多客观情境中概括事物的共同属性,抽象事物的本质特征,完成从日常概念向物理概念的转变,由此可知物理概念的建立需要创设情境．同时物理规律的探究也需要创设问题情境,学生从情境中发现和提炼问题,对问题的可能答案作出假设,并根据问题情境运用已有的知识制订探究计划,选择符合情景要求的实验装置进行实验,获取客观、真实的数据,通过对数据的分析形成关于物理规律的结论．

物理核心概念的教学过程中,教师在教学设计和教学实施过程中要重视情境的创设,教师要根据学生的认知特点和规律,创造实际的或重复经历的情境和机会,呈现或再现、还原教学内容,让学生在情境中体验,在体验中构建核心概念．

图3

例如“磁感应强度”一节的教学中,教师可以创设情境引入课题、通过演示实验观察现象、分组实验进行探究．

实验感知： 感受磁场的强弱(“磁不可貌相”).

学生实验： 学生自己动手操作并观察实验现象，如图3,通电电磁铁吸引别针,改变电磁铁中电流的大小,可以看到,吸引别针的多少不同,引导学生在观察现象的基础上思考:这一现象说明什么问题?

结论:实验现象说明两种情况中磁场强弱不同．

师:用哪个物理量来描述电场的强弱和方向?

生:用电场强度来描述电场的强弱和方向．

师:我们今天这节课就来学习如何描述磁场的强弱．在前面我们学习电场的时候,也学习了描述电场强弱的物理量——电场强度．如果按照这个思路,描述磁场强弱的物理量我们该叫它什么?

生:磁场强度.

还须注意收集与CPP病因有关的病史，如感染、中枢神经系统病变等相关症状；对所有确诊为CPP的患儿应排除肿瘤，需作头颅鞍区的MRI检查。

师:可惜的是,磁场强度这个名字被别人用于表示别的物理量了．为了避免重复,我们只能叫其他名字——磁感应强度．

图4

观察体验： 磁感应强度的方向.

演示： 实物投影仪演示小磁针在磁铁周围的不同位置指向不同,说明小磁针受力方向不同,磁场方向不同，如图4．

类比:电场和磁场都是客观存在的．电场有强弱和方向,磁场也有强弱和方向．

师:电场强度的方向是如何规定的?对研究磁感应强度的方向有何启发?

思考领悟： 规定正电荷所受电场力的方向为该点的电场强度的方向．场强的方向是从电荷受力的角度规定的．小磁针放入磁场中会受到磁场力的作用,因此,磁场的方向可以从小磁针受力的角度规定．

结论： 在磁场中的任一点,小磁针北极受力的方向,即小磁针静止时北极所指的方向,就是该点的磁场方向,即磁感应强度的方向．

实验探究： 磁感强度的大小.

师:磁感应强度的大小能否从小磁针受力的情况来研究?(引导学生思考回答)

生:不能．因为小磁针不会单独存在一个磁极,小磁针静止时,两个磁极所受合力为0,因此无法从小磁针受力的角度确定磁场的强弱,即无法定义磁感应强度的大小．

师:既然磁场对磁体的作用力不能研究磁场的强弱,那么我们让谁来检验磁场的强弱呢?

生:(思考后应该能想到)通电导线.

师:研究电场强度是检验电荷量是越大越好还是越小越好呢?电流是越大越好还是越小越好?

生:(应该回答小好,如果回答大好,教师则指出大的话不能测出某点的磁场强弱,电流太大则电流产生的磁场影响原有磁场．)

师:物理学中,把很短的一段通电导线中电流I与导线长度L的乘积叫做电流元．但要使导线中有电流,就要把它连到电源上,所以孤立的电流元是不存在的．不过如果做实验的那部分磁场的强弱、方向都是一样的,也就是说磁场是匀强磁场,我们也可以用比较长的通电导线进行实验．

师:请大家猜想一下,一段通电导线在磁场中受力的大小与什么有关?

生:(可能答案电流I,长度L,磁场的强度,摆放角度等.)

师:请大家设计一个实验来定性地验证猜想.

学生分小组进行讨论,教师对学生的方案肯定和点评后,介绍实验器材.

图5

分组实验： 如图5所示，4块相同的蹄形磁铁并列放置,可以认为磁极间的磁场是均匀的,将一根直导线悬挂在磁铁的两极间,有电流通过时导线将摆动一个角度,通过这个角度我们可以比较磁场力的大小,分别接通“2、3”和“1、4”可以改变导线通电部分的长度,电流强度由外部电路控制．

(1) 先保持导线通电部分的长度不变,改变电流的大小．

学生分析得出结论:通电导线长度一定时,电流越大,导线所受磁场力就越大．

(2) 保持电流不变,改变导线通电部分的长度．

学生分析得出结论:电流一定时,通电导线越长,磁场力越大．

实验结束后,请学生上讲台说明探究的结论.

通过实验,再类比电场强度的定义方式,给出了磁感应强度的定义．

3 以问题为导引设置认知平台,让学生在讨论交流中理解构建物理核心概念的内涵

现代教学论研究指出,从本质上讲,感知不是学习产生的根本原因(尽管学生学习是需要感知的),产生学习的根本原因是问题．没有问题也就难以诱发和激起求知欲;没有问题,学生也就不会去深入思考,那么学习也就只能是表层和形式的．因此，一方面强调通过问题来进行学习,把问题看做是学习的动力、起点和贯穿学习过程中的主线;另一方面通过学习来生成问题,把学习过程看成是发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程．课程标准中明确提出:“教师要善于引导学生从真实的情境中发现问题,有针对性地展开讨论,提出解决问题的思路,使学生的认识逐步得到发展．”问题的发现既可以由教学内容引起,也可以由观察大量的现象引起．

例如“磁感应强度”一节的教学中,通过演示实验观察现象、分组实验进行探究,得出了磁感应强度的定义．学生基本上可以从文字语言和数学语言描述磁感应强度;但由于学生所具有的物理知识不足和思维的局限性,所下的定义不一定完整,甚至下出错误的定义．这时,教师不必急于纠正,而是让学生展示自己的思维过程,通过设置一些问题引导学生进行讨论,深刻领悟物理核心概念的内涵．

为什么用比值(F/IL)来定义磁感应强度?这是本节课的关键所在．教师在教学中要适时地提出问题,为学生设置必要的认知台阶,让他们去经历并完成新概念的建构过程．

问题1:在F、IL、B3者中,你认为哪个物理量可用来描述磁场的性质?为什么?

在学生思考的基础上,通过实验数据分析得出，在同一(匀强) 磁场中F/IL是个定值 ——比值反映规律性.

问题2:在不同的(匀强)磁场中,仍能用F/IL描述它的性质吗?为什么?

分析实验数据可见，在不同(匀强)磁场中,F/IL为另一个确定 的比值,且比值大小与磁场的强弱相关——比值具有客观性．

问题3:在一般的(非匀强)磁场中,还能用F/IL描述它的性质吗?为什么?

启发学生用“无限分割、以匀代变”的极限思想进行推理分析．

在讨论中使学生相互启发,不断纠正错误,直至得出完整、准确的定义．对学生的讨论交流,教师适当点拨,使学生抓住概念中的关键字、词、句,更准确地理解概念．所以在课堂教学中要尽量多地给予学生自己思考、讨论、分析的时间与机会,使他们逐步学会思考．

在物理核心概念教学过程中,需要把握不同概念的特点,选用不同的适用于该概念的教学方法,让学生主动参与到教学的全过程.教师把学习的主动权还给学生,通过学生的亲身体验,让学生在有限的时间里拥有多种形式的活动、思维的时间和空间,引导学生积极探索,使学生在探索过程中形成概念、掌握概念,发展学生的多种能力.只有这样，才能最大限度地让学生充分理解概念的内涵,把握概念的实质,为灵活运用概念打下坚实的基础．

1 耿玉盛.以问题引领物理课堂中学生的自主学习[J].湖南中学物理，2014(10)： 26-28.

2017-08-01)