研读不同版本教材 提升学生核心素养——以“磁场对运动电荷的作用”一课为例

(江苏省连云港市赣榆区教育局教研室，江苏 连云港 222100)

研读不同版本教材提升学生核心素养
——以“磁场对运动电荷的作用”一课为例

张连之

(江苏省连云港市赣榆区教育局教研室，江苏 连云港 222100)

提升学生物理核心素养是中学物理教学之价值所在，在目前与“提升学生核心素养”相匹配的“新教材”还未出版的情况下，研读不同版本的现行教材，集众家之长，优化教学内容，精心设计学习活动是全面提升学生物理核心素养的有效途径。

高中物理教学；核心素养；多版本教材

经过多年教育改革，素质教育成效显著，但与立德树人的要求还存在一定差距[1]。北京师范大学等多所高校的近百名研究人员，通过基础理论研究、国际比较研究、传统文化分析等途径构建了“中国学生的核心素养体系”，从顶层设计上试图解决这些难题。学生核心素养的培养，最终要落在学科核心素养的培育上。目前基于提升学生核心素养的“新教材”正在编写之中，作为教育的“行为者”和课程的“实施者”的教师在现实情景下，如何实施有效教学，履行“提升学生核心素养”的职责，是当前亟待解决的问题。

自2003年课程标准颁布以来，高中物理教材出现“一标多本”的局面。对教师而言，如能对不同教材进行认真的分析、比较，汲取精华，无疑将有助于提升学生核心素养的教学活动的有效开展。笔者通过对人教版、鲁科版、教科版教材中“磁场对运动电荷的作用”章节内容的研读，精心设计教学案例，希望能给同行提供参考。

1 学生物理核心素养的内涵

物理核心素养是学生在接受物理教育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，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等四个方面的要素构成。

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动、能量和相互作用的基本认识；是物理概念和规律在头脑中的提炼和升华；是运用物理知识和方法解释自然现象和解决实际问题的能力。

科学思维是从物理学视角对客观事物本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。

科学探究要求学生具有科学探究的意识，能在真实情境中提出物理问题，形成猜测和假设，利用科学方法获取信息并处理信息，形成结论，对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

科学态度与责任是指在认识科学本质、理解科学·技术·社会·环境(STSE)的关系基础上形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任心。

2 研读不同版本教材，提升学生核心素养的教学案例

2.1 增加导入环节的魔术色彩，激发学生的好奇心与求知欲，点燃学生对科学探究的热情

兴趣是最好的老师。为了激发学生的兴趣，人教版教材提出了两个问题：电视显像管中的电子为什么能使整个屏幕发光？从宇宙深处射来的带电粒子为什么只在地球的两极引起激光？鲁科版教材在人教版教材的两个问题基础上，又用“电视给人们的生活带来巨大变化”“震撼人心的极光”两幅图片强化视觉效果。教科版教材则单刀直入地进行“观察和思考”。

图1

特级教师于漪说：“在课堂教学中要培养、激发学生的兴趣，首先应抓住导入新课的环节。一开始就把学生牢牢地吸引住。”通过比较三种教材的引入环节，笔者认为极光现象虽然“美不胜收”，但离学生生活太远，学生缺少感性认识，可在“电视显像管中的电子为什么能使整个屏幕发光”这一问题上做文章。教学中笔者设计了一个“舞动屏幕”的实验，增加导入环节的魔术色彩。实验时教师手持一块磁铁伴随着音乐的节拍在废旧电视机显示屏(CRT屏)前晃动(如图1)，可见电视机的图像“踏着”音乐节拍在不停地“舞动”。极大激发了学生学习的兴趣，点燃了学生对科学研究的热情。

2.2 赋予演示实验以探索的思想内涵，形成物理观念，培养学生的科学探究能力

洛伦兹力的方向是本节教学的重点和难点。人教版教材通过“观察阴极射线在磁场中的偏转”的演示实验，结合“安培力是洛伦兹力的宏观表现”推断出：洛伦兹力的方向可以用左手定则判定。鲁科版教材通过“实验与探究”活动，探究磁场对静止、运动的电荷是否有作用，洛伦兹力方向的判定方法则在理论推导出洛伦兹力大小的基础上直接给出。教科版教材通过“带电粒子在磁场中的偏转”的演示实验说明磁场对运动电荷有作用力，洛伦兹力方向的判定方法与鲁科版教材相同。

图2

通过研读三种教材，笔者认为应该赋予演示实验以探索的思想内涵，设计探究活动。通过该活动不仅仅要探究出判断洛伦兹力方向的方法，更重要的是通过该活动，让学生经历探究过程，形成物理观念，进而培养学生的科学探究能力，提高学生的思维品质。笔者在执教“洛伦兹力的方向”时的教学片断如下。

(1) 提出问题

观察如图2所示的演示实验，学生发现：没有磁场时，电子沿直线运动；加上磁场时，电子束发生偏转。改变磁场方向时，电子束的径迹会受到影响。怎样确定运动电子的受力方向？磁场方向、电子的运动方向与其受力方向有什么关系？

(2) 猜想与假设

磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，磁场对电流作用力的实质可能是磁场对运动电荷的作用力。

(3) 进行实验

介绍阴极射线管，演示阴极射线在磁场中的偏转。改变磁场方向，设计表格让学生记录电子束偏转的情况，并分析其受力的方向。让学生利用带有箭头的三根硬导线(分别表示磁场的方向、电子受力的方向、电子运动的方向)，按照实验结果插在泡沫球上，制作“洛伦兹力方向”模型进行交流和展示。

(4) 分析论证

根据前面对安培力实质的猜想和安培力方向的判断法则，结合实验记录，特别是“洛伦兹力方向”的模型，概括得到：洛伦兹力方向应垂直于电荷运动方向和磁场方向，并用左手进行判断(注意：电子束的运动方向与电流方向是相反的)。

(5) 归纳总结

归纳洛伦兹力的方向，说明安培力实际是洛伦兹力的宏观表现。

“洛伦兹力方向”的探究活动不仅能够让学生确信洛伦兹力的存在，得到判断洛伦兹力方向的方法，而且洛伦兹力与磁场和电荷运动方向之间的关系是“安培力实际是洛伦兹力的宏观表现”的一个有力的佐证。通过这一探究活动的体验，使学生形成正确的物理观念，提高其科学探究能力。

2.3 精设问题，引领理论探究，铺设台阶，培养学生的科学思维能力

洛伦兹力的大小是本节教学的另一个重点和难点。人教版教材结合立体模型图(如图3)，通过3个问题引领学生尝试，由安培力的表达式导出洛伦兹力的表达式。鲁科版教材结合平面模型图(如图4)，直接导出电流的微观表达式及安培力和洛伦兹力数值关系后，将剩余下的推导过程，以填空的形式让学生完成。教科版教材则是给出了由安培力表达式导出洛伦兹力表达式的整个过程。

图3

图4

由安培力推导出洛伦兹力的表达式的过程是培养学生科学思维能力，特别是逻辑思维能力的好机会，应该尽可能地让全体学生都参与到这一过程。相比较而言，人教版教材的处理方式比较好。由于学生构建模型的能力比较弱，一段时间内通过某一横截面的粒子数和电流微观表达式的推导应是教学难点。因此笔者在教学中在人教版教材的基础上设计了4个问题，引导学生进行推导、论证。

电荷定向移动时所受洛伦兹力的矢量和，在宏观上表现为导线所受的安培力。请学生尝试由安培力表达式导出洛伦兹力的表达式(这里只讨论简单的情况：导线的方向与磁场方向垂直)，建议学生沿以下逻辑线索思考。

(1) 如图3所示，设导线中每个带电粒子定向运动的速度都是v，单位体积的粒子数为n。算出图中一段导线中的粒子数，这就是在t时间内通过横截面a的粒子数N。

(3) 写出这段长为vt的导线所受的安培力F安。

(4) 求出每个粒子所受的力，它等于洛伦兹力F洛。

学生结合4个问题进行推导和讨论，学生能够感悟到推导的思维线索和逻辑过程。不仅知道了“要这样做”，更知道了“为什么这样做”，通过科学推理，形成物理规律，从而培养了学生模型建构能力和科学推理、论证能力。

2.4 开发传统器材的新功能，增强学生的证据意识，提升学生的实验探究能力

由安培力表达式导出的洛伦兹力表达式是否正确，学生很渴望能够用实验进行验证。无论是人教版、鲁科版还是教科版教材都没有给出验证方法。若能设计出实验方案，验证洛伦兹力的表达式是否正确，必将极大的激发学生对科学探究的热情。教科版教材通过理论推导的方式推理出：带电粒子垂直进入匀强磁场中将做匀速圆周运动。人教版教材在下一节介绍了“洛伦兹力演示仪”的工作原理(如图5)，并用它来说明：“带电粒子垂直进入匀强磁场中将做匀速圆周运动”。笔者在教学中将两者相结合，引领学生设计方案验证洛伦兹力的表达式，具体实验步骤如下。

图5

(2) 测量磁感应强度。通电励磁线圈产生磁感应强度的大小可用磁传感器直接测量，磁传感器输出的电信号经过数据采集器进入计算机，磁感应强度的大小可以直接读出。

(4) 比较洛伦兹力F大小和evB大小是否相等。

(5) 改变加速电压U和励磁电流I，重复实验3次。

利用“洛伦兹力演示仪”来验证洛伦兹力的表达式是否正确，是一个创新，学生对此很感兴趣。通过本实验的开发，培养了学生设计实验探究方案和获取证据的能力，课堂上笔者引领学生使用Excel表格进行处理，凸显了信息技术与物理实验相整合的优势，培养了学生使用不同方法和手段分析、处理信息的能力。

提升学生物理核心素养是中学物理教学之价值所在[2]。物理教师应该依托现有教材，研读不同版本教材，取其精华，以学生核心素养的提升为目标，优化教学内容，创设有利于学生物理核心素养提升的学习情境，精心设计学习活动，关注学生个体知识的建构，形成物理观念，提升全体学生的物理核心素养，进而为学生今后的发展奠定坚实的基础。

[1] 林崇德．21世纪学生发展核心素养研究[M]．北京：北京师范大学出版社，2016：1-70．

[2] 蒋天林．基于学生物理核心素养提升的教学实践[J]．物理教师，2017，(1)：7-9．