基于提升学生的物理核心素养的教学研究——以“磁感应强度”为例

何丽亚 彭朝阳

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

1 设计思想

物理核心素养是指学生在接受物理学习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学科特性的一种品质．[1]物理核心素养包含4个要素:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任．本文以“磁感应强度”为例,介绍在教学设计过程中如何来培养学生的核心素养．

物理观念是具体的物理知识在学生头脑中的提炼与升华,科学态度与责任是指对待科学的态度与价值观．科学思维是让学生通过学习,能够了解物理学研究问题所运用的思想和方法,而科学探究是指让学生通过学习,具有科学探究的意识和能力去解决生活中所遇到的问题．[2]磁感应强度是电磁学的基本概念之一,为后续学习安培力、洛伦兹力奠定基础．本节内容选自人民教育出版社高中物理选修3-1中的第3章第2节,是整章的重点,也是难点．自从进入高中之后,学生感觉高中教材中的概念越来越难以理解,在面对考试的时候,概念辨析题一直是学生的易错题.笔者认为这是因为学生在接受概念学习的过程中,无法体会到概念建立的过程,只是机械地记住概念本身,导致学生难以理解概念的深刻含义．本文从概念的引入,通过实验探究来建立概念,从教材中的定性分析到设计实验定量分析来设计磁感应强度这一节,在教学中体现出如何来建立磁感应强度的这一过程,也体现出了如何来培养学生的核心素养．

2 教学过程

2.1 创设情境,新课引入

师:我们都知道,磁铁能吸起磁性物质,那么不同的磁铁吸起磁性物质的本领相同吗?

生:不一样.

师:能举个例子说明磁铁吸起磁性物质的本领间的差异吗?

生:用于深海打捞的铷铁硼磁铁能吸起很重的金属,而条形磁铁却不能．

师:(点评)老师:展示两种不同的磁铁,用两块体积不一样大的磁铁吸引同一个铁盒子,(向学生展示两块磁铁),同学猜想是体积大的磁铁能把铁盒子吸起来,还是体积小的磁铁能把铁盒子吸起来?

学生回答:大的,小的……

教师:同学们的答案都不一样,我们一起来看观察实验,到底是大的磁铁能把铁盒子吸起来还是体积小的磁铁能把铁盒子吸起来?

实验演示……如图1、图2所示．

图1图2

教师:体积小的磁铁却把铁盒子吸起来了,原来“磁不可貌相”,这说明了什么呢?

生:说明磁铁周围的磁场强弱是不一样的．

师:上述让我们认识到了磁场有强弱之分,我们如何来认识和描述磁场的强弱呢?通过今天的学习我们就能揭示其中的奥秘．

2.2 类比旧知,温故知新

师:同学们,在学习磁场之前,我们还学习过哪种场呢?哪位同学能回答一下呢?

生:电场．

师:在学习电场的时候,我们用哪一个物理量来描述电场的强弱呢?

生:用电场强度来描述电场的强弱.

师:那电场强度是如何来定义的呢?

生:电场强度是通过将一检验电荷放在电场中分析电荷所受的电场力与检验电荷量的比值来定义的．

师:我们研究检验电荷在电场中的受力情况,从而确定了一个叫做电场强度的物理量来描述电场的强弱．

师:那么我们是否可以分析通电导线或磁铁在磁场中的受力情况,从而也确定一个物理量来描述磁场的强弱呢?电场和磁场有很多相似的地方,今天我们就类比电场,找出描述磁场强弱的物理量．与电场强度相对应,我们是不是可以把描述磁场强弱的物理量叫做磁场强度呢?

生:可以．

生:不可以．

师:历史上磁场强度已经用来表示另一个物理量,因此物理学中用磁感应强度来描述磁场的强弱．[3]通过类比可知:我们是可以分析通电导线或磁铁在磁场中的受力情况,确定磁感应强度这个物理量来描述磁场的强弱．

板书:磁感应强度:描述磁场强弱的物理量．

2.3 科学探究,建立概念

2.3.1 探究磁感应强度的方向

师:这两个问题将是我们这节课要学习、解决的两个问题,也是本节课的重点,首先,我们来探究磁感应强度的方向．

教具:一块条形磁铁,多枚小磁针.

师:首先我们来看一个小实验,桌子上放有一根条形磁铁,它的周围存在着磁场,现在我们在它的周围放置多枚小磁针,待小磁针处于静止状态时观察现象(如图3、4所示)．我们发现不同位置小磁针红色指向也就是N极的指向是不同的,这说明了不同位置小磁针受到磁场力的方向是不同的．在初中我们已经学过磁感线的知识,在磁铁的外部,磁感线总是从N极指向S极,物理学中把小磁针静止时N极所指的方向规定为该点磁感应强度的方向,简称磁场方向．

图3 小磁针静止的指向图 图4 磁感线图

板书:磁感应强度的方向(简称磁场方向):小磁针静止时N极所指的方向

2.3.2 探究磁感应强度的大小与哪些因素有关

师:探究了磁感应强度的方向,接下来我们来探究磁感应强度的大小,小磁针既有N极,又有S极,N极不能单独存在,没有办法单独研究小磁针N极的受力大小,无法探究磁感应强度的大小,那该怎么办呢?能不能用一段很短的通电导线来检验磁场的强弱呢?

生:能．

师:为什么能呢?

生:刚才已经讲解过磁场除了对磁极有力的作用,还对通电导线有力的作用．

师:很好,在物理学中,把一段很短的通电导线中的电流I和导线长度L的乘积叫做电流元,孤立的电流元是不存在的,它是理想模型．如果我们研究的是匀强磁场,我们就可以使用一段比较长的通电导线来推出一段电流元的情况．

师:教材中定性地分析通电导线受到的力与导线长度L、通过导线的电流I有关,并且得到的关系是:通过电流I一定的情况下，导线长度L越大,F越大;导线长度L一定的情况下，通过的电流I越大,F越大．

师:那么影响磁场力大小的因素除了电流、导线长度有关,还与哪些因素有关呢?同学猜想一下．

生:磁场强弱,导线的摆角有关．

师:为了精确得到磁场力的大小与电流大小、导线长度、磁场强弱、导线的摆角之间的定量关系,老师针对教材方案中的实验可能出现的问题进行了改进,图5为改进后的方案:变单根导线为多匝线圈,电流表定量测出电流的数值,两块强磁铁之间构成匀强磁场．本实验还巧妙地利用了牛顿第三定律,把测量磁铁对通电导线的作用力转化为测导线对磁铁的作用力,因而整个磁铁置于电子秤之上．[4]将4节干电池与开关、滑动变阻器、电流表,线圈串联起来接入电路．

图5 实验设计图(单个线圈接入电路的情况)

教具:4节干电池,开关一个,滑动变阻器1个(2 A 20 Ω),电流表一个,方形线圈2个(一个线圈的边长大约为0.07 m),电子秤1个(精度为0.001 g),支架一个,导线若干．

师:闭合开关,开启电子秤,电子秤上有示数,清零去掉磁铁的重力,直接从电子秤上读出线圈在磁场中的受力．怎么来测量磁场力与电流大小、导线长度、磁场强弱、线圈的摆角这4个变量之间的关系呢?采取什么样的方法呢?

生:控制变量法．

师:对了,当有多个因素决定一个问题时,为研究其中一个因素与这个问题的关系时,我们采取的是控制其他变量不变的方法叫做控制变量法．首先我们来进行第1组实验:控制电流大小、导线长度不变、磁场强弱不变,改变线圈的摆角,探究力与摆角的关系,闭合开关,采集数据,并让一位学生协助记录数据(数据如表1所示)．

表1 探究磁场力与线圈摆角的关系

师:从数据中我们发现了什么呢？

生:当线圈的摆角为90°时,线圈受到的磁场力最大．

师:线圈的摆角为90°时,线圈与磁场方向之间有什么关系呢?

生:线圈与磁场方向垂直．

师:很好,接下我们研究的就是线圈与磁场方向垂直的情况,接下来进行第2组实验:控制磁场强弱和导线长度不变,探究力与电流的关系,将滑动变阻器的阻值调到最大,闭合开关,不断调节滑动变阻器的阻值来改变电流的大小,采集数据,并记录数据(数据如表2所示)．

表2 探究磁场力与电流的关系

师:为了形象直观地反映力与电流的关系,我们以电流为横坐标,力为纵坐标进行拟图,观察图像大致为一条过原点的倾斜的直线,从而说明力与电流成正比关系(如图6所示)．

图6 磁场力与电流的关系图

师:接下来进行第3组实验:控制磁场强弱不变和电流大小不变,改变磁场中通电线圈长度,上述实验采用的是1个线圈,现在把2个线圈串联起来接入电路,此时的线圈长度为0.14 m,如图7所示.图8为2个线圈串联起来接入电路的情况.不断地调节滑动变阻器的阻值,记录数据(数据如表3所示)．

图7 实验设计图(两个线圈串联接入电路的情况)

图8 两个线圈串联

F/gI/AL/m 0.3550.300.14 0.1600.280.07 0.3350.280.14 0.1450.240.07 0.2950.240.14 0.1200.200.07 0.2500.200.14

师:当磁场强弱、电流大小保持不变时,导线长度变为原来的2倍时,同学们看一下,力发生了怎样的变化呢?

生:力大约变为原来的2倍．

师:当导线长度变为原来的2倍时,力也变为原来的2倍,从而说明在磁场强弱、电流大小保持不变时,力与导线长度成正比关系,F∝L．F∝I、F∝L,由第2组和第3组实验可知,力与电流和导线长度的乘积也成正比关系．

师:那比例系数k有什么物理意义,谁在影响它的大小?带着疑问,我们进行第4组实验:保持电流大小、导线长度不变,改变磁场强弱,探究力与磁场强弱的关系．我们通过增加磁铁层数来增强磁场强弱,获取数据后我们发现:当磁场变强时力随之增大了,力增大可知比例系数k也增大,显然,磁场的强弱决定了比例系数k的大小．(数据记录如表4所示),因此我们用F与IL的比值来描述磁场的强弱,将它定义为磁感应强度,用符号B来表示,它的单位由F、I、L共同决定．

表4 探究力与磁场强弱的关系表

生:B的大小都基本保持不变．

师:对比表4中的磁场增加,K增大,这说明了什么呢?

生:说明了磁感应强度只与磁场本身有关．

师:嗯,对了,这就是磁感应强度的物理意义．

板书:磁感应强度是磁场本身的属性,与F、I、L无关,用来描述磁场的强弱．

评析:“科学思维”物理课堂教学应该为学生创新真实、复杂的问题情境,鼓励并引导学生剖析问题、简化问题、建立物理模型,并运用适当的方法解释问题．[5]“创设情境,引入新课”这一过程中: (1) 结合生活中的实例来创设真实情境,拉近了物理与生活的联系;对比前后两次磁铁吸起磁性物质的本领不一样,让同学们认识到磁场有强弱之分.(2) 这一过程中使学生产生问题意识,引导学生分析问题,把学生的注意力吸引到课堂中来,提高学习的效率,符合了“核心素养”的培养目标．

紧接着,“类比旧知,温故知新”过程中通过类比电场知识,得出磁场的知识．类比,相当于在新旧知识间架起了一座桥梁,让学生能够从已掌握的旧知识中顺利地接受和理解新知识．[6](1) 类比的方法是物理教学、学习过程中经常使用的一种方法,把相似的概念进行类比,可以帮助学生加深对物理概念的理解. (2) 将概念之间进行类比,可以调动学生学习的主动性,有利于培养学生分析问题的能力,培养学生类比的思维能力,教给学生在今后的学习中利用类比的方法将相似概念、规律进行整理,有利于学生搭建知识网路图,培养学生的科学思维能力．

“科学探究,建立概念”过程中应用控制变量法的思想来探究磁感应强度的大小与哪些因素有关.当有多个因素决定一个问题时,运用控制变量法的思想来解决问题,培养学生处理问题的能力,培学生的科学思维素养．

“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动、相互作用、能量等的基本认识,物理基本观念来源于物理知识,又不同于物理知识,它是具体物理知识在学生头脑中的提炼与升华．[7](1) 教师首先利用一块条形磁铁和多枚小磁针来探究磁感应强度的方向,得出物理学中就把小磁针静止时N极所指的方向定为该点磁感应强度的方向,从而建立概念．学生能体验到概念建立的这一过程,并且也加深了对概念的理解,只有小磁针静止时,小磁针N极的指向才是磁场的方向. (2) 教师利用实验一步步探究,最后说明磁感应强度是磁场本身的属性,与F、I、L无关,避免了学生被动地接受知识,使物理知识在学生头脑中提炼与升华．

“科学探究”主要指物理中通过实验发现物理规律的方法,包括发现问题、合理猜测、设计实验探究方案和获取证据、分析论证、合作与交流、评估和反思等．[8]在探究磁感应强度的大小与哪些因素有关时: (1) 首先提出猜想磁场力与电流大小、导线长度、磁场强弱、线圈的摆角有关,并用控制变量法的思想来探究实验,用4组实验验证了所提出的猜想. (2) 当磁场增强时,比例系数k增大,得出磁场强弱决定了比例系数k的大小,从而得出磁感应强度B的大小公式．从提出猜想、进行实验探究、对数据分析得出结论,学生交流讨论这一过程中,结合图像、控制变量法的思想,教给学生处理问题的方法,培养学生的科学探究素养．

“科学态度与责任”主要指对待科学的态度与价值观,包括能正确认识科学的本质,具有学习和研究物理的好奇心与求知欲．[8]利用实验来验证磁感应强度的大小与F、I、L无关,让学生能认识到知识的本质．

3 小结

磁感应强度是电磁学中的重要概念之一,电场、磁场这样的物质,我们既看不见,也摸不着,因此学生在学习电磁学中的概念时会感觉比较抽象,无法理解概念的深刻含义．所以教师在教学过程中应以学生为主体,多利用实验、模型、图像、类比等教学方法来帮助学生建立概念,体验概念建立的过程,使学生加深对概念地理解．