构建逻辑主线彰显概念本质

臧富华 赵晓蕊 邢红军

摘 要： 高中物理的磁场教学是对初中物理磁场教学的进一步深化，应当体现出继承基础上的螺旋式上升.基于目前高中物理教材编写并未体现这一思想，为此对高中物理磁场的教学进行了重新设计，以期对高中物理电与磁部分的教学有所裨益.

关键词： 磁场;逻辑主线;概念本质;高端备课

文章编号： 1008-4134（2019）23-0009     中图分类号： G633.7     文献标识码： B

1 传统教学的困局

磁场作为一个比较抽象的物理概念，在初、高中学段均有涉及.人教版初中物理教材[1]磁场部分的内容主要包括磁现象、磁场的定义、磁感线分布的特点、地磁场、电流磁效应、通电螺线管的磁场和右手螺旋定则.人教版高中物理教材磁场部分的内容主要包括磁现象、电流的磁效应、磁感线、三种常见的磁场、安培分子电流假说.对比初高中教材内容并结合当前的教学现状，笔者认为，目前高中磁场教学还存在以下问题：

1.1 教材大量重复初中内容，逻辑主线不甚明了

研究发现，高中教材中有很大一部分内容与初中教材有重合，且在讲解电流产生的磁场部分时，把单根通电直导线、环形电流和通电螺线管的磁场看成是三种常见的磁场，但并未说明它们之间的联系，缺乏一条清晰的逻辑主线.笔者认为，初中学段学生已经学习了磁场的部分内容，故高中阶段磁场教学的一个重要任务就是要厘清哪些是初中讲过的？哪些是没有讲过的？两者的区别在哪里？此外，还要进行初高中教学内容的统领和整合，使学生经过高中阶段的学习之后，能建立一个贯通、完整的磁场概念.

1.2 混淆磁性起源的两种理论，造成磁场教学的逻辑偏误

人教版高中物理教材中提到了磁性起源的一种理论-分子电流假说，这是解释通电直导线周围存在磁场的一种理论假说.值得注意的是，物理学发展史上还存在另外一种磁性起源的假说-磁荷理论，这一理论主要用来解释永磁体的磁性起源.关于磁荷理论，教材中并未提及，这不仅有碍学生全面认识磁场，也会影响后续楞次定律的学习.笔者认为，交代磁性起源的两种理论，是高中物理磁场教学中非常关键的一环.因为，唯有真正从本质上理解磁性的起源，才能使学生真正理解磁场概念，更好地学习后续与磁场有关的内容.

2 彰显逻辑的高端备课

基于对上述问题的深入思考，我们设计磁场的高端备课如下：

2.1 重温磁现象 实现磁场概念进阶

通过初中学习，学生头脑中已经初步建立了磁场概念：磁体周围存在的一种看不见、摸不着、能使磁针偏转的物质，永磁体和通电直导线周围均存在着磁场，可以用磁力线或磁感线来形象地描述磁场，磁体外部磁力线是由N极指向S极的曲线.高中磁场的学习要在初中的基础上进一步理解磁场的概念，构建更全面的磁场概念.因此，可以采用向学生展示指南针指示方向、奥斯特电流的磁效应实验、磁体对通电导线磁场的作用实验以及平行通电直导线之间存在相互作用力四个实验引入本节课.表1所示实验，既有永磁体与永磁体磁场之间、通电导体与通电导体磁场之间的相互作用，又有永磁体与通电导体之间磁场的相互作用.通过观察，学生能直观感受电流周围同样存在磁场的事实，并且能通过本组磁现象的实验，类比电荷之间的相互作用，得出磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间，以及通电导体与通电导体之间的相互作用是通过磁场发生的结论，进而实现磁场概念理解的进阶.

2.2 寻找规律 厘清磁场之间的逻辑关系

初中阶段，学生已经知道了通电螺线管周围的磁场分布与条形磁体的磁场一样，并且学会了用右手螺旋定则判定通电螺线管的极性，但并未将直导线、环形导线、螺线管三者的磁场建立起明确的联系.为此，我们将三种磁场的关系梳理如下.由表2可见，通电环形导线其实就是将单根直导线做了一下弯曲，通电螺线管则可以看成是多个通电环形导线的叠加.根据这样的逻辑，学生就能很好地理解三种磁场的磁感线分布规律了.值得注意的是，这里出现了安培定则的两种握法，教师要向学生澄清的是，教材所示判定单根通电直导线的安培定则同样也适用于通电环形电流和通电螺线管，但出于直观方便的需要，我们常采用教材上所示的另一种握法来判定通电环形导线和通电螺线管的磁场方向，以防学生困惑.

2.3 彰显本质 澄清磁性起源的两种理论

在初中阶段学习右手螺旋定则时，学生已经知道通电螺线管是可以看作条形磁铁来处理的，到了高中阶段，教师常常利用结合磁极、磁感应线等概念对磁现象进行讲解.然而，认真追究起来，永磁体与通电螺线管外部磁场分布是一致的，但内部磁场分布却是不同的[2].究其原因，还是教师对磁场本质的理解不到位，笔者認为，在磁场一节的教学中必须要澄清磁性起源两种理论的基本概念和适用条件.

2.3.1 “磁荷”理论

永磁体之间存在相互作用，与两种电荷之间的相互作用相似，于是，人们就将电荷的相关概念引入磁现象的研究之中.认为在磁的研究中同样存在两种磁荷，分布于磁棒的两极，N极带正磁荷，S极带负磁荷，当磁极的几何线度远比它们之间的距离小时，称磁极上的磁荷为点磁荷[2].“磁荷”观点认为磁荷也可以激发磁场，描述磁场的基本物理量定义为磁场强度H.由于电和磁的相似性，于是定义磁场中某一点的磁场强度H的大小等于单位正磁荷在该处所受的磁场力F的大小，方向与该处正磁荷受力方向一致[3].磁荷和电荷激发的场具有相似性，故磁场也应该为有源场.磁荷与磁荷之间将按照磁库仑定律发生相互作用，就会有同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的规律，从这就可以看出，只有在“磁性起源于磁荷”的观点中才能提及磁极的概念.同时，磁荷观点中采用磁场强度H描述磁场的强弱，用磁力线（H线）形象描述磁场强度的分布，由于磁场为有源场，所以磁力线（H线）不闭合，它起于正磁荷止于负磁荷.所以，当把通电螺线管“等效”为条形磁铁时，管内管外磁力线均起于N极，止于S极.

2.3.2 “分子电流”理论

安培提出了“分子电流”假说，他认为“在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流———分子电流，未磁化的铁棒，内部分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁性相互抵消，对外不显磁性.当受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出比较强的磁作用[1].”在了解了原子的结构后，我们知道不论对于磁铁还是导体中的电流，它们的本质都是电荷的运动，也就是运动的电荷之间存在磁相互作用.从而形成了“磁场是电流激发的”观点，该理论也将电和磁统一了起来.与磁荷理论相对应，在“分子电流”理论中描述电流激发磁场的基本物理量是磁感应强度B，用磁感应线（B线）形象地描述磁场强弱的分布，需要指出的是，B线与H线不是同一种线.磁感应线（B线）是与电流环连的无头无尾的闭合曲线，没有端点.并且，该理论认为磁场为无源场，不可能有“磁极”的概念.由此可知，有关磁极的概念，均属于磁性起源于磁荷的观点.

综上所述，“磁荷”理论与分子电流理论均可以独立解释磁现象.通常两种理论所得到的结果也相同，但归根结底，两者还是存在差异的.所以，在分析磁场问题的时候，只能选用其中一种观点来解释，不能混用，否则在后续的学习中就会出现问题.我们在此将“磁荷”理论与“分子电流”理论进行对比，见表3.

3 高端备课的启示

3.1 体现物理教学逻辑

在进行通电直导线、环形电流、通电螺线管周围激发的磁场教学时，由于充分把握三种磁场的内在联系，是体现物理教学逻辑，从而彰显了教学规律的重要环节.显然，环形电流其实就是通电直导线弯曲而成的，螺线管则是多个环形导线的叠加，这样就建立了通电直导线、环形电流、通电螺线管之间的联系.在教学中按照先向学生呈现一个通电直导线的磁场，再弯曲成环形导线，最后缠绕成通电螺线管的顺序，依次向学生呈现三种不同的磁场，依此逻辑，学生只要理解了通电直导线周围激发的磁场特点，就能够很好理解后两种磁场的分布了，这也为学生的思维发展找到了一个非常好的逻辑通道，同时促进学生思维能力的提高.

3.2 实现磁场学习进阶

所谓学习进阶，其实质就是对学生在各学段，学习同一主题知识时所遵循的连贯的、循序渐进的学习路径的描述，一般表现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列[4].磁场概念在初高中均有涉及，初中阶段学生只是初步建立了磁场概念，因此，高中阶段磁场教学的关键在于融通初高中物理磁场概念，加深对磁场的认识，实现磁场学习进阶.然而，达成以上目标的前提是要搞清概念的起点、节点和终点.不难发现，磁场概念教学的起点是学生已经有永磁体能吸引铁钴镍、指南针能指示方向的生活经验，节点是建立磁场的初步概念，了解永磁体、知道通电直导线、环形电流、通电螺线管的磁场分布特点，能对磁场概念有全面深刻的理解，知道通电直导线、环形电流、通电螺线管三种磁场之间的关系和特点，终点是能从本质上解释磁场的起源.显而易见，按照磁场概念的三个进阶层次进行教学，不但能较好地融通初高中内容，而且能促进课程的螺旋式上升，实现学生磁场概念学习进阶.

3.3 彰显概念教学本质

对物理概念本质的掌握是物理概念教学的重要环节，也是物理教学的本真所在，体现着物理教学的至高境界.因此，在本节课的教学设计中，着重提出要澄清磁场起源的两种理论，说明两种理论的差别所在和适用范围，帮助学生从根源上理解磁场到底是怎么来的.我们认为，学生唯有到了“知其所以然”这一步，才表明真正建立起了磁场的物理观念，達到了认识磁场的最高境界.否则，学生对磁场的认知还只是建立在一个“知其然”的模糊的磁场概念之上，这是不稳固的，容易在后续的学习中陷入思维误区.

参考文献：

[1]人民教育出版社教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课标准实验教科书物理选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：2-5.

[2]阿不都克由木·吾吉阿不拉，周栩君，邢红军.论楞次定律教学中的磁荷理论与分子电流理论[J].物理教师，2017，38（06）：69-71.

[3]黄永修.基础物理专题分析[M].郑州：河南科学技术出版社，1993：300-303.

[4]刘晟，刘恩山.学习进阶：关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报，2012，8（2）：81-87.

（收稿日期：2019-09-09）