借助物理课堂培养学生的物理核心素养初探

王丽姜

摘 要：物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。物理课堂是实现物理学科课程目标，培养学生物理核心素养的重要平台。不同类型的课例，培养不同的核心素养。以高二物理鲁科版选修3-1的“洛伦兹力及其应用”为例，阐述如何在高中课堂上引导学生经历知识的获得过程，养成科学思维，培养物理核心素养。在拥有物理观念、科学思维的同时培养科学探究能力以及科学态度和社会担当。文章重点体现在课堂中培养科学态度与责任素养，为广大物理教师课堂设计提供参考。

关键词：物理核心素养；科学态度与责任；科学前沿；物理学史；洛伦兹力及其应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0005-5

1 核心素养培养与物理课堂的联系

物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。高中物理课程重在帮助学生从物理学的视角认识自然、理解自然，建构关于自然界的物理图景；引导学生经历科学探究过程，体会科学探究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力；引领学生认识科学的本质以及科学·技术·社会·环境（STSE）的关系，形成科学态度、科学世界观和正确的价值观，为做有社会责任感的公民奠定基础[1]。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。物理课堂是实现物理学科课程目标，培养学生物理核心素养的重要平台[2]。

不同的课例，重点培养不同的核心素养。类似“机械运动、位移、速度、加速度、力、功、能量、冲量、动量”等概念课重在培养学生的物理观念。物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基础认识，主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念[1]。从知识层次，让学生从物理学视角形成关于物质、力、运动、做功与能量转化等物理观念。“力的合成、力的平衡、牛顿第二定律、牛顿第三定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、磁场对电流的作用、楞次定律”等定律型课例则重在培养学生的科学思维和科学探究过程，经历定律的获得过程，在课堂上经历模拟的、微小的科研过程。学生分组实验课更注重培养学生的科学探究过程。科学探究就像一个微型的科研过程，是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息等。

实际上每节物理课都可以适当引导学生将知识迁移到实际应用中，引导学生发现课堂知识不仅仅用于做题和考试，更是为社会生活和科学研究提供理论基础，物理知识应用于社会生活，提高了生产力，进而改变生产关系。引领学生认识科学知识与技术、社会和环境（STSE）的关系。有一些课例是培养学生科学思维、科学态度与责任等核心素养的最佳平台，如“牛顿第一定律、天体运动与万有引力定律、人造卫星、洛伦兹力及其应用、电磁感应定律以及原子物理部分”等课例。本文以“洛伦兹力及其应用”为例详细阐述这一观点。

2 课堂教学设计案例“洛伦兹力及其应用”

2.1 分析教材

从内容地位来看，“洛伦兹力及应用”在鲁科版选修3-1第6章的第2节、第3节。课标要求：通过实验，认识洛伦兹力，会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小；了解电子束磁偏转原理以及在科学技术中的应用。洛伦兹力在安培力之后学习，并且洛伦兹力在科研中有重要应用，故此内容有承上启下的作用。高二的学生已经学完牛顿经典力学思维方式，思维能力发展已经接近成熟。学生已经学过安培力，学过电流是电荷的定向移动形成的，这些前概念都是学生学习这节课的理论基础。“安培力”这节课适合重点培养学生的科学探究能力，可以探究安培力的大小、方向，而“洛伦兹力及应用”这节课则更适合充分利用学生的前概念，来引导学生探索新的问题，采用理论推测与实验验证相结合的办法，来进一步提升学生的思维能力。

2.2 详细教学过程

引入（展示历史）：1897年剑桥大学的卡文迪许实验室的汤姆逊将阴极射线引入磁场，确定射线是带电粒子流，電性为负，并测定其比荷，命名为电子。电子比最小的原子还小，打破了原子不可分的思想，被授予诺贝尔物理奖。

提出第一个问题Q1：运动电荷在磁场中是否受到力的作用呢？

学生猜测：会。理由是电流在磁场中受安培力的作用，而电流是电荷定向移动形成的。

教师引导建立电流的微观模型，电流在磁场中会受到安培力的作用，而电流是电荷的定向移动形成的。从逻辑上推测每个运动电荷都会受到力的作用，我们的推测是否正确呢？下面请大家看一个演示（此处设计体现建立微观模型以及理论推测与实验验证并行的科学思维，如图1）。

2.2.1 演示实验一：阴极射线管

1.仪器介绍：玻璃管内抽成了真空，并将其左右两极接高压电源，阴极发射电子，挡板上有一个扁平狭缝，电子被加速，飞向阳极，通过狭缝形成一个扁平电子束。长条形的荧光板在阳极端稍倾向轴线，电子束射到荧光屏上，间接显示出轨迹。

2.看到现象：没有加磁场，观察到的是直线轨迹。加磁场后，观察到轨迹弯曲。

这说明什么？说明运动的电子受到磁场对它的作用。1895年荷兰物理学家洛伦兹推导出此力，并将其定义为洛伦兹力。（板书：“1.定义：运动电荷在磁场中受力称为洛伦兹力。”）

Q2：洛伦兹力与安培力有关联吗？

学生1猜测：多个洛伦兹力总和为安培力，理由是多个电荷形成电流；学生2频频用左手比划，试图寻求方向上的关联。

教师：老师留意到有同学用左手在研究方向，发现什么？

学生：方向似乎不一样？

教师：有关联吗？有何不同？（质疑的态度）

学生：好像相反。

其他学生：电子向右运动，形成向左的电流，四指应当指向左边，这样就吻合了。

2.2.2 理论研究洛伦兹力大小

设定情境：假设导线长为L，横截面积为S，其单位体积内的电荷数为n，每个电荷的电量为q，电荷定向运动的速度为v，阴影部分导线内电荷数为N。

思维引导：首先建立微观模型（如图2）。

4.1930年狄拉克在理论上预言正电子的存在，1932年美国物理学家安德森将宇宙射线通过加强磁场的云室，发现其轨迹与电子吻合，但偏转方向相反。不久约里奥-居里夫妇发现相同现象。

正电子的发现证明了反物质的存在。1955年，塞格雷和钱伯林观测到反质子的存在。

5.华裔科学家、1976年诺贝尔奖获得者、洛伦兹奖章获得者丁肇中先生于1965年发现反氘核。1998年，丁肇中先生携众科学家（其中有200多位中国科学家），将大型磁谱仪利用飞船带入国际空间站，沐浴着宇宙射线。利用宇宙射线在强磁场中偏转，寻找反物质和暗物质的来源。

2013年发现太空中有大量的正电子，这些正电子的来源很可能是暗物质碰撞所产生的。2017年该磁谱仪在太空中已经收集到超过1000亿宇宙射线事件，其结果改变了人类对宇宙的认识。

6.2018年8月据法新社报道（2018-8月-28日），欧洲的对撞机有了新的发现，对撞出了常见的“希格斯粒子”玻色子的“衰变”测量。观测到底夸克耦合，就是底夸克与反底夸克对的生成，让今后发现耦合新粒子——超对称粒子成为了探究、探索的标的。欧洲强子对撞实验中心，利用加速后的强子碰撞，产生一连串粒子，在这些粒子中科学家想要寻求最为初始的基本粒子——希格斯玻色子。希格斯玻色子不带电，也不稳定，它快速衰变成四个介子。介子是一种重电子。通过磁场偏转径迹测量其动量和电性，还原衰变过程。在粒子对撞机里，两道粒子束被加速到非常高的能量，然后在粒子探测器里相互碰撞，有时候异乎寻常地会因此生成产物——希子。但是，希子在生成后会在非常短暂的时间内发生衰变。结论：从1895年至今，探测带电粒子电性、确定比荷的方法一直都是将带电粒子射入强磁场中，观测偏转方向和轨迹。你们的学长们现在正在欧洲强子对撞中心做粒子物理研究，同学们加油！

3 剖析课堂，渗透核心素养的培养

3.1 物理观念

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基础认识，主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念[1]。从知识层次，让学生从物理学视角，形成关于物质、力、运动、做功与能量转化等物理观念，学习洛伦兹力的定义、方向、大小、做功及受洛伦兹力作用下的运动情况，引导学生能用物理学的视角解释自然现象，如极光现象等。

3.2 科学思维渗透

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[1]。本节课首先将学生已认知的宏观通电导体放大到微观层面，建立微观模型，引导学生学习通过原始问题构建模型的科学思维方法。接着授课引导学生体验理论猜测与实验验证相结合的科研方法。

第一次使用该方法：通过理论猜测电流在磁场中受力，电荷定向移动形成电流，所以运动电荷在磁场中受力，再结合阴极射线管演示实验，验证理论推测并确定洛伦兹力的定义。

第二次使用该方法：通过安培力与洛伦兹力的内在关联，推导洛伦兹力的大小，推理得到粒子垂直进入匀强磁场仅受洛伦兹力的作用将做匀速圆周运动，理论上推得圆周半径与v、B及m/q有关。结合洛伦兹力演示仪器，理论猜测与实验现象互相印证。

3.3 利用科学前沿和物理学史渗透科学态度与责任

科学态度与责任是指在认识科学本质、认识科学技术社会环境的基础上逐渐形成的探索自然的内在动力[1]。整节课学习即将接近尾声，将洛伦兹力在历史长河中的应用按时间顺序展示出来（如图4）。从1895年洛伦兹定义并推导出洛伦兹力到2018年，从国外科学家到中国科学家到身边的学长，拉近科研与学生的关系。让高二的学生在学习这节课之后，发现从1895年至今，探测带电粒子电性、确定比荷的方法一直都是将带电粒子射入强磁场中，观测偏转方向和軌迹。引导学生认识到科学与技术的关系，感受到课堂与前沿科学紧密相关，激励学生的社会责任感，积极投身国家的科研事业。让学生明白发现规律、尊重规律、应用规律的意义，明白物理走向社会的必要性，激发学习动力与可持续学习的内在潜力，引导部分学生投身于科学研究工作中。

同样的设计理念还可以在“加速器”这节课中体现，课程以科学前沿引入：自1897年汤姆逊发现电子开始，时至今日，在一个多世纪的时间里 ，人类一直孜孜不倦地探索着微观世界的奥秘。高能物理学家在找新粒子时，用很高能量的粒子充当“微型炮弹”轰击原子核，把粒子“撞坏”、打开，逐渐发现质子、 中子、 夸克。引导学生面对原始问题“从物理学角度，如何加速带电粒子？”学生利用已有的知识一步步设计出直线加速器和回旋加速器。设计的过程遇到问题，逐一解决，实现思维能力的提升。最后向学生展示“科学前沿”，美国费米国家实验室、欧洲核子研究中心。诺贝尔物理奖获得者费米曾在1954年提出环绕地球建一台加速器的设想，称为费米的梦，其能量可达数千TeV。展示“中国人的梦想”，沿我们的万里长城建一台加速器，其能量可达134 TeV。提出建造更高能量的加速器是摆在科学家和工程技术人员面前的重要课题，是同学们的机遇和挑战。

综上所述，不难发现在高中课堂上培养科学态度与责任有两个很好的素材，它们是与本节课相关的物理学史以及科技前沿。我们在设计教学过程时，可以有意识地、有效地将素材添加进来。科学前沿能极大地激发学生的学习动力，学生发现学物理不再是解题而已，而是学习物理知识与社会、技术、科研之间的联系。物理学史是人类对于各种自然现象的认识史，它描述了物理学的各种思想方法的发展和演化过程。加强物理学史教育有利于学生系统、全面地了解物理学的发展，并深刻认识到人类对于世界探索和发现的漫长且艰巨的过程，从而激发学生对于物理学习的好奇心，增强学生的社会责任感和使命感，开始渴望探索那些不为人知的新世界。其次，物理学史教育还包含物理学家对于科学世界奥秘的刻苦钻研与艰辛探索的过程[3]。物理学史中蕴含前人的智慧、科学方法和科学态度。读史使人明智，将历史还原重演，引导学生面对原始问题，身临其境参与问题的解决过程。这样的设计类似两档出色的节目《一本好书》及《国家宝藏》，这样的方式符合青少年的认知习惯，学生习得知识的同时经历了知识的获得过程，培养学生的科学思维，关键是科学情怀和素养的养成。

我们的学生中有投身物理科研，在欧洲强子对撞中心做高能粒子研究的，也有做证券交易的，各式各样的职业都有。物理对于学生而言，关键是培养思维能力，这些能力是通用的，为将来从事的事业奠定基础。我们应当在每一节课中落实育人目标，培养物理核心素养，培养科学素养和社会责任感。激发学生的内在求知欲，逐渐形成探索自然的内在动力，培养学生严谨认真、实事求是、持之以恒的科学态度，培养学生懂得尊重规律并应用规律，激发可持续发展的内在学习动力和社会责任感。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]吕立龙.基于核心素养生成的物理课堂教学设计——以“超重和失重”为例[J].湖南中学物理，2018，33（11）：82-84.

[3]陆良荣.渗透物理学史教育 发展学生科学思维[J].中学物理教学参考，2018，47（21）：1-3.

（栏目编辑 赵保钢）