基于“学习进阶”的物理概念教学

2019-09-10董友军侯柏羽

教育研究与评论（中学教育教学） 2019年11期

董友军侯柏羽

摘要：物理概念是人脑对客观事物关于物理属性和本质特征的抽象，是观察、验证、思维、概括相结合的产物。所谓“学习进阶”，是指随着学习时间的增加，学生对某一学习主题的认识不断丰富和逐步深入的过程。以《运动电荷在磁场中受到的力》一课为例，探索基于“学习进阶”的物理概念教学。

关键词：学习进阶概念教学《运动电荷在磁场中受到的力》

一、物理概念教学的要素

物理概念是人脑对客观事物关于物理属性和本质特征的抽象，是观察、验证、思维、概括相结合的产物。使学生形成物理概念、理解物理概念，进而掌握物理规律、发展核心素养，是中学物理教学的重要目标。笔者认为，优秀的物理概念教学应该包括以下七个要素：

（一）意义

物理概念的意义，是指引入新物理概念的必要性。通过物理概念教学，要让学生明白引入新物理概念是“迫不得已”，若不引入新物理概念，就无法更好地认识客观世界和难以完善已有理论。引入新物理概念，一方面可以丰富和发展学生原有的认知结构，另一方面也可以激发学生的探索兴趣和求知欲望。

（二）依据

物理概念的依据，是指与物理概念关联的具体事例。在物理概念教学过程中，教师应该让学生联系生活实际，观察物理现象，并列举各种事例，或进行必要的实验等，使学生对相关物理现象和物理过程有必要的感性认识，从而建立研究对象清晰、正确的表象，为形成物理概念打下扎实的认知基础。

（三）方法

物理概念的方法，是指用什么方法提炼出物理概念。物理概念的确立，不是感性材料的堆砌，而要对其进行科学抽象。一般地，教师首先要提供较多的感性材料，让学生产生充足的感性认识;然后要引导学生运用比较、分析、综合、想象、归纳、概括等方法，抓住事物的本质特征，使学生逐渐从感性认识上升到理性认识，形成物理概念。

（四）内涵

物理概念的内涵，是指物理概念的本质属性，主要包括定义、公式、单位、方向、特点等。物理概念的内涵，是物理概念教学的重点，是学生必须记住的物理学科重要基础知识。若没有记住内涵，学生分析问题和解决问题就成了“巧妇难为无米之炊”。

（五）外延

物理概念的外延，是指物理概念表述的对象和适应范围。对物理概念外延的不断学习，可以使学生对物理概念的理解逐渐深化。

（六）关联

物理概念的关联，是指物理概念与其他物理概念的相关与联系。探明不同物理概念之间的关联，有助于学生理解知识之间的内在联系，掌握学科知识结构，并对物理概念的深层理解、迁移应用都有很强的推动作用。

（七）应用

物理概念的应用，是指把物理概念应用到生产生活中去。“学以致用”是物理概念教学的根本目的和基本要求。只有通过应用，学生才能真正理解物理概念。同时，在应用过程中，学生对物理概念认知的不足才能呈现出来，这样就可以及时纠正、不断完善、逐步深化对物理概念的理解。需要特别注意的是，物理概念的应用并不等同于让学生“刷题”，而是给学生提供真实的情境，让学生去发现问题、提出问题、分析问题、解决问题。

综上所述，“意义”体现了引入物理概念的必要性，“依据”找到了物理概念的生活基础，“方法”说明了物理研究的规范性，“内涵”反映了物理学科的基础知识，“外延”明确了物理概念的适用范围，“关联”指向建构知识结构，“应用”让物理知识又回归生活。七个要素相互联系，相互促进，共同深化了学生对物理概念的理解。

二、“学习进阶”理论阐述及教学实践

所谓“学习进阶”，是指随着学习时间的增加，学生对某一学习主题的认识不断丰富和逐步深入的过程。学习是一个不断发展的过程，学生对知识的理解不是一蹴而就的，而需要经历多个中间水平，这些中间水平被称为“阶”。通过多个“阶”，将学习的起点和终点连接起来，形成一条知识不断提升、思维不断发展的通路。需要说明的是，“阶”是由知识和学生共同决定的，教师应该根据情况灵活处理、设置。下面，以人教版高中物理选修31《运动电荷在磁场中受到的力》一课为例，探索基于“学习进阶”的物理概念教学。

（一）起点

物理概念“学习进阶”的起点是根据学生已有的知识结构和现有的认知能力来确立的。学生已经在教材必修1中学过“力可以劃分为性质力和效果力”;在教材必修2中学过“合力与速度不在同一直线上的物体做曲线运动，且合力指向曲线的内侧”;在前一章《恒定电流》中学过“电荷的定向运动产生电流”“电流的方向规定为正电荷运动的方向（负电荷运动的方向与电流的方向相反）”“电流的大小用公式I=qt求得”;在前一节课上学过安培力，知道“磁场对通电导体的作用力叫作安培力”“安培力的方向用左手定则判断”“安培力的大小用公式F=BILsinθ求得”。这些是学习这节课内容的基础，也是本节课“学习进阶”的起点。

（二）终点

物理概念“学习进阶”的终点是学生达到完善物理知识结构、发展核心素养的目标。笔者认为，“学习进阶”的终点主要根据学生的迷思概念、物理考试大纲和题目、物理课程标准和教材等来确定，指向帮助学生消除迷思、提升成绩、发展素养。据此，设定本节课的“学习进阶”终点：通过观察阴极射线在磁场中偏转，激发求知欲等科学态度素养;通过分析、推理，知道磁场对运动电荷产生洛伦兹力，培养物质观、运动观与相互作用观等物理观念素养;总结出左手定则，培养提出猜想、实验验证、解释分析、交流评价等实验探究素养;推导出洛伦兹力的公式，培养模型建构、科学推理等科学思维素养;分析电视机显像管的工作原理，体现“物理学来自生活，又服务生活”的新课程理念。

（三）“阶”的划分

1.观察、参与演示实验。

实验是物理学的基础，也是物理教学的常规方式。教学中，可让学生参与实验、观察实验，培养学生学习物理的兴趣，激发学生独立思考的习惯。第一“阶”，通过演示阴极射线实验，让学生发现磁场对运动电荷产生作用力。

【教学片段1】

师（演示实验，现象见图1）不给阴极射线添加磁场，观察到的电子束轨迹是什么形状？

生一条直线。

师将条形磁铁的一端靠近阴极射线管，观察到的电子束轨迹有什么变化？

（请一名学生参与演示实验，现象见图2、图3。）

生轨迹由直线变成了曲线。

师这说明了什么？

生说明电子受到了指向偏转方向的力。

师为什么会产生这个力？

生条形磁铁靠近阴极射线管会产生磁场，应该是磁场对电子产生了作用力。

师在物理学中，把磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力，用来纪念洛伦兹在物理学中做出的重要贡献。

2.科学推理。

科学推理是科学思维的要素之一，也是培养科学思维的重要手段。第二“阶”，引导学生推理、猜想，得出安培力是洛伦兹力的宏观表现。

【教学片段2】

师上一节课，我们已经用实验证明了，当通电导线与磁场垂直时，磁场对通电导线有作用力。请问：导线和通电导线有何不同？

生导线中的自由电荷没有定向运动，而通电导线中的自由电荷做定向运动。

师通电导线中的每个自由电荷在磁场中会受到什么力？

生洛伦兹力。

师每个电荷都受到洛伦兹力，请问所有洛伦兹力的合力去哪里了？

生应该就是安培力吧。

师为什么是安培力？

生因为导线通电后只增加了安培力，再无其他力产生，所以可以猜想：所有洛伦兹力的合力应该就是安培力。

师分析得很好！安培力就是洛伦兹力的宏观表现。设安培力为F安，洛伦兹力为F洛，做定向运动的自由电荷个数为N，即有F安=NF洛。

3.从宏观到微观。

归纳宏观规律，探究微观本质，是物理学研究自然现象的重要方向，也是理解科学本质的更高追求。第三“阶”，引导学生从宏观现象到微观分析，得出用左手定则判断洛伦兹力方向与安培力方向，四指指向一致。

【教学片段3】

师既然安培力是洛伦兹力的宏观表现，则说明安培力的方向与洛伦兹力的方向有什么关系？

生它们的方向相同。

师用左手定则判断安培力的方向时，四指指向什么方向？

生四指指向通电导线电流的方向。

师那电流的方向与电荷定向运动的方向有什么关系？

生正电荷定向运动的方向与电流方向相同，负电荷定向运动的方向与电流方向相反。

师那如何判断洛伦兹力的方向呢？

生因为洛伦兹力的方向与安培力的方向相同，所以也可以用左手定则。

师此时四指指向什么方向呢？

生四指指向正电荷定向运动的方向或负电荷定向运动的反方向，即判断洛伦兹力与安培力时，四指指向相同。

4.理論推导。

为了使结论更加准确，物理研究追求从定性分析到定量表达。第四“阶”，引导学生通过理论推导，自主得出洛伦兹力大小的表达式。

【教学片段4】

师（出示图4）如图所示，设导线与磁场垂直、单位体积的带电粒子数为n、带电粒子定向运动的速度为v、导线的横截面积为S，求在时间t内通过截面a的总粒子数N。

生N=nSvt。

师设导线中每个带电粒子的电荷量为q，则在时间t内通过截面a的总电荷量Q——

生Q=qN=qnSvt。

师通过导线的电流I有多大？

生I=Qt=qnSv。

师设磁感应强度的大小为B，则通电导线受到的安培力F安有多大？

生F安=BIL=B·qnSv·vt。

师由F安=NF洛可得F洛的表达式是什么？

（学生经过推导，得出F洛=qvB。）

师若带电粒子的速度v与磁场的夹角为θ，则洛伦兹力F洛的表示式是什么？

生可以把速度v分解为垂直磁场的速度vsinθ和平行磁场的速度vcosθ。平行磁场的速度产生平行磁场的等效电流，不会产生安培力，因此不会产生洛伦兹力;而垂直磁场的速度产生垂直磁场的等效电流，会产生安培力，因此会产生洛伦兹力，即有F洛=qvBsinθ。

5.针对性练习。

课堂练习，是巩固物理概念的重要手段。通过练习，可以了解学生对物理概念的掌握情况。笔者在之前的教学过程中，发现学生使用洛伦兹力公式时，在夹角和速度部分错得比较多。第五“阶”，编制针对性练习，促使学生理解公式中的夹角与速度，即夹角是速度与磁场的夹角、速度是相对于磁场的速度。

练习1如图5所示，已知匀强磁场的磁感应强度为B，方向为垂直纸面向里。一个带电量为q的正电荷，以大小为v、与水平方向夹角为θ的速度在匀强磁场中运动。求这个正电荷受到的洛伦兹力的大小和方向。

练习2如图6所示，已知匀强磁场的磁感应强度为B，方向水平向右。一个带电量为q的负电荷，以大小为v、与竖直方向夹角为θ的速度在匀强磁场中运动。求这个负电荷受到的洛伦兹力的大小和方向。

练习3如图7所示，汽车以v1=10 m/s速度水平向右运动，车厢里有磁感应强度为B=2T的匀强磁场，方向为垂直纸面向里。一个带电量为q=1C的正电荷，以v2=4 m/s的速度水平向右运动。求这个正电荷受到的洛伦兹力的大小和方向。

6.构建知识网络。

建构主义理论认为，意义建构是整个学习过程的最终目标。引导学生进行意义建构，就是帮助学生对当前学习内容及其与其他学习内容之间的内在联系达到深刻理解。这种理解在大脑中的长期存储形式是图示结构，也就是当前学习内容的认知结构。第六“阶”，引导学生建构知识网络（如下页图8所示），增强知识的关联性，并提升迁移能力。

7.解释生活实例。

在物理教学中联系生活实际，不但能激发学生的学习兴趣和求知欲望，引导学生勤于观察和积极思考，而且能让学生运用所学的知识分析和解决问题，有利于学生提升物理概念的应用能力，同时切身体会到科学、技术、社会之间的相互联系与互动关系。第七“阶”，让学生解释生活实例，让“从生活中来”的物理概念又“回到生活中去”。

【教学片段5】

师（出示图9）这是旧式电视机显像管原理的俯视示意图。若没有磁场，电子束打在荧光屏上的什么位置？

生O点。

师要使电子束打在荧光屏上的A点，偏转线圈产生的磁场的方向是——

生由左手定则可知，磁场方向应垂直纸面向外。

师要使电子束打在荧光屏上的B点，偏转线圈产生的磁场的方向是——

生垂直纸面向内。

师要使电子束打在荧光屏上的位置由A点逐渐向B点移动，偏转线圈产生的磁场应该怎样变化？

生位置从A点到O点，偏转线圈产生的磁场方向始终垂直纸面向外，大小从某一数值逐渐变小为0;位置从O点到B点，偏转线圈产生的磁场方向始终垂直纸面向内，大小从0逐渐变大为某一数值。

师实际上，在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像在不断地移动。这在电视机技术中叫作扫描。电子束从最上面一行到最下面一行扫描一遍叫作一场。电视机每秒要扫描50场，从而将图像呈现屏幕上。这也是我们感觉整个荧光屏都在发光的原因。

*本文系广东省教育科学“十三五”规划重点课题“基于物理核心素养导向的高中物理教学关键问题的实践研究”（编号：2017ZQJK038）的阶段性研究成果。

参考文献：