尝试优化探究教学路径，深度建立磁感应强度概念——以“磁感应强度”教学为例

施 坚

(江苏省梁丰高级中学，江苏 张家港 215600)

概念教学是中学物理教学理论与实践中的一个经典课题，重视基本概念教学也是我国中学物理教学的重要传统，但如何讲清相关物理概念却往往又是一个绕不开的教学难点.

1 物理概念及其讲清标准

物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特性在人们头脑中的反映，是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式.

对于物理概念教学，历史上的诸多学者都提出了教学中需要遵循的要点.北师大阎金铎教授将讲清物理概念的标准归结为一句话“讲清概念的来龙去脉”，并作了5点阐释，如表1所示.

表1 讲清物理概念的标准

而今，我国高中课程改革已实现了从2003版《普通高中物理课程标准(实验稿)》的“三维目标”到2017版《普通高中物理课程标准(修改稿)》的“核心素养”的跨越，物理核心素养是对物理课程基础教育目标的一种升华，物理观念更是居于物理核心素养的首位.“物理观念”属于大概念的范畴，如何让学生把零散的知识形成物理观念，是教学中的难点，也是广大教师的困惑点.笔者在人教版选修3-1“磁感应强度”概念教学中，尝试优化探究进行路径，深度建立磁感应强度概念，从而帮助学生形成相关物理观念.

2 “磁感应强度”教学设计的改进路径

磁感应强度是电磁学的基本概念之一，磁场与电场一样，看不见摸不着，而且对电流的作用力明显要比电场对电荷的作用力复杂一些，寻找并定义一个描述磁场强弱和方向的物理量是教学的一个难点，而在概念建立过程中贯穿渗透相关物理学思想和方法同样不可或缺.鉴于此，课堂通过丰富学生对感性材料的积累，创设问题化教学情境，强化学生对物理知识和情境的关联，让学生在情境中进行体验、感悟，促进思维活动的发生.

2.1 创设导入情境，引入类比思想

教师引导：磁体、通电导线可以发生相互力的作用，发生的机理是因为磁体和通电导线周围会产生磁场.并演示2个小实验.

(1) 有一盒回形针，一次放入一块体积较大的马蹄形磁铁，另一次放入一块体积较小的圆柱形强磁铁，放进去拿出来，后者吸引起的回形针数目明显偏多.

(2) 一个导线框通过导线与干电池组、滑动变阻器、电流表、电键等连成一个回路(如图1)，并底边垂直处于一块马蹄形磁铁(小)的两极之间，接通电路，导线框偏过一个角度……换块马蹄形磁铁(大)，接通电路，实验现象：偏角大多了，两次导线框摆动幅度差异明显.

图1

学生在教师引导下得出：回形针和通电导线都受力了，而且数目和偏角的不同说明受力大小不一样，但应该和磁体体积大小不是必然关系，应该是跟磁铁的磁性强弱有关.

教师启发学生：磁铁周围有磁场，而且磁场应该有强弱之分，但磁场看不见摸不着，这一特点和电场一致，因此，不妨借鉴电场强度的建立过程来定义磁场强弱对应物理量.

图2

学生回忆：如图2，如果要知道一个点电荷周围某处的电场有多强，可以在该点(比如点A)放置试探电荷，分析试探电荷的受力情况，发现并非受力越大就一定对应电场强度越大，而应该分析所受电场力与电荷量的比值E=F/q，即电场强度，它与试探电荷及其受到的电场力无关，只与电场本身有关，方向同于放入其中的正电荷所受电场力的方向，定义过程用到了比值法定义.

教师说明：电场和磁场都是场，与电场强度相对应，我们本可以把描述磁场强弱的物理量叫做磁场强度，但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.

学生进行类比：和电场类比，也可以借助一个类似试探电荷的某个试探物，通过它在磁场中受力来间接反映磁场的强弱，包括方向.

设计意图：将生活中的物理教育资源与书本上的物理学理论知识融通起来，使学生已有生活经验在问题情境中或得到回想，或产生矛盾、引发认知冲突.另外，学生在初中已初步了解通电导体在磁场中受力的相关知识，借助与电场知识的类比，进一步促进学生探寻磁场与电场之间的关联，深化对场的认识和理解.

2.2 引入试探磁体，定义磁场方向

教师启发学生：选择的试探磁体要简便且常见，比如小磁针.

教师演示说明并启发学生思考：一个小磁针在一根条形磁铁的磁场作用下，标有红色箭头的N极在多次晃动后最终具有稳定的指向，物理学上规定小磁针静止时N极的指向，或者说小磁针N极的受力方向，即为该处磁场的方向(磁感应强度的方向).

(1) 若改变小磁针相对磁铁的位置，小磁针静止时N极的指向会否改变？(实验现象：N极指向改变)

(2) 如何同时描述磁铁周围多处磁场的方向？(学生：在磁铁周围多处放置小磁针)

两个小实验说明，条形磁铁的磁场中不同位置的磁场方向(即磁感应强度方向)往往不同.

教师引导学生思考：如果把小磁针拿掉，该点的磁感应强度的方向不受影响，因为小磁针只是试探磁体(类比电场里的试探点电荷)；如果把条形磁铁拿掉，该点的磁场消失，没有对应的磁感应强度方向，因为条形磁铁是产生磁场的磁体(场源磁体).

设计意图：通过实验来探究磁场方向，回答相关磁场方向的问题串，可以让学生对于磁感应强度用来描述磁场本身的性质有了第一次形象化的认识，同时也为后面探究磁感应强度的大小作了重要铺垫，也让学生感受了物理概念是从同一类物理现象中概括和抽象出来的，反映了物理研究对象的本质属性和内在联系，固有、客观的存在着.

2.3 活用类比迁移，提炼电流元概念

教师启发学生：研究磁感应强度的大小同样可以采用类比法，类比电场强度，通过类似试探电荷的试探磁体在磁场中的受力来间接体现，自然优选考虑小磁针，但小磁针无论大小总是有N、S两个极，不可能单独测量N极受到的磁场力，也就不可能确定磁感应强度.

教师再次启发：磁场除开对磁铁(小磁针)会有磁场力的作用，还可以对通电导线可以有磁场力的作用，不妨尝试引入试探电流，并再次类比试探电荷，即磁场中放入的试探电流也应该长度很短，电流也不能太大，即电流元，它由电流I与长度L的乘积组成，即IL，是一个理想模型.

教师说明“以匀代变”思想方法：在实际实验中，考虑到无论是实验效果的可视性，还是以匀代变“极限思想”的可行性，一般仍然使用相对长一些的通电导线，那么要用该导线及其受力来描述它所处的各处磁场的强弱，需要处处磁场强弱程度(或者说磁感应强度)均相等，即匀强磁场，比如马蹄形磁铁两极间、两块平行的平板磁铁间等，除磁极边缘外，两极间磁场通常均可认为是匀强磁场.

设计意图：提炼“电流元”这个概念，必须从学生的认知基础出发，注重类比和概念的逻辑性，借助点电荷的类比来实现概念间的有效联结.为了定义磁感应强度的大小，从研究小磁针的N极受到磁场力大小的测量的不便利性，到通电导线(电流元)受到的磁场力能否用来间接体现各处磁感应强度大小的定性实验探究，再到后续拟通过定量探究得出磁感应强度与通电电流元及其所受磁场力的比值关系式.这个逐步生成概念的过程需要一定的教学时间，但这符合学生的认知规律，更接近学生的思维最近发展区.

2.4 “定性→定量”实验，显化磁感应强度大小公式得出过程

教师启发学生：影响通电导线或者说试探电流元受磁场力的可能的因有很多，比如光照、温度，等等，相对最有可能的因素是导线的长度(有效长度L)，电流I，磁场的磁感应强度B，甚至还有导体棒在磁场中的放置方向，为了研究的方便，本节课用的磁场是匀强磁场，导体棒放置的方向与磁场垂直.这样，仅讨论可能因素主要有导线的长度(有效长度L)，电流I，磁场，并可以使用控制变量法来设计一个定性判断磁感应强度大小的实验方案：控制电流强度一定，改变磁场内导体棒长度，看导体棒摆动幅度；控制磁场内导体棒长度一定，改变电流强度，看导体棒摆动幅度.

教师继续启发学生：改变电流强度，只要利用马蹄形(多组)和导体棒(或线圈)、电源、滑动变阻器、导线、电键等实验装置组成串联电路，并分别调节滑动变阻器至不同阻值后接通电路，看导体棒摆动幅度.而改变磁场内导体棒长度，可以有两种实验方案：

(1) 可以并排放置完全相同的磁铁分别1块、2块、3块……(教师投影方案1，如图3).

(2) 采用各种匝数的方形绕制线圈(教师投影方案2，如图4).

图4

由全班分成两组分别完成上述两个方案的实验，效果明显并得出结论：在同一磁场中，若使导线与磁场方向保持垂直，当电流I一定时，导线长度L越长，受磁场力F越大；当导线长度L一定时，电流I越大，受磁场力F越大.

教师再次启发学生：磁场力F是否随着I和L增大而分别线性增大，还需要进行定量研究，即分别测出相关的电流I、有效长度L和磁场力F，对应的实验器材分别是：电流表或者灵敏电流计，刻度尺，弹簧测力计，并由学生设计给出图5实物连线.

图5

教师演示自制教具并说明(如图6)：为了精确测定磁场力，可以使用力传感器，电流I、磁场力F均可通过传感器直接显示，导体的有效长度采用方案2，中间放置了一个多抽头线圈，分别在20匝、40匝、60匝、80匝设置抽头(即N匝线圈有效长度为NL)，而两块完全相同的平板强磁铁竖直放置即可在两者之间形成水平的匀强磁场.这样线圈对传感器的拉力即为线圈自重及其4种匝数情况下分别受到的磁场力(实际操作时，线圈自重对线圈的拉力可以校准为0，这样拉力传感器示数即为磁场力).

教师演示并说明：连上电源、滑动变阻器、数据采集器，让导线与磁场方向垂直，控制电流强度一定，改变磁场内导体棒长度，即分别接20匝、40匝、60匝、80匝的抽头，让学生记录数据(表1)，后续教师根据数据绘制EXCEL图线(如图7，F-n图像，n为线圈匝数).再控制磁场内导体棒长度一定(80匝)，改变电流强度，记录数据(表2)，绘制EXCEL图线(如图8，F-I图像).

表1 控制电流强度一定，改变磁场内导线长度

图8 F-I图像(L一定时)

学生总结实验结论：磁场内通电导线长度L一定时，磁场力F与导线内电流强度I成正比；导线内电流强度I一定时，磁场力F与通电导线长度L成正比.

教师启发学生：磁场力F既与电流I成正比，也与有效长度L成正比，那么磁场力F与IL的乘积成正比，表达式即为F∝IL，或者F=BIL，B为F与IL的比例系数，而且可根据图7F-n图像中的趋势线1(b)的斜率、图8中F-I图像可判断为一个定值.

教师补充说明并引导学生：老师在课前还做了一个实验，如果在两块平板磁铁基础上再分别贴上完全相同的平板磁铁，发现比例系数更大了，而且根据图7中F-n图像中的趋势线2(a)的斜率可判断仍为一个定值.这个系数应该反映了磁场的强弱，即磁感应强度.

教师说明概念内涵、外延和物理含义等：系数B=F/IL(成立条件：需磁场与通电导线垂直)，即磁感应强度，与F、L、I无关，由磁场本身决定，表征了磁场的强弱本质属性，矢量，方向为该处小磁针N极受力方向.在国际单位制中，B的单位是特斯拉(T)，是为了纪念美国著名的电气工程师特斯拉而命名的，1 T=1 N/(A·m)，即若通以1 A电流的某1 m长的导线放置在与之垂直的匀强磁场受到1 N的磁场力，则该匀强磁场磁感应强度为1 T.投影图8，介绍一些常见磁场的磁感应强度.另外，值得注意的是，B=F/IL虽然是由通电导线垂直放置在匀强磁场中受力推导得出的，但在取电流元的情况下，也可用于判断非匀强磁场中各处的磁感应强度的大小，即借鉴了极限的思想.

图9

设计意图：教材中的演示实验“探究影响通电导线受力的因素”是定性研究，自制教具对实验装置做了创新改进，实现定量探究磁场力，并分析实验数据，运用比值定义法得出磁感应强度B的定义式.这样的教学安排，可以让学生体会到物理概念来源于实践，但却高于实践.物理概念的形成与人的感性经验内容有关，但是物理概念又不能从感性经验逻辑地推导出来，需要与具体的客体和科学的、严谨的过程密切联系起来，但又超越了具体的客体和过程并进行提炼和升华.

2.5 梳理总结，关联提升

新课结束后，需要及时回顾磁感应强度概念建立的思路，除开与电场强度概念多次巧妙地进行“类比迁移”，还应用了物理量的“比值定义”、多因素“变量控制”、以匀代变的“极限思想”等思想方法，尤其是比值定义法来建立概念这一重要途径及其涵义，可以让学生对磁感应强度有一个全面和整体的认识，深刻理解其内涵.具体回顾分析流程图如图10所示.

图10

磁感应强度概念建立过程，甚至还可以启发学生进行思考与讨论：能否类似电场强度或磁感应强度两个概念的建立来建立重力场强度？即启发学生学会间接地描述各种场强的根本方法，帮助学生对“场”这类特殊物质建立系统的认识，形成物理观念，发展学生的物理核心素养.

3 教学反思

由于课时的限制，经历了“类比—定性—定量”来建立磁感应强度概念的过程，必定要压缩其他一些值得深入探讨或者另外方式进行探究的环节.比如“试探磁体”和“电流元”的概念，也可以通过实验探究来生成，可以先用大磁针放在相对较小的U形磁铁周围，判定磁场方向的不便性和不精确性凸显后，教师再换用小磁针，学生在直接的感性认识基础上，自然会想到为了精确测定磁场中某点的磁场方向，小磁针应该越小越好，即理想化模型，有了这个铺垫，再过渡到探究磁感应强度大小中的电流元模型，显得水到渠成.

当然，根据中学生的思维特点和学习能力，一个完整物理概念的形成需要一个发展过程，具有阶段性.紧扣阎金铎先生讲清物理概念来龙去脉的五点阐释标准，这本身就已经是在强调一种微观的顺序性与阶段性.