基于注重物理概念形成过程的实践研究

董雯雯 付彪

【中图分类号】G633.7   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）32-0140-02

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。学习不是由教师向学生传递知识的过程，而是学生建构自己知识的过程。由此可见，学生才是课堂的主体，教师只是组织、引导和帮助学生进行知识结构的建构。学生终身受益的不是物理知识，而是物理学科的核心素养。因此，要求我们物理教师必须要更新教育理念，转型课堂教育，从物理教学走向物理教育。

物理概念是人们头脑中对客观事物的物理共性和本质特性的反映，是物理事物和物理过程的思维加工和抽象概括。所以，物理概念是很抽象的，既不容易教，又不容易学。[1]在教学实践中，教师都非常重视物理概念的教学，通常会从物理概念的内涵、外延以及与有关概念的联系及相近概念的区别这三个方面发力。这样的教学严谨扎实，有利于学生在短时间内强化对概念的认识，形成应考的知识结构和解题技能。但是，这种教学“重结果”而“轻过程”，强调物理概念知识本位，将概念的学习理解完全等同于对概念符号或定义的陈述，忽视了对概念形成过程的教学，致使一部分学生只是死记硬背，没有真正理解其实质，囫囵吞枣、食而不化，应用时瞎套公式，在茫茫题海中逐渐失去了对物理学习的兴趣。因此本节课，以《带电粒子在匀强磁场中的运动》的教学为例，谈谈如何在实践教学中注重物理概念形成过程。[2]

结合物理核心素养的四个方面，在“带电粒子在磁场中的运动”课堂教学中，学生要达成的核心素养目标为：

（1）通过魔术实验和已有知识，力与运动的关系与运动电荷在磁场中受的力，推断带电粒子在磁场中的运动情况，进一步形成运动观念。（2）通过优化的物理实验，验证推理结论，获取证据并做出解释，培养实事求是的科学态度。（3）通过对带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的轨道半径和周期公式的推导，培养学生严密的科学态度。（4）了解质谱仪的结构及应用，理解质谱仪的原理，理解科学与社会、技术之间的关系，从而形成一定的社会责任感。

下面结合教学设计，谈谈我在教学过程中如何实现学生的物理学科核心素养的形成。

一、魔术实验引入，激发学习动机

课堂开始，设计以下魔术，教师事先将强磁贴藏在右手中，用左手在示波器屏幕前晃动，示波器图像没有丝毫变化，用右手在示波器前晃动，示波器内的图像明显变形，引起学生的兴趣。

通过上述实验，一方面，好奇是指学生对新奇的事物的观察、摆弄、询问、思考，从而对事物产生一种原始的内在运动。通过这样的实验吸引学生的眼球，从而启发思考，调动学习的积极性，这是形成物理学科核心素养的基础。另一方面，符合学生的思维发展特点。学生已经在之前带电粒子在电场中的运动中，知道了示波器的原理，其中有高速运动的电荷，运动电荷在强磁铁的磁场作用下运动轨迹发生变化，由于学生上节课知道运动电荷在磁场中受到的力是洛伦兹力，引出学生思考带电粒子在匀强磁场中如何运动。这是形成物理学科核心素养的一个关键步骤。[3]

二、改进演示实验，突破教学重难点

本节课的重点是学生能够理解带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的成因，同时也是这节课的教学难点。对于已有的教学方式，一般教师会利用洛仑兹力演示仪进行演示实验，同样，该实验也是一个演示实验，但由于实验仪器的大小有限，观察角度有限，很多同学不能清晰地观察出实验结果。因此，教学效果大打折扣。

因此，我对解决实验仪器的观察角度问题做了以下改进。首先，实验的第一步，我仍然采取教师演示。但是，在观察实验现象之前我们必须对实验一起进行介绍。为了让更多的学生能够清晰地观察到实验仪器，我在洛仑兹力演示仪前放了一个摄像头，并将摄像头的图像投射在电脑屏幕上。这样在介绍实验仪器时，即使最后一排的学生也能清晰地观察到实验仪器。这个方法同样可以解决观察实验现象的问题，在观察带电粒子在磁场种运动轨迹时，我们可以借助摄像头的影像进行观察。

但是，运动带电粒子在垂直进入磁场时轨迹应该是个平面的圆形，可是我们从正面很难分辨带电粒子的轨迹到底是平面的圆形还是螺旋线。所以，我对实验进行了第二点改进。我在实验仪器的侧面也安装了一个摄像头，同样将画面连接到电脑屏幕上，通过和面切换，同学们便可以看到带电粒子轨迹侧面的图像。

最后，虽然本实验是一个教师演示实验，但是为了让学生自己探究带电粒子在匀强磁场中运动的其他情况，我在班级的四个角分别放了实验仪器，学生分组进行实验探究。

这样符合了学生得认知规律，提高了学生学习得积极性，千言万语道不清，一看实验就分明，实验是物理这门学科的灵魂。通过改进演示实验，能够让学生观察到更清晰的实验结果，使实验结果更加有說服力，得出最真实的结论。这样才能保证物理规律的真实性、客观性和真理性，也逐渐培养了学生事实求是的科学态度。学生分组实验时实现了学习共同体的共同合作，发表自己的意见，学会沟通交流等科学态度与责任感。

三、创新实验，引导学生深入思考

本节课既涉及磁场的知识，也涉及动力学知识，由于动力学知识是学生高一学习的内容，时间太长学生有遗忘的现象。但是学生在动力学知识学习时，有一个非常典型的模型——“绳—球”模型。即在光滑水平面上的轻绳一端与小球相连，另一端固定与水平面上某一点，当给小球一垂直于绳方向的初速度，小球将在绳拉力的作用下做匀速圆周运动。这与运动电荷垂直进入磁场时，受力情况和运动情况相同。所以，运用类比的方法也可以得出运动电荷垂直进入磁场时做匀速圆周运动的事实。

由于“绳—球”模型只是一个理想模型，很多同学并没有亲自做过这个实验，因此，我利用比较光滑的木板，做了接近“绳—球”的模型，在误差允许的范围内，为同学演示了上述实验，根据实验现象，让学生思考如果没有摩擦，小球做的是匀速圆周运动，进而得出运动电荷垂直进入磁场时的运动状态。

这个实验，我们采取类比实验，效果更加生动、形象、深刻。并且很好地将力学与磁学的知识结合，让学生将已有知识与现学知识建立联系，形成知识结构。并且揭示了电磁场的动力学本质，使磁场的建构更加完整，也为接下来的学习磁场打下了一定的基础。学生通常是能够分析出受力和运动，也知道运动和力的关系下由动力学关系可以推出运动状态，但是缺少感性认识。当然，“绳—球”模型实验是纯动力学的实验，如果在高一讲解动力学知识时就借助这个实验，效果会更加明显。

四、基于问题设置，加强物理学科思维

当然，实验只是课堂的载体，学生科学思维的提升才是关键。在实验的利用上，教师必须注重问题的引导，这样才能实现物理实验效果的最大化，形成学生的物理学科思维。如在演示实验时，我设计了以下几个问题：

1.洛伦兹力与速度方向的关系？

2.洛伦兹力会改变速度的大小和方向吗？

3.在匀强磁场中做什么运动？

这样的“问题链”，都是针对理解带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动的成因这一问题设计的。帮助学生有方向地进行实验观察，并且进行思考来寻找解决问题的答案，再进行试验的效果将事半功倍。

五、基于评价，促进学生思考

本节课通过以下几个层次来评价学生的学习效果：

物理概念教学要研究学生的已有学习体验和生活经验，重视概念形成过程的教学。本节课，从学生熟悉的生活现象出发，我们利用六个主要教学环节（观察现象、提出猜想、实验探究活动、理论分析活动、知识巩固、知识拓展）来进行带电粒子在电场中运动的探究学习。在实验资源有限的情况下，教师通过创新演示实验向学生展示丰富多彩的物理现象，在实验过程中“师引导，生思考，师操作，生细看”成为一道属于物理的靓丽的风景，帮助学生直观、形象地理解物理现象的变化规律，形成物理概念。不仅如此，在学校条件允许的情况下，尽量地多开展学生分组实验，不仅可以加强学生的动手能力，体验物理规律形成的艰辛，还能树立科学创新精神。在课外，教师还可以选择合适的题目作为研究课题，鼓励学生大胆进行物理实验，并倡导充分利用身边的物品做小实验，让学生从中获得知识更直观的科学认识，完成实现学生从被动接受知识向主动获取知识的转变。通过这些方式，营造一种轻松活泼的氛围，化抽象为直观，化空中楼阁为触手可及，利用学生的多种感官和已有经验，通过亲身体验和例证分析，明确为什么要引入这个概念，这个概念是在什么基礎上建立和发展起来的，引入它的物理意义何在？ 让学生经历概念的形成过程，体验抽象、概括的科学思维方法，这样的概念就不再是镜中花、水中月，而是栩栩如生地站在了学生的面前。

参考文献：

[1]吴军.中学物理概念教学的现状分析及对策[J].物理通报，2009（2）：20-22.

[2]王小明.学习心理学[M].北京：中国轻工业出版社，2013.

[3]于培翠. 高二学生电磁学前概念调查与干预教学研究[D].广州大学，2019.