基于学生科学思维发展的概念教学内容整合实践研究*——以“定量探究安培力大小定义磁感应强度”教学为例

相新蕾 孙 越

(北京市第一○一中学 北京 100086)

李俊鹏

(北京市海淀区教师进修学校 北京 100195)

石 磊

(青岛西海岸新区第一高级中学 山东 青岛 266555)

1 引言

核心素养指学生发展应该具备的适应未来社会挑战的一些必备品格和关键能力.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、必备品格和关键能力，如批判性思维和问题解决能力、沟通能力、合作能力、创新能力等.2016年发布的《中国学生发展核心素养总体框架》指出，物理学科的核心素养具体表现在物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面.其中，科学思维是物理学科核心素养的核心内容[1].

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出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；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格.科学思维由模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新4个主要内容构成，科学思维中应该具有质疑与创新的品质，只有创新才能解决新的问题，科学才能不断发展.可以说，科学思维是一种理性思维，是人脑对科学事物的相互关联和关系的间接与概括的反映[1].

在物理教学中，科学思维能力的培养，是将科学思维置于科学方法之中，是科学方法在个体思维过程中的具体体现，贯穿于整个科学探究过程.而抽象概念和规律的学习需要经历更深刻的思维加工过程，是物理思维培育的重要途径.

2 概念教学内容整合

学生核心素养的培育和全面发展的促进都需要更具整合性的教学样态.概念教学内容整合，是通过围绕“大概念”组织知识内容，以科学的逻辑和认识的发展为线索重组概念教学内容与科学实践活动，达成以往科学课程中零散“物理概念”或者“概念和概念之间联系(物理规律)”的整合.从狭义上，整合的范畴可以针对一个单元、主题或者一个具体概念的整合，从广义上理解整合，还包括知识与作为认识方式的思维和探究的整合，概念、原理等显性知识与策略、思路等隐性知识的整合，以及知识与问题情境的整合.概念教学内容整合有利于学生深度理解和建构物理概念，并围绕核心概念建构概念体系，在知识学习中发展科学思维与科学探究能力[2,3].

本文以“磁感应强度”概念的建立为例，将抽象概念的认识方式与探究实验相整合，将多种科学方法、逻辑推理孕育于整个思维过程之中，让学生经历更深的思维加工过程，促进学生的深度学习，以及科学思维能力的培养.

3 “磁感应强度”教学内容整合的实践

3.1 教材内容的呈现形式

在人教版选修3-1的教材中，“磁感应强度”是第三章第2节，教材中通过演示实验“探究影响通电导线受力的因素”只是定性探究了安培力大小与电流和导线长度的关系，得到结论：“分析了很多实验事实后人们认识到，通电导线与磁场方向垂直时，它受力的大小既与导线的长度L成正比，又与导线中电流I成正比，即与I和L的乘积IL成正比”，因此定义了磁感应强度.教材中“磁场对通电导线的作用力”是第4节，很多教学案例设计了探究实验得出安培力公式F=BIL.所以第2节和第4节在教学内容上有重复之嫌，而且逻辑顺序不连贯.

3.2 教学内容的重新整合

“场”是一个非常抽象的物理概念，在学习“磁场”之前，学生已经学习了“电场”.在电场中我们通过引入“电场强度”的概念来描述电场“力”的性质，即电场强度E为检验电荷在电场中所受电场力F与电荷量q之比，其与电场力F或电荷量q的大小都无关.

类比电场强度的定义过程，本文力图将教材中“磁场对通电导线的作用力”与“磁感应强度”合理整合，通过定量探究影响安培力F大小的因素，运用模型构建、比值定义、微元等科学方法，以及严谨的逻辑推理得到安培力F与电流元IL成正比，而这一比值恰好体现了场的力学性质，从而建立“磁感应强度”这一抽象物理概念，突破“场”这一教学难点.

3.3 教学过程的主要环节

3.3.1 实验原理

为了研究条形磁铁周围P点的磁场强弱，如图1所示，需要在P点垂直放置一通电导线，该导线在磁场中所受到的安培力F大小除了和磁场本身有关之外，还和电流大小I以及导线长度L有关.我们需要放置在该点的导线越短越好，这样这个导线就只感受P这一点的磁场，我们把这个理想模型称为“电流元”.

图1 条形磁铁周围的磁场

由于不存在电流元，为了排除该点周围场不均匀造成的影响，本设计我们研究通电直导线垂直放置在匀强磁场中的受力情况.

3.3.2 定量探究安培力大小与电流I和导线长度L的关系

(1)实验装置：该实验装置有两个回路组成.

第一回路：

稳压电源(12 V)给电磁铁提供稳恒电流，使其中间产生匀强磁场.

图2 第一回路电路图与实物电路

第二回路：

仪器介绍：电源(8节干电池)、开关、滑动变阻器、多匝线圈、电流传感器、力传感器组成闭合回路.电流传感器和力传感器，用于记录安培力F及电流I的大小.

图3 第二回路电路图与实物电路

多匝线圈有4个接线柱：其中标记为0的接线柱与电源负极相连，另外3个接线柱(分别标记为150，200，250对应线圈匝数为150匝、200匝和250匝)与电源正极相连.

图4 多匝线圈及其四个接线柱

两回路组成的整个实验装置，如图5所示.

图5 实验装置电路图及实物图

力传感器悬挂在铁架台上，其下端通过挂钩悬挂一矩形多匝线圈，使矩形线圈的一条边(长度为L0)垂直放置在磁场中，则若接入250匝接线柱，则磁场中导线长度为250L0.将线圈不同的接线柱接入电路，即改变了接入磁场中导线的长度L.滑动变阻器可以改变通过多匝线圈的电流；电流传感器可以测量流经多匝线圈的电流I；力传感器可以测量安培力F的大小；电流传感器、力传感器通过数据线和电脑相连，它们采集的数据在电脑上显示出来.

3.3.3 探究过程及数据处理

探究实验分为以下3个步骤：

(1)不同L时，探究导线所受安培力F与电流I的关系.

(2)探究导线所受安培力F与IL的关系.

(3)推理安培力F与电流元IL的关系.

下面为具体探究过程：

(1)导线长度L不同时，安培力大小F与I的关系

1)250匝：(控制导线长度L=250L0)利用滑动变阻器改变电流，利用传感器测得6组电流I和安培力F，记入表1.

表1 匝数为250匝(导线长度L=250L0)

建立直角坐标系，纵坐标为安培力F，横坐标为电流I，利用Excel表格，描点连线，如图6所示，得到直线的斜率为

图6 导线长度为L=250L0的F-I图像

k1=0.224 9 N·A-1

2)200匝时：(控制导线长度L=200L0)利用滑变改变电流，利用传感器测得6组电流I和安培力F，记入表2.

表2 匝数为200匝(导线长度L=200L0)

建立直角坐标系，纵坐标为安培力F，横坐标为电流I，利用Excel表格，描点连线，如图7所示，得到直线的斜率

图7 导线长度为L=200L0的F-I图像

k2=0.170 5 N·A-1

3)150匝时：(控制导线长度L=150L0)利用滑变改变电流，利用传感器测得6组电流和安培力，记入表3.

表3 匝数为150匝(导线长度L=150L0)

建立直角坐标系，纵坐标为安培力F，横坐标为电流I，利用Excel表格，描点连线，如图8所示，得到直线的斜率

图8 导线长度为L=250L0的F-I图像

k3=0.123 4 N·A-1

根据3组不同匝数(不同导线长度)的实验数据描点连线得到的都是直线，可以得到结论：垂直放置在匀强磁场中的导线长度一定时，线圈所受安培力F与电流I成正比，即

F=kI

(2)安培力F与IL的关系

3条直线的斜率不同，说明斜率k和导线的长度L有关，如表4所示.

表4 斜率与导线长度的关系

建立直角坐标系，纵坐标为不同导线长度L时，线圈所受安培力F与电流I的斜率k.根据数据描点连线,如图9所示.

图9 线圈所受安培力F与电流I的斜率k与L图像

由图像可知，匝数和导线长度L也成正比，因此

k∝L

即

所以

因此

因此得到结论：在匀强磁场中垂直放置的通电直导线受到的安培力F与电流和导线长度乘积IL成正比.

(3)安培力F与电流元IL的关系

所以

即电流元垂直磁场放置时，其在某点受到的安培力F与电流元电流I和长度L的乘积IL也成正比，此比值只与磁场本身有关.

(4)磁感应强度B

刚才的实验中，电流元垂直磁场放置时，其在某点受到的安培力F与电流元IL成正比，比值k′为一常数且只与场有关，因此它能描述某一点磁场的性质，我们把这个比值称为磁感应强度B.即

在图1所示的P,Q两点处，各放一个相同的电流元，P点磁场强，该处受到的安培力就大，也就是说比值B要大，因此磁感应强度B是表征磁场强弱的物理量.

4 教学评价与反思

在高中物理教学过程中，“磁感应强度”是一个教学重点，同时也是一个教学难点，为帮助高中生更好地认识和理解“磁感应强度”这一反映磁场属性的重要物理概念，本课例详细阐述了基于概念教学内容整合的“磁感应强度”的主要教学环节.将“定量探究安培力大小”与“磁感应强度”两个内容进行有效的整合，使得对于“磁感应强度”概念的建立提供了新的方法与途径，通过这一蕴含丰富内涵的物理概念教学模式，达到提高学生科学思维能力、深刻理解物理概念的目的.

此外，在教学过程中往往要经过实践论、方法论和认识论，我们常常只重视实践论和认识论，认为教学是实践到认识的简单过程，实际上，这是让学生生硬地接受知识，缺乏利用科学方法总结规律的过程，而这恰恰是启发学生智慧、发展学生思维最好的途径[4].

本案例依托探究性的教学理念，立足思维的逻辑性，利用科学严谨的实验方法，从定量的角度探究安培力F与电流I，导线长度L的关系，给出了“磁感应强度”的概念，过程中运用了丰富的物理学思想和方法，如类比的思想、理想模型构建的思想、控制变量法、比值定义法、微元法等来突破教学中的难点，取得了很好的教学效果.让学生通过真实的实验数据，发现物理规律，并应用科学的方法认真地进行思考，从而形成科学的结论.教学过程中培养了学生的探究意识、分析问题和解决问题的能力以及尊重事实的科学精神.