探索概念教学模式 指向学生深度学习——以人教版“磁感应强度”教学为例

夏良英 冯 杰

（1.深圳市龙华高级中学教育集团高中部，广东 深圳 518109；2.上海师范大学天华学院，上海 201815）

1 引言

“深度学习”，是指在教学中学生积极参与、全身心投入、获得健康发展的、有意义的学习过程.强调引导学生主动参与学习活动，亲身经历知识发现、发生、发展的过程，形成丰富的内心体验；强调着眼于学科的基本思想和方法，向学生提供具有典型意义的例证和学习材料；强调对教学内容的结构化，帮助学生全面把握知识的内在联系；强调为学生创设适当的具有真实情境的活动，提供解决真实问题的机会，促进知识的实践转化和综合应用；强调正确的价值立场与价值判断，关注教学的价值取向，引导学生理解、反思所学习的内容与过程，进而形成积极的社会性情感、态度与责任感.

物理概念是从大量的物理现象和过程中抽象出来的，深刻地反映了事物的共同特征和本质属性，是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式.反映了物理研究对象的本质属性和内在联系，而这种本质属性和内在联系是物体固有的客观存在.物理概念的起源与物理的感性经验、实践内容和原有物理基础有关，但是又不能从感性经验逻辑中推导出来.

2 物理概念教学的基本模式

概念教学应着力把概念的形成过程和运用过程尽可能完整、生动地展现开来，使学生能对所学概念正确理解，并灵活运用.为此，总的可采用如图1所示的物理概念教学模式.

图1 物理概念教学模式

物理概念的引入过程是建立和掌握概念的前提，教师应重视学生的内心体验并主动参与.通过创设与教材内容相关的物理情境，把学生导入活动情境，引导他们在情境中捕捉信息、产生疑问.

物理概念建立从认知活动的角度来看，主要依赖于概念的引入过程是否符合学生的认知规律，教师提供的典型物理事例是否能够启迪学生的物理观念，教师是否有效地运用逻辑的方法（分析、概括、抽象等 ）帮助学生积极地思维和主动地构建物理新概念.

物理概念的应用，有助于学生深化理解和巩固，以达到掌握物理概念的目的.当学生初步形成一个物理概念之后，就应该让学生学会应用这个概念.教师应当从多角度提供概念的变式，让学生判断或创设问题情境；要设计阶梯式问题，引导学生由浅入深地逐步深化.

在物理概念教学过程中，教师必须准确把握课程目标（不仅仅是教学目标），根据学生的年龄特征、理解能力和实际情况，实施物理概念的阶段性教学.

在总的教学模式下具体可以分为以下常用的概念教学模式.

2.1 类比法建立物理概念的教学模式

在物理教学中，常常用已知的物理现象和过程（包括物理学以外的现象和过程）与未知的物理现象和过程相比较，找出它们的共同点、相似点或相联系的地方，以此为根据推测未知的物理现象和过程也可能具有已知的现象和过程的某些特性和规律.

类比结构可以归纳为两类：（1）特殊到特殊.例如，机械波具有干涉和衍射的特性，光也有干涉和衍射的特性，所以光具有波动性等.（2）一般到一般.例如，电生磁、磁生电；电压和水压进行类比，静电场与重力场类比等.新课程物理概念教学运用类比方法能启发和开拓学生思维，提供建立物理概念的线索，有效缩短概括抽象的思维进程，加快形成概念的思维成熟速度.

物理概念教学类比模式的结构如图2所示.

图2 类比法模式

2.2 定量物理概念的比值定义法的教学模式

所谓比值定义法，就是在定义一个物理量的时候采取比值的形式.比值法定义的物理概念在物理学中占有相当大的比例.应用比值法定义物理量，往往需要一定的条件：一是客观上需要，二是间接反映特征属性的两个物理量可测，三是两个物理量的比值必须是一个定值.

比值定义法基本形式是：被定义量→确定两个间接相关的物理量（属性完全相同）→ 文字定义→比值演绎→获得定义式→ 讨论物理意义→应用.比值演绎通常分成两类.

第一类是两个量的绝对量的比值，其适用于物质或物体属性特征.这类物理量的定义特征是：其属性由本身所决定，其定义或测量需要借助于一个与其属性完全相同的辅助量（绝对量）来完成，即需要选择一个能反映某种性质的检验实体来研究.比如，定义电场强度E，需要选择检验电荷q，观测其检验电荷在场中的电场力F，采用比值.

第二类是两个量的相对量（增量或变化量）的比值，描述物体稳定的动态特征.该类物理量的定义特征是：其属性由外部条件决定，需要两个增量（相对量）的比值决定.例如，电流强度的定义和导体电容的定义；或描述物体运动状态特征，例如，速度和加速度的定义等等.

物理概念比值定义法的模式结构如图3所示.

图3 物理概念比值法模式的流程图

2.3 科学探究的教学模式

实验举例方法适用于具有确定量化定义的物理概念，实验探究的目的在于让学生通过亲身体验，更好地理解知识，并培养学生分析实验数据，透过表象找到本质的能力.其教学模式根据物理概念的特征，2017年版修改稿的课程标准提出了不同于2003年版实验稿七要素的科学探究模式.前者适用于实验情境探究物理概念，后者适用于理论逻辑（推理）探究物理概念.两种科学探究的教学模式流程可以统一如图4所示.

图4 实验探究教学模式流程图

3 实践探索，指向深度学习

深度学习倡导亲身实践、动手操作、主动探究、深度思考、理性提升的思维型教学.通过真实、完整、深刻的挑战性活动，学生获得策略性、方法性的知识，达到发展思维能力的目的，从而形成相应的素养.磁感应强度是学生在高中阶段学习到的最后一个矢量概念，也是最抽象最难理解的一个矢量概念.对这个概念教学进行尝试探讨，具有现实意义.以人教版“磁感应强度”教学设计为例，探索高中物理概念教学的3种方式——类比法、比值定义法、科学探究法.在探索物理概念的过程中，可以激发学生学习动机，发展学生思维，培养科学探究能力，使学生逐步形成科学态度与科学精神.

本课时分为4个挑战性任务，5个问题驱动，在设计中关注系列活动的关联性、整体性、结构化、逻辑性和结果导向，力图向思维型教学靠近，包含创设情境、提出问题、自主探究、合作交流、总结反思、应用迁移中部分要素.

3.1 创设实验情境，引入新课

实验1：把小磁针放在磁场中不同位置，它的指向会发生变化，说明磁场具有方向.

小磁针静止时N极所指的方向就是该点的磁场方向.

实验2：用体积较大的普通磁铁吸铁的坐凳，但没有成功.用体积较小的钕铁硼磁铁吸相同的铁凳，成功吸起来.说明磁场有强弱.

3.2 研究磁场强弱

任务1.由电场类比研究磁场.

问题1：磁场看不见也摸不着，如何定量描述它的强弱？以前有没有研究过类似的问题？

如表1所示，在研究电场强弱的时候，我们引入了一个探测物，即试探电荷，研究它在电场中的受力情况.我们用电场力与试探电荷电荷量的比值，来描述电场的强弱，比较相同电荷量的试探电荷所受静电力的大小.

表1

问题2：有哪些物体在磁场中会受到力的作用？谁比较适合作为探测物？

磁体和通电导线在磁场中会受到力的作用.通电导线适合作为探测物.因为磁体很难定量分析，另外因为磁体既有N极，又有S极，如果看成质点的话，磁体在磁场中受力为0，而通电导线更适合定量研究.

任务2.学生定性进行实验探究.

问题3：通电导线在磁场中的受力大小会受哪些因素影响？

猜想：电流强度、导线长度、电流方向可能会影响通电导线在磁场中的受力大小.

实验目的：探究均匀磁场中与磁场垂直的导线受力F和I、l的关系.

实验方法：控制变量法.

实验步骤如下.

子任务1.控制l不变、改变I，观察F的变化.

如图5，将一段通电导线水平悬挂在并排放置的蹄形磁铁两极之间，导线方向与磁场方向垂直.保持通电导线在磁场中的长度一定，改变导线中的电流大小，比较不同情况下导线摆动幅度大小与导线中电流强度大小之间的关系.结论：I越大，F越大.

图5

子任务2.控制I不变、改变l，观察F的变化.

保证通电导线的电流大小不变，改变磁场中导线的长度（通过接不同的接线柱来实现）比较不同情况下导线摆动幅度大小与通电导线在磁场中的长度之间的关系.结论：l越大，F越大.

任务3.学生用传感器定量进行实验探究（图6）.

图6

问题4：通电导线在磁场中的受力与电流强度大小、导线长度可能是什么关系？

猜想：当通电导线与磁场方向垂直时，磁场中的受力与电流强度大小、导线长度可能是正比关系.

子任务1.控制l不变、改变I，定量探究通电导线在磁场中受力和电流强度的关系.

结论：当通电导线电流强度变化时，它在磁场中所受安培力也随之变化，但二者的比值是一个定值（图7），即F∝I.

图7

子任务2.控制I不变、改变l，定量探究通电导线在磁场中受力和导线长度的关系.

结论：当接入线路的通电导线长度变化时，它在磁场中所受安培力也随之变化，但二者的比值都是一个定值（图8），即F∝l.

图8

综上所述，既然F∝I，F∝l，那么猜F∝Il，有F=kIl.

子任务3.同时改变l、I大小，定量探究通电导线在磁场中受力和电流强度与导线长度乘积的关系.

结论：当同时改变接入线路的通电导线长度及电流强度大小时，它在磁场中所受安培力也随之变化，但通电导线在磁场中受力和电流强度与导线长度乘积的比值都是一个定值（图9），即F∝Il，有F=kIl.

图9

问题5：刚才我们一直在均匀的磁场中做实验，如果磁场不均匀呢？

利用微元法，考虑极短的一段通电导线受到力的作用.我们把长度很短的通电导线中电流和导线长度的乘积称为电流元.电流元是一个理想模型.

3.3 比值定义磁感应强度

（1）定义：在磁场中，垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁力F与电流I和导线长度l的乘积的比值叫磁感应强度.

（2）单位：特斯拉（Tesla），简称为“特”，符号为T.

任务4.请同学们根据刚才测得的实验数据，计算一下我们实验中导线所处位置的磁感应强度大小.然后再用磁感应强度传感器来验证一下这个数值.

4个任务、5个驱动问题，设置环环相扣，注重学生的活动与体验，学生亲自参与实验完成探究过程得出结论，强调学生主体地位，最后利用得到的结论对生活现象进行解释，完成知识的迁移.整个过程符合深度学习的特征，促进学生核心素养落实.

4 结论

物理概念教学是中学物理教学的中心任务之一.物理概念是建立物理规律的基础.物理概念之间的相互联系和数量依存关系构成了物理规律.教育及学习范式的变革时代已悄然到来，应把物理教师结合物理新课程的教学理念，“核心素养落在实处，让学生学习真实发生，体验真实生活的教育，”以学习进阶与学科大概念建构课堂教学设计思路，实施高中物理课程整合，开展更为灵活与合理的内容顺序、教学方式、教学实施与评价.有意识运用科学方法指导物理概念教与学，对于培养学生的科学思维能力，具有重要的促进意义.