基于核心素养的实验教学设计探索

林婉莹 洪益军

摘   要：以探究“安培力大小与B、I、L的关系”为例，通过问题导向教学，设计问题，引导学生参与实验设计的过程，利用学生已有知识和实验技能，在不断解决问题的过程中，完成对探究实验的设计，整节课以学生为主体，重视培养学生的核心素养。

关键词：核心素养；问题导向；实验教学

1  实验设计的思路及依据

1.1  教材分析及教学重点

实验选自鲁科版选择性必修二“安培力及其应用”，课程标准要求：通过实验，认识安培力。能判断安培力的方向，会计算安培力的大小[ 1 ]。要求学生：认识和了解安培力，了解影響安培力的大小和方向的相关因素。要求教师：设计探究性实验，让学生逐步认识安培力的大小和方向。安培力方向的判断和大小的计算是本节课的重点。

备课过程，参考了教师用书中给到的教学建议：除教材介绍的迷你实验室外可以增加一些拓展实验，激发学生学习安培力的兴趣，进一步明确安培力的影响因素，总结出计算公式F=BIL[ 2 ]。明确适用条件：在匀强磁场中，且B与I垂直。

本节课的知识有承上启下的作用，对前面而言，学完电对磁的作用后，再学习磁对电的作用，完善了电磁相互作用的理论体系，在培养与安培力有关的相互作用观念中有重要的作用。对后面而言，安培力是洛伦兹力的宏观表现，学好安培力可以为后面学习洛伦兹力打下基础。

1.2  学情分析及教学难点

在知识储备上，学生在初中阶段已经初步了解安培力的大小与通电导线的电流、所处的磁场强度和通电导线的有效长度有关，但是关于这几个物理量之间的定量关系不明确。课本也没有演示实验或者相关实验证据说明F=BIL，学生在对公式的理解与应用中缺乏可靠的实验事实作为依托，学生容易记错，或者与后面的相关公式混淆。

在技能上，学生已初步掌握控制变量法。不足之处：对电磁学实验设计经验有限，对实验条件的控制能力不足，比如：①对于磁场的强度控制与测量；②对安培力的测量；③如何改变通电导线的有效长度。

综上，本节课的探究性实验是必要的，针对教材中缺乏实验事实，设计了三组实验，分别探究了安培力F与B、I、L的关系。

2  设计思路与教学目标

2.1  设计思路

实验设计的目的在于把对规律的认识与实验探究相结合。将探究实验的过程展现出来，引导学生设计实验，在发现和解决问题中，培养严谨的科学思维，提高科学探究能力，加深对F=BIL的理解，进而达到提高学生核心素养的目的。

在教学中采用问题导向教学方法，通过创设情境，学生在情境中发现问题，提出并解决问题，得出解决方案。带领学生体验实验探究的各个环节，体现以学生为主体，以学生发展为目标的课标要求。

2.2  依据标准和结合学生情况，制定教学目标

物理观念：

①通过实验探究，得出F=BIL，进一步理解相互作用观。

②认识安培力，会计算安培力的大小。

科学思维：

能用磁感线和匀强磁场等模型分析安培力问题，将实际装置转化为抽象的物理模型。

科学探究：

了解影响安培力的大小和方向的相关因素，知道采用控制变量法设计实验，收集、处理数据，得出结论。

科学态度与责任：

知道科学发展对实验器材的依赖性，能对实验进行误差分析，实事求是。

3  教学设计及实验内容

对比传统实验教学，按照实验目的、实验仪器、实验原理与设计、实验步骤、数据分析、实验结论的顺序照本宣科地阅读一遍，忽略了每一个环节之间的逻辑关系。比如：当你设计完实验，才会知道这个实验需要哪些仪器，实验该如何操作，步骤先后顺序才明了。因此，传统的实验教学对于学生而言，常出现一些问题：实验目的不明确的，不清楚实验原理就是该实验的理论依据，不知道操作顺序，不清楚注意事项，不明白该记录哪些数据，也不知道如何处理和分析数据。以至于实验题得分率都不高。对此，要打破传统实验教学分立式的模块讲解，设计环环相扣的问题情境，通过不断解决问题进行实验设计、器材选择，培养学生的探究意识和解决问题的能力。

如图1所示，整节课分为四个环节。

4  基于问题导向的实验教学过程

4.1  新课引入

教师通过简单的问题快速引入课题：

（1）什么是安培力？

学生：磁场对通电导线的作用力。

（2）力是矢量，如何判断安培力的方向？

引导学生回答：左手定则。

引入新课：安培力的大小与那些因素有关？

4.2  新课教学

（1）猜想

引导学生观察演示实验。

学生观察实验现象如图2所示，并总结：发现当电流方向与磁场方向不垂直时，线圈偏转角度变小，即安培力变小。引导学生思考影响安培力大小的因素有哪些？

学生猜想：安培力的大小与磁场和电流方向有关，还跟B、I、L有关。

教师进一步分析：因为角度不好控制，可先取固定值分析，又当B垂直I时，线圈偏转角度最大，所以可控制B垂直与I，再研究F与B、I、L的关系。

（2）实验原理

采用问题导向教学法引导学生利用已有知识进行设计实验。

问题1：探究当B垂直I时，F与B、I、L的关系，应采用什么实验方法？

引导学生回答：控制变量法。

设计意图：让学生巩固控制变量法的使用情况。

问题2：如何测量安培力？选用什么工具？

引导学生回答：根据二力平衡原理，用弹簧测力计水平拉线圈，当线圈静止时，安培力与拉力相等

教师补充：因弹簧测力计精度不够，改用如图3甲中的数字测力计或图3中乙的力传感器进行测量。

设计意图：①让学生学会迁移，复习巩固测量力的方法。

②要求学生学以致用，先用左手定则判断F的方向，令安培力方向与测力计的拉力方向相反。

本环节创新点：突破安培力难以测量的问题，巧用二力平衡原理测量未知力的大小，化抽象为具体。

问题3：如何获得匀强磁场？

引导学生复习几种常见的磁场模型并进行选择：

①通电螺线管的内部磁场。但因螺线管内部操作不便所以舍弃。

②蹄形磁铁两磁极间的磁场近似为匀强磁场。该磁场最容易获得，可以考虑。

③亥姆霍兹线圈。

教师引导学生利用两个相同的通电线圈平行放置产生匀强磁场引出第三种获得匀强磁场的方式，即：亥姆霍兹线圈。

设计意图：①复习几种常见的磁场模型，让学生学会学以致用。

②为后面提供改变磁场的方法埋下伏笔。

该环节难点：学生对亥姆霍兹线圈比较不熟悉，可以通过引导学生分别取两个通电线圈的不同磁极来引入亥姆霍兹线圈。

本环节创新点：通过引导学生思考，寻找便于实验操作的匀强磁场。

（3）实验设计与操作

实验一：保证B和L不变，探究F与I的关系。

可以通过控制磁铁和线圈不变，来保证B和L 不变，再探究F与I 的关系。

问题4：如何测电流 I 以及控制电流大小。

学生根据已学的电学知识，很自然地提出用电流表测量，但是电流表精度有限，且不易读数，教师可以适时引出电流传感器，具有精度高便于读数的优点。

针对改变电流的方法，学生也会利用刚学的控制电路的两种方法，选用限流式接法，通过改变电阻的大小，来改变电路中电流的大小。教师进一步分析：限流式接法电流小且变化不大，引导学生选用学生电源或电池组，通过直接改变电源电压来改变线圈的电流。这样电路简单、易操作。

设计意图：复习电学实验，让学生学会迁移应用，评估实验方案，优化实验方案。

该环节的优势：数字化多媒体配合教学，具有高效、便捷、准确的优点。

实验二：保证B和I不变，探究F与L的关系。

实验通过控制磁铁和线圈两端电压不变来保证B和I不变，再探究F与L 的关系。

问题5：L的含义以及如何改变L。

重点让学生明确：当电流与磁场垂直时，L是通电导线在磁场中的长度。即有界磁场中：L=线圈匝数N×磁场宽度d。引导学生得出两种改变L 的方法：改变N 或改变d。

教师引导学生进一步分析比较两种方法的可行性：①改变N则要换线圈，电流不易保证相同，所以舍弃。②改变d，如图4所示，可以逐一增加蹄形磁铁的个数来改变线圈所处的磁场宽度，进而改变L，可行性和可操作性较高，但要求三个磁铁的磁性大致相同。

设计意图：再次明确实验的前提条件：电流方向与磁场方向垂直培养学生转换研究对象的思维方式。

（4）数据处理

通过观看实验视频，得出定性关系：当B和L不变时，F随 I 增大而增大；当B与I不变时，F随 L 增大而增大。

教师给出具体的实验数据（表1）（表2）进行进一步分析。

用作图法处理数据，进行线性拟合（图5）。

从图5可以看出，图像是一条近似过原点的直线，因此得出结论一：在误差允许范围内，F与I成正比。

用作图法处理数据，进行线性拟合（图6）。

从图6可以看出，图像是一条近似过原点的直线，因此得出结论二：在误差允许范围内，F与L成正比。

设计意图：该环节由教师展示数据处理的方法，培养学生数据处理的能力。

教师提问：安培力与磁感应强度的关系要如何设计实验呢？

实验三：保证I和L不变，探究F与B的关系。

教师引导学生设计实验需明确如何保证不变量以及如何控制变量：可以通过保证线圈两端电压和磁铁个数不变来保证I和L不变。那如何控制变量呢？引出问题6：如何测量和改变B？

① 测量工具：电磁传感器。

② 控制和改变磁场：引导学生发现磁铁的磁场不可控，继而引导学生回想问题3中的几种磁场，想到利用电流的磁效应，换用亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场如图7甲或者在磁铁上加线圈如图7乙，将磁铁改造成电磁铁，通过改变线圈的I，来改变B的大小。

设计意图：①让学生感受传感器的优势、科技的魅力。

②突破固有思维方式，灵活选择实验器材，大胆假设。

该环节优势：打破学生的固有思维方式，与前面获得匀强磁场的方式前后呼应。同时，鼓励学生对现有的仪器设备进行改造、创新。该环节鼓励学生课后自行完成，得出结论。

（5）实验结论

在匀强磁场中，当B与I垂直时，通电直导线受到的安培力F=BIL。

拓展：當B与I不垂直时，如何计算安培力？

引导学生类比力做功的方法，如图8所示，求出L垂直于B方向的分量，即当I与B不垂直时：F=BILsinθ，所以当B不垂直于I时，线圈的偏转角变小。

设计意图：该环节用实验结论解释实验现象，与课前引入前后呼应。

5  教学反思

通过不断提出问题，引导学生在解决问题的过程中，帮助学生完成对概念、规律由具体到抽象逐渐加深的认识过程。本节课所有问题情境均由实验设计过程中自然而然地呈现出来，强调创设问题情境的逻辑性，使学生能够在大脑里形成清晰的物理实验过程。在整个过程中，学生能够充分利用已学的知识解决问题，强调知识体系建构的重要性。体现对比学习、转换研究对象等科学方法、科学思维的重要性。

探究性实验的设计过程需要教师引导学生一步一步地完成设计，带领学生体会物理实验的魅力，在实验设计的环节，巩固学生已有的知识，提高学生的迁移能力，培养学生的物理思维。重视实验设计过程，让学生感受和体验实验设计的思维与快乐，一方面，学生在解实验题时，可以站在出题者的角度，揣摩出题者的设计意图，另一方面，学生的思维可以很大的提升，从而达到培养学生核心素养的目的。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020：28.

［2］ 廖伯琴. 普通高中教科书物理选择性必修第二册教师用书[M]. 济南： 山东科学技术出版社，2021：6.