黃　佳

(江蘇省蘇州第一中學(xué),江蘇　蘇州　215006)

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·教學(xué)研究·

彰顯邏輯性的探究教學(xué)設(shè)計初探——以“磁感應(yīng)強度”教學(xué)為例

黃佳

(江蘇省蘇州第一中學(xué),江蘇蘇州215006)

本文分析了教材中構(gòu)建磁感應(yīng)強度概念所采用的思維方法和缺憾,給出了自己的教學(xué)設(shè)計,利用邏輯思維引導(dǎo)理論探究,重新設(shè)計定量實驗進行探究,理論探究和實驗探究互補,更好地促進學(xué)生對于磁感應(yīng)強度概念的建構(gòu).

磁感應(yīng)強度;邏輯思維;實驗探究;比值定義法

磁感應(yīng)強度是高中物理教學(xué)中的重要概念，根據(jù)知識的難易程度以及知識點之間的遞進關(guān)系,高中物理教材中磁場內(nèi)容的教學(xué)安排在電學(xué)之后,意在從電場強度的研究方法出發(fā),通過類比給出磁感應(yīng)強度的定義.但是,磁場對磁極和電流的作用力遠比電場對電荷的作用力復(fù)雜,如何尋找描述磁場強弱和方向的物理量是教學(xué)中的難點.有鑒于此,我們立足物理教學(xué)過程中思維的邏輯性,利用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灧椒?依托探究性的教學(xué)理念,對本節(jié)課的教學(xué)進行深入的研究,以期對這一課題的教學(xué)有所裨益.

1　現(xiàn)行教材的分析及缺憾

眾所周知,“場”的概念是比較抽象的,需要思維的高度抽象與概括的加工才能把握,而本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)之所以長期成為教學(xué)關(guān)注的重點,主要原因就在于它內(nèi)容的抽象性,研究問題時利用的物理知識與物理思想比較多,如果只通過教材上的實驗或者教師的講解,無法讓學(xué)生理解磁感應(yīng)強度的物理意義,教學(xué)效果難以令人滿意.

筆者認為：現(xiàn)行的教材對磁感應(yīng)強度的教學(xué)沒有給予足夠的重視,對磁感應(yīng)強度概念的探究沒有給予學(xué)生清晰的思維引導(dǎo).對于為什么研究磁感應(yīng)強度時要間接通過研究磁場力的原因也沒有解釋清楚,從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏對知識的整體把握.其次,教材中采用的實驗是定性實驗,無法說明為何磁感應(yīng)強度是與電流大小和導(dǎo)線長度無關(guān)的物理量,學(xué)生會對此產(chǎn)生很大的疑慮.綜上所述,教材中展現(xiàn)的物理思維和定性實驗使學(xué)生在獲得磁感應(yīng)強度的概念時感到困惑與不解.

2　彰顯邏輯性的探究型教學(xué)設(shè)計

基于以上認識,筆者對本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容展開了系統(tǒng)的思考.要解決本節(jié)教學(xué)的疑難與困境,需要對物理教學(xué)思維的邏輯性有深刻的理解,并且在此基礎(chǔ)上進行實驗的改進,繼而從定量的角度來界定磁感應(yīng)強度的概念,讓學(xué)生在探究磁感應(yīng)強度的概念中占據(jù)主體的地位,能夠直觀、具體地認識、理解磁感應(yīng)強度這個抽象的物理量,揭開它的面紗.

2.1循序漸進,明確思維的邏輯性

現(xiàn)行教材中本章的第一節(jié)和第二節(jié)的設(shè)計,向我們展示了清晰的物理邏輯.由于磁場是一種客觀存在的物質(zhì),讓我們感受到了豐富多彩的磁現(xiàn)象,而眾多的磁現(xiàn)象與力相關(guān),揭示了磁場這種物質(zhì)的力的特性,正因為如此,我們才要引入磁感應(yīng)強度來描述磁場的這種性質(zhì),所以這就回答了教材中用測量磁場力來確定磁感應(yīng)強度的原因.也正是由于思維過程的層層遞進,讓學(xué)生理解這樣處理問題的必要性,能夠給予學(xué)生明確、清晰的思維引領(lǐng).這樣,與靜電場的研究思路相同,對磁場性質(zhì)的研究仍然采用“試探、比較”的思路.

類比于電場中的試探元是點電荷,磁場中試探元的選擇則需要我們思考探索.磁場對磁極和電流都有力的作用,可以設(shè)想試探元可以是磁極或者電流.教材中說由于無法測量磁極的受力大小,也就不能確定磁感應(yīng)強度的大小,故而舍棄磁極這個試探元,筆者認為這種說法有所欠缺.1977法國科學(xué)院懸賞征求改良航海指南針的方法.庫侖提出用絲線懸掛小磁針,并發(fā)現(xiàn)絲線扭轉(zhuǎn)時的扭力和小磁針轉(zhuǎn)過的角度成正比例的關(guān)系,從而利用扭秤裝置算出了磁場力的大小.所以,真正不能把磁極作為試探元的原因在于無法把磁極量化,這樣就不能得到磁感應(yīng)強度的大小.最后,我們選取電流元作為試探元,并給出電流元的概念,引導(dǎo)學(xué)生的思維繼續(xù)向前深入.

通過這樣清晰的邏輯思維,向?qū)W生展示物理思維的魅力,讓學(xué)生從中思考中受益,并且找到正確的研究方法和方向.

2.2變定性實驗為定量實驗,科學(xué)地進行探究

為了深刻認識磁感應(yīng)強度的物理意義,筆者研究了教材中定性實驗的優(yōu)點與不足,重新設(shè)計了探究型實驗,從定量角度揭示磁感應(yīng)強度的本質(zhì)，實驗安排如下:

(1) 選取一小段電流元作為試探元放入蹄形磁鐵的磁場中,發(fā)現(xiàn)它受到力的作用.實驗裝置如圖1所示,探究磁場方向與電流方向的夾角對實驗的影響.通過這個實驗可以探究影響電流元在磁場中受力的因素包括磁場、電流元以及兩者之間的夾角.還可以得到,當(dāng)磁場方向和電流方向平行時,磁場力為0,而當(dāng)磁場方向和電流方向垂直時,磁場力最大.從而解釋了為何在磁場與電流垂直的情況下來定義磁感應(yīng)強度的原因.

圖1

圖2

(2) 重新設(shè)計定量實驗,讓學(xué)生進行課堂探究性學(xué)習(xí).實驗裝置如圖2,實驗原理如下:給螺線管通上電流I0(如圖2乙)，螺線管中心軸附近產(chǎn)生平行于軸線的磁場.給導(dǎo)線CD通上電流I,由第一步中可知,我們只需研究導(dǎo)線CD所受到的力,并且磁場力的方向向下.然后調(diào)節(jié)天平的平衡(如圖2甲),移動天平左端的游碼,待天平平衡時記下游碼的刻度就可以知道磁場力大小.學(xué)生在探究的過程中需要記下螺線管中的電流I0的大小、導(dǎo)線CD中電流的大小I、CD段導(dǎo)線的長度L以及游碼的刻度，并且記錄在表1中.

表1

(3) 處理實驗數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律.CD段導(dǎo)線所處磁場的大小是由螺線管中電流的大小I0決定的.對表1中的測量結(jié)果進行深入分析、歸納,可得到如下結(jié)果.

① 進行縱向比較.我們發(fā)現(xiàn),電流元在磁場中受到的力與電流元的電流大小、電流元的長度成正比例關(guān)系.

3　啟示

物理教學(xué)不應(yīng)該只是片面地強調(diào)學(xué)生對物理知識的理解和掌握,還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和認知的邏輯性,以及學(xué)生的探究精神和動手能力.本文從磁場的客觀存在性到磁現(xiàn)象的客觀存在性,再到磁現(xiàn)象力的特性,從而得到需要引出磁感應(yīng)強度這個概念的必要性.整個思維過程脈絡(luò)清晰,循序漸進地促進了學(xué)生的認知發(fā)展.

物理教學(xué)中還應(yīng)該把理論探究和實驗探究相結(jié)合,共同促進學(xué)生的認知發(fā)展.筆者在理論探究磁場力和哪些因素有關(guān)的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計了實驗,讓學(xué)生進行實驗探究,直觀形象地得到結(jié)論.兩種探究的互補,讓學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上,上升到實驗研究歸納的高度,這樣的教學(xué)設(shè)計能使磁感應(yīng)強度的教學(xué)達到水到渠成的境界.

[1]石堯.以科學(xué)方法的邏輯展開“磁感應(yīng)強度”概念教學(xué)的高端備課[J].湖南中學(xué)物理,2013,(4).

[2]許成城.磁場教學(xué)需要注意的兩個問題[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2013,(12).

[3]戎凱.卡文迪許和庫侖,誰動用了誰的智慧[J].物理教學(xué),2012,(7).