林壽木

摘 要：新的一輪高中物理課程改革序幕逐漸拉開，課程改革在落實三維目標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實驗探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任” 組成。本文基于洛倫茲力作用下勻速圓周運(yùn)動教學(xué)，在開放式、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，突出教師引導(dǎo)下的學(xué)生為主體的平等對話和知識建構(gòu)，突出學(xué)生積極思考和合作探究，從而達(dá)到踐行培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的理念。

關(guān)鍵詞：教學(xué)弊端；核心素養(yǎng)；實驗探究

引言

傳統(tǒng)物理教學(xué)弊端：忽視學(xué)生的自主意識、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，忽視學(xué)生主體性的發(fā)展意識，主要表現(xiàn)在：重知識講授不重探索，填鴨式教學(xué)、上課面面俱到、實驗課“紙上談兵”；重結(jié)果而不重過程，只給出結(jié)論，不經(jīng)歷感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程；重考試成績而不重全面發(fā)展，這一切不僅造成學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)加重，學(xué)習(xí)物理興趣散失，而且極大地妨礙了學(xué)生主體性發(fā)展，不利于新課程物理課堂改革全面實施。教育部在2014年3月30日印發(fā)了《關(guān)于全面深化改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》，第一次明確提出了“核心素養(yǎng)”的概念，明確指出各級各類學(xué)校要將核心素養(yǎng)落實到各學(xué)科的教育教學(xué)中 [1 ]。物理核心素養(yǎng)是什么？物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì) [2 ]。主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實驗探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。那么，怎樣將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)落實到物理學(xué)科教學(xué)中？本人結(jié)合洛倫茲力作用下勻速圓周運(yùn)動教學(xué)談一談實踐過程和感悟。

1 物理觀念

教學(xué)片斷1：

師：關(guān)于場，已經(jīng)學(xué)過了重力場、電場、磁場，現(xiàn)在我們一起討論帶電粒子在只有一個場中的運(yùn)動情況。

如圖1所示A、B、C都做什么運(yùn)動（用帶有箭頭的力線分別表示重力場、電場、磁場）

學(xué)生1：當(dāng)帶電小球初速度為0時，重力場做自由落體運(yùn)動、電場中做初速度為0勻加速直線運(yùn)動、在磁場中處于靜止?fàn)顟B(tài)。

師：很好！若有初速度而且速度方向與場方向同向或反向又做什么運(yùn)動？

學(xué)生2：在重力場中做豎直上拋或豎直下拋、電場中做勻加速或勻減速運(yùn)動、在磁場中……

讓我想一想，根據(jù)對稱性應(yīng)該和電場一樣……

學(xué)生3：（補(bǔ)充）不對，應(yīng)該做勻速直線運(yùn)動，因為速度方向與磁場方向平行受力為0。

師：很好！我們不能隨便遷移，做什么運(yùn)動還是從受力入手，這是正常物理思維。那么如果有初速度而且方向與場方向豎直，他們又做什么運(yùn)動？

學(xué)生4：（很快回答）在重力場做平拋運(yùn)動，在電場做類平拋運(yùn)動，在磁場中也應(yīng)該做平拋運(yùn)動如圖2（學(xué)生定勢思維再一次曝露出來）。

師：（用目光掃視教室一周）平拋運(yùn)動的條件是什么？

學(xué)生5：有初速度且垂直于恒定的合外力。

師：對的，那我們不妨來考察一下磁場中運(yùn)動軌跡（如圖2C圖根據(jù)左手定則洛倫茲力垂直紙面向里，轉(zhuǎn)化成俯視圖，請一位學(xué)生來畫軌跡圖，如圖3所示畫好后），當(dāng)運(yùn)動到位置2畫受力圖。

學(xué)生6：（畫好后頓悟）不是做類平拋，應(yīng)該做勻速圓周運(yùn)動。

師：（微笑點點頭）反問：做勻速圓周運(yùn)動嗎？（教室再一次安靜下來），請一個同學(xué)回顧勻速圓周運(yùn)動的條件是什么？

學(xué)生7：速度大小不變，且方向垂直于大小不變，方向始終指向圓心的合外力。

師：考察一下滿足條件嗎？

學(xué)生8：可能是勻速圓周運(yùn)動，因為洛倫茲力方向始終垂直于速度，所以洛倫茲力始終不做功，速度大小不變，根據(jù)洛倫茲力的公式可知洛倫茲力也不變。但方向會不會始終指向圓心？

師：（教室響起雷鳴般的掌聲）那怎么辦？

學(xué)生9：（很自信大聲說）實驗，實驗……（也許他們已經(jīng)看到我?guī)е鴮嶒瀮x器進(jìn)入教室，有點按耐不住了，而且非常希望揭開“謎底”）

師：對的，但別著急，因為實驗儀器太小先看PPT照片。

介紹原理：圖4甲兩個共軸螺旋管形成垂直圓面似認(rèn)為勻強(qiáng)磁場（若順時針電流打點磁場，逆時針電流打叉磁場）。圖乙大球形玻璃泡充滿著低壓汞蒸氣，當(dāng)電子經(jīng)過發(fā)出綠光可以看到電子的軌跡，內(nèi)部有發(fā)射電子槍，經(jīng)過加速電場和偏轉(zhuǎn)電場進(jìn)入磁場；通過玻璃泡旋轉(zhuǎn)可以改變電子速度方向。圖丙控制面板偏轉(zhuǎn)電場、加速電場、磁場（磁場強(qiáng)弱通過控制電流實現(xiàn)）。

請兩位學(xué)生做實驗。

實驗1：控制電子速度方向與磁場方向平行。

結(jié)論：電子做勻速直線運(yùn)動。

實驗 2：控制電子速度方向與磁場方向垂直。

結(jié)論：電子做勻速圓周運(yùn)動。

點評1：物理觀念是物理學(xué)視角形成關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動和相互作用、能量等基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。而學(xué)生最容易混淆的“類平拋和勻速圓周運(yùn)動”物理概念，是屬于物質(zhì)運(yùn)動和相互作用、能量基本認(rèn)識。通過實驗證明：只有洛倫茲力下做勻速圓周運(yùn)動。經(jīng)過學(xué)生交流討論使物理觀念更清晰化，讓學(xué)生明白滿足什么條件做什么樣的運(yùn)動。而如果教師對這部分教材處理只給結(jié)論，不關(guān)注物理觀念建立和形成過程，學(xué)生就會產(chǎn)生“洛倫茲力就做圓周運(yùn)動，初速度與力垂直就做類平拋”的錯誤觀念。建構(gòu)主義認(rèn)為“教師要由知識的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動建構(gòu)意義的幫助者、促進(jìn)者；學(xué)生要從外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構(gòu)者” [3 ]。

2 科學(xué)探究與科學(xué)思維

教學(xué)片斷2：

師：通過實驗證明軌跡是圓形，可以說明：只有在磁場中速度方向與磁場方向垂直時帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動。那么勻速圓周運(yùn)動我們最關(guān)注是什么？

學(xué)生1：圓的半徑和運(yùn)動的時間（即周期）。

師：很好，先猜想一下圓的半徑跟什么有關(guān)？

學(xué)生2：可能與質(zhì)量有關(guān)，因為質(zhì)量越大慣性也越大，運(yùn)動方向不容易改變所以半徑越大。

學(xué)生3：可能與粒子速度有關(guān)，因為速度越大，運(yùn)動方向不容易改變所以半徑越大（和車轉(zhuǎn)彎的道理一樣）。

學(xué)生4：可能與磁場強(qiáng)度有關(guān)，因為磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，洛倫茲力也越大，運(yùn)動方向很容易被改變，所以半徑越小

學(xué)生5：可能與帶電粒子電量有關(guān)，因為電量越大，洛倫茲力也越大，運(yùn)動方向很容易被改變，所以半徑越小。

師：同學(xué)講非常好，我們通過實驗一一驗證，半徑可能和四個量有關(guān)，用控制變量法，但由于電子槍只能發(fā)射電子，所以電量和質(zhì)量都沒辦法改變，實驗只能控制速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

實驗3：保持速度（加速電壓為120V），改變磁感應(yīng)強(qiáng)度（改變螺旋管電流），觀察到現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度（電流越大）半徑越小，相反半徑越大；如圖5.

怎么測量半徑呢？

學(xué)生6：用手機(jī)在同一位置依次拍下不同電壓或不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時的圖片，測量半徑時從軌跡寬度中點測量開始。

老師：很好，請兩位同學(xué)進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)記錄：加速電壓為120V，在同一位置拍攝相片，如表1。

作半徑為縱坐標(biāo)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，呈現(xiàn)過（0，0）點直線，結(jié)論：當(dāng)速度一定時，半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度成 反比。

實驗4：保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變（改變螺旋管電流1.0A不變），改變速度大?。ǜ淖兗铀匐妷海?，觀察到現(xiàn)象：速度越大半徑越大，相反半徑越小；如圖6。

數(shù)據(jù)記錄：電流為1.0A，在同一位置拍攝圖片，如表2。

作與半徑為縱坐標(biāo)，速度為橫坐標(biāo)，呈現(xiàn)過（0，0）點直線。結(jié)論：磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時，半徑與速度成正比。

師：很好，同學(xué)們交流討論實驗誤差、不足之處、是否有改進(jìn)。

學(xué)生7：作圖時出現(xiàn)有的點偏離直線，說明測量存在誤差。誤差分析：（1）半徑測量，由于圓軌跡呈“帶”狀； （2）拍攝照片不能保證在同一位置和比例尺是否相同；（3）控制面板旋鈕指示值不夠準(zhǔn)確。

學(xué)生8：不足之處：（1）帶電粒子質(zhì)量和電量改變不了，只能探究半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度、速度關(guān)系；（2）速度太大無法用實驗驗證周期與速度無關(guān)。改進(jìn)：（1）用三腳架固定照相機(jī)進(jìn)行拍攝；（2）電壓或電流通過外輸入控制加速電場電壓和偏轉(zhuǎn)磁場電流，然后用電壓表和電流表準(zhǔn)確的測定電壓和電流；（3）半徑應(yīng)該多次測量求平均值。

師：請同學(xué)上臺板演推導(dǎo)過程。

點評2：科學(xué)思維突出理想化思維，其內(nèi)涵是物理學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是分析綜合、推理、論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力和品質(zhì) [4 ]。研究過程螺旋管內(nèi)部磁場近似勻強(qiáng)磁場、發(fā)射粒子速度近似相等，測量半徑時從軌跡寬度中點測量開始（化帶狀為線狀），這反映理想化思維，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；通過學(xué)生對勻速圓周運(yùn)動的半徑?jīng)Q定因素條件交流討論，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維，即演繹推理、歸納推理、類比推理。

點評3：科學(xué)探究是指具備科學(xué)探究意識，能在真實情景中提出物理問題，形成猜測和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取和處理信息，形成結(jié)論，以及對科學(xué)研究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思能力[4 ]。通過對圓周運(yùn)動的半徑?jīng)Q定因素條件討論交流，提出猜測和假設(shè)，用控制變量法方法獲取數(shù)據(jù)，列表和作圖方法處理數(shù)據(jù)，最后形成結(jié)論。特別是學(xué)生對誤差分析和實驗不足的分析交流討論，可養(yǎng)成對實驗過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力，既體現(xiàn)教學(xué)開放性理念，又體現(xiàn)科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

3 科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任

片斷3：

老師：自從湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，微觀從此被打門，人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，來觀察它們的變化情況，怎樣才能在實驗室里產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？怎樣才能獲得更大能量？

學(xué)生1：由一個電容器加速獲得高能量的帶電粒子如圖7甲，要獲得更大能量用多個電容器連續(xù)加速圖7乙。

老師：實驗表明：直線加速器能量只能被加速到4×104eV的能量，能量是有限的，而且需要很大空間，怎么解決？

學(xué)生2：可以將圖7乙首尾連起來做成圓形，在外加一個垂直紙面的勻強(qiáng)磁場，讓帶電粒子處于加速和偏轉(zhuǎn)交替進(jìn)行的狀態(tài)，原理如圖7丙所示，從而減小了加速器的占有空間長度，節(jié)約空間，能量得到有效提高。

學(xué)生3：加速電場不用那么多，一個就夠如圖7丁所示，粒子每轉(zhuǎn)一周就得到一次加速。

學(xué)生4：同學(xué)3設(shè)計方式很簡潔，節(jié)約材料，但問題是：每轉(zhuǎn)一圈電場方向改變一次，如何解決 ？ 能否人為控制？況且隨著速度增加半徑也在增大，加速電場工藝怎么做？

老師：說的很好，這個問題美國物理學(xué)家勞倫斯制作回旋加速器如圖戊，因為周期與速度無關(guān)，通過同步方式解決改變電場方向。由于勞倫斯制作回旋加速器貢獻(xiàn)獲得諾貝爾獎。但是隨加速能量運(yùn)動粒子速度接近光速時，同步被打破，怎么辦呢？這時人類開始思考直線型優(yōu)越性。

點評4：科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境等關(guān)系基礎(chǔ)上形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心。具有學(xué)習(xí)物理和探索自然的內(nèi)在動力，獨立思考、敢于質(zhì)疑、和善于反思的創(chuàng)新精神 [4 ]。沒有科學(xué)探究精神、沒有創(chuàng)新精神，就沒有科學(xué)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，不管從直線加速器演變到回旋加速器最后又重新思考直線加速器價值，還是從簡單到復(fù)雜再到簡單加速器演變過程，無不體現(xiàn)人類探索自然經(jīng)歷艱辛、曲折的漫長過程，這需要勇于探索自然內(nèi)在動力和熱情，更體現(xiàn)人類敢于質(zhì)疑、和善于反思的創(chuàng)新精神。學(xué)生只有參與感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程，才能更好地形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

教師在物理課堂教學(xué)過程中應(yīng)該多創(chuàng)設(shè)開放式、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境，這樣學(xué)習(xí)環(huán)境才能突出學(xué)生為主體的平等對話和知識建構(gòu)，突出學(xué)生積極獨立思考、形成批判性和創(chuàng)造性思維，才能培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作、共同探究、實事求是的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)有責(zé)任和擔(dān)當(dāng)?shù)娜瞬?，從而達(dá)到踐行物理核心素養(yǎng)理念，實現(xiàn)對人的價值的體現(xiàn)和喚醒。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王高.物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)淺探[J].物理教師，2016 （12）.