基于學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的概念教學(xué)內(nèi)容整合實(shí)踐研究*——以“定量探究安培力大小定義磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)為例

相新蕾 孫 越

(北京市第一○一中學(xué) 北京 100086)

李俊鵬

(北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 北京 100195)

石 磊

(青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué) 山東 青島 266555)

1 引言

核心素養(yǎng)指學(xué)生發(fā)展應(yīng)該具備的適應(yīng)未來社會(huì)挑戰(zhàn)的一些必備品格和關(guān)鍵能力.學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，如批判性思維和問題解決能力、溝通能力、合作能力、創(chuàng)新能力等.2016年發(fā)布的《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)總體框架》指出，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)具體表現(xiàn)在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面.其中，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容[1].

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.科學(xué)思維由模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新4個(gè)主要內(nèi)容構(gòu)成，科學(xué)思維中應(yīng)該具有質(zhì)疑與創(chuàng)新的品質(zhì)，只有創(chuàng)新才能解決新的問題，科學(xué)才能不斷發(fā)展.可以說，科學(xué)思維是一種理性思維，是人腦對(duì)科學(xué)事物的相互關(guān)聯(lián)和關(guān)系的間接與概括的反映[1].

在物理教學(xué)中，科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，是將科學(xué)思維置于科學(xué)方法之中，是科學(xué)方法在個(gè)體思維過程中的具體體現(xiàn)，貫穿于整個(gè)科學(xué)探究過程.而抽象概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷更深刻的思維加工過程，是物理思維培育的重要途徑.

2 概念教學(xué)內(nèi)容整合

學(xué)生核心素養(yǎng)的培育和全面發(fā)展的促進(jìn)都需要更具整合性的教學(xué)樣態(tài).概念教學(xué)內(nèi)容整合，是通過圍繞“大概念”組織知識(shí)內(nèi)容，以科學(xué)的邏輯和認(rèn)識(shí)的發(fā)展為線索重組概念教學(xué)內(nèi)容與科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)成以往科學(xué)課程中零散“物理概念”或者“概念和概念之間聯(lián)系(物理規(guī)律)”的整合.從狹義上，整合的范疇可以針對(duì)一個(gè)單元、主題或者一個(gè)具體概念的整合，從廣義上理解整合，還包括知識(shí)與作為認(rèn)識(shí)方式的思維和探究的整合，概念、原理等顯性知識(shí)與策略、思路等隱性知識(shí)的整合，以及知識(shí)與問題情境的整合.概念教學(xué)內(nèi)容整合有利于學(xué)生深度理解和建構(gòu)物理概念，并圍繞核心概念建構(gòu)概念體系，在知識(shí)學(xué)習(xí)中發(fā)展科學(xué)思維與科學(xué)探究能力[2,3].

本文以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念的建立為例，將抽象概念的認(rèn)識(shí)方式與探究實(shí)驗(yàn)相整合，將多種科學(xué)方法、邏輯推理孕育于整個(gè)思維過程之中，讓學(xué)生經(jīng)歷更深的思維加工過程，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，以及科學(xué)思維能力的培養(yǎng).

3 “磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)內(nèi)容整合的實(shí)踐

3.1 教材內(nèi)容的呈現(xiàn)形式

在人教版選修3-1的教材中，“磁感應(yīng)強(qiáng)度”是第三章第2節(jié)，教材中通過演示實(shí)驗(yàn)“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”只是定性探究了安培力大小與電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系，得到結(jié)論：“分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后人們認(rèn)識(shí)到，通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，它受力的大小既與導(dǎo)線的長(zhǎng)度L成正比，又與導(dǎo)線中電流I成正比，即與I和L的乘積IL成正比”，因此定義了磁感應(yīng)強(qiáng)度.教材中“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力”是第4節(jié)，很多教學(xué)案例設(shè)計(jì)了探究實(shí)驗(yàn)得出安培力公式F=BIL.所以第2節(jié)和第4節(jié)在教學(xué)內(nèi)容上有重復(fù)之嫌，而且邏輯順序不連貫.

3.2 教學(xué)內(nèi)容的重新整合

“場(chǎng)”是一個(gè)非常抽象的物理概念，在學(xué)習(xí)“磁場(chǎng)”之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“電場(chǎng)”.在電場(chǎng)中我們通過引入“電場(chǎng)強(qiáng)度”的概念來描述電場(chǎng)“力”的性質(zhì)，即電場(chǎng)強(qiáng)度E為檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中所受電場(chǎng)力F與電荷量q之比，其與電場(chǎng)力F或電荷量q的大小都無(wú)關(guān).

類比電場(chǎng)強(qiáng)度的定義過程，本文力圖將教材中“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力”與“磁感應(yīng)強(qiáng)度”合理整合，通過定量探究影響安培力F大小的因素，運(yùn)用模型構(gòu)建、比值定義、微元等科學(xué)方法，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评淼玫桨才嗔與電流元IL成正比，而這一比值恰好體現(xiàn)了場(chǎng)的力學(xué)性質(zhì)，從而建立“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一抽象物理概念，突破“場(chǎng)”這一教學(xué)難點(diǎn).

3.3 教學(xué)過程的主要環(huán)節(jié)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為了研究條形磁鐵周圍P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，如圖1所示，需要在P點(diǎn)垂直放置一通電導(dǎo)線，該導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受到的安培力F大小除了和磁場(chǎng)本身有關(guān)之外，還和電流大小I以及導(dǎo)線長(zhǎng)度L有關(guān).我們需要放置在該點(diǎn)的導(dǎo)線越短越好，這樣這個(gè)導(dǎo)線就只感受P這一點(diǎn)的磁場(chǎng)，我們把這個(gè)理想模型稱為“電流元”.

圖1 條形磁鐵周圍的磁場(chǎng)

由于不存在電流元，為了排除該點(diǎn)周圍場(chǎng)不均勻造成的影響，本設(shè)計(jì)我們研究通電直導(dǎo)線垂直放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力情況.

3.3.2 定量探究安培力大小與電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系

(1)實(shí)驗(yàn)裝置：該實(shí)驗(yàn)裝置有兩個(gè)回路組成.

第一回路：

穩(wěn)壓電源(12 V)給電磁鐵提供穩(wěn)恒電流，使其中間產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng).

圖2 第一回路電路圖與實(shí)物電路

第二回路：

儀器介紹：電源(8節(jié)干電池)、開關(guān)、滑動(dòng)變阻器、多匝線圈、電流傳感器、力傳感器組成閉合回路.電流傳感器和力傳感器，用于記錄安培力F及電流I的大小.

圖3 第二回路電路圖與實(shí)物電路

多匝線圈有4個(gè)接線柱：其中標(biāo)記為0的接線柱與電源負(fù)極相連，另外3個(gè)接線柱(分別標(biāo)記為150，200，250對(duì)應(yīng)線圈匝數(shù)為150匝、200匝和250匝)與電源正極相連.

圖4 多匝線圈及其四個(gè)接線柱

兩回路組成的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置電路圖及實(shí)物圖

力傳感器懸掛在鐵架臺(tái)上，其下端通過掛鉤懸掛一矩形多匝線圈，使矩形線圈的一條邊(長(zhǎng)度為L(zhǎng)0)垂直放置在磁場(chǎng)中，則若接入250匝接線柱，則磁場(chǎng)中導(dǎo)線長(zhǎng)度為250L0.將線圈不同的接線柱接入電路，即改變了接入磁場(chǎng)中導(dǎo)線的長(zhǎng)度L.滑動(dòng)變阻器可以改變通過多匝線圈的電流；電流傳感器可以測(cè)量流經(jīng)多匝線圈的電流I；力傳感器可以測(cè)量安培力F的大?。浑娏鱾鞲衅?、力傳感器通過數(shù)據(jù)線和電腦相連，它們采集的數(shù)據(jù)在電腦上顯示出來.

3.3.3 探究過程及數(shù)據(jù)處理

探究實(shí)驗(yàn)分為以下3個(gè)步驟：

(1)不同L時(shí)，探究導(dǎo)線所受安培力F與電流I的關(guān)系.

(2)探究導(dǎo)線所受安培力F與IL的關(guān)系.

(3)推理安培力F與電流元IL的關(guān)系.

下面為具體探究過程：

(1)導(dǎo)線長(zhǎng)度L不同時(shí)，安培力大小F與I的關(guān)系

1)250匝：(控制導(dǎo)線長(zhǎng)度L=250L0)利用滑動(dòng)變阻器改變電流，利用傳感器測(cè)得6組電流I和安培力F，記入表1.

表1 匝數(shù)為250匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度L=250L0)

建立直角坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)為安培力F，橫坐標(biāo)為電流I，利用Excel表格，描點(diǎn)連線，如圖6所示，得到直線的斜率為

圖6 導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)=250L0的F-I圖像

k1=0.224 9 N·A-1

2)200匝時(shí)：(控制導(dǎo)線長(zhǎng)度L=200L0)利用滑變改變電流，利用傳感器測(cè)得6組電流I和安培力F，記入表2.

表2 匝數(shù)為200匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度L=200L0)

建立直角坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)為安培力F，橫坐標(biāo)為電流I，利用Excel表格，描點(diǎn)連線，如圖7所示，得到直線的斜率

圖7 導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)=200L0的F-I圖像

k2=0.170 5 N·A-1

3)150匝時(shí)：(控制導(dǎo)線長(zhǎng)度L=150L0)利用滑變改變電流，利用傳感器測(cè)得6組電流和安培力，記入表3.

表3 匝數(shù)為150匝(導(dǎo)線長(zhǎng)度L=150L0)

建立直角坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)為安培力F，橫坐標(biāo)為電流I，利用Excel表格，描點(diǎn)連線，如圖8所示，得到直線的斜率

圖8 導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)=250L0的F-I圖像

k3=0.123 4 N·A-1

根據(jù)3組不同匝數(shù)(不同導(dǎo)線長(zhǎng)度)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線得到的都是直線，可以得到結(jié)論：垂直放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，線圈所受安培力F與電流I成正比，即

F=kI

(2)安培力F與IL的關(guān)系

3條直線的斜率不同，說明斜率k和導(dǎo)線的長(zhǎng)度L有關(guān)，如表4所示.

表4 斜率與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系

建立直角坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)為不同導(dǎo)線長(zhǎng)度L時(shí)，線圈所受安培力F與電流I的斜率k.根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)連線,如圖9所示.

圖9 線圈所受安培力F與電流I的斜率k與L圖像

由圖像可知，匝數(shù)和導(dǎo)線長(zhǎng)度L也成正比，因此

k∝L

即

所以

因此

因此得到結(jié)論：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中垂直放置的通電直導(dǎo)線受到的安培力F與電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度乘積IL成正比.

(3)安培力F與電流元IL的關(guān)系

所以

即電流元垂直磁場(chǎng)放置時(shí)，其在某點(diǎn)受到的安培力F與電流元電流I和長(zhǎng)度L的乘積IL也成正比，此比值只與磁場(chǎng)本身有關(guān).

(4)磁感應(yīng)強(qiáng)度B

剛才的實(shí)驗(yàn)中，電流元垂直磁場(chǎng)放置時(shí)，其在某點(diǎn)受到的安培力F與電流元IL成正比，比值k′為一常數(shù)且只與場(chǎng)有關(guān)，因此它能描述某一點(diǎn)磁場(chǎng)的性質(zhì)，我們把這個(gè)比值稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B.即

在圖1所示的P,Q兩點(diǎn)處，各放一個(gè)相同的電流元，P點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)，該處受到的安培力就大，也就是說比值B要大，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量.

4 教學(xué)評(píng)價(jià)與反思

在高中物理教學(xué)過程中，“磁感應(yīng)強(qiáng)度”是一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，為幫助高中生更好地認(rèn)識(shí)和理解“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一反映磁場(chǎng)屬性的重要物理概念，本課例詳細(xì)闡述了基于概念教學(xué)內(nèi)容整合的“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的主要教學(xué)環(huán)節(jié).將“定量探究安培力大小”與“磁感應(yīng)強(qiáng)度”兩個(gè)內(nèi)容進(jìn)行有效的整合，使得對(duì)于“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念的建立提供了新的方法與途徑，通過這一蘊(yùn)含豐富內(nèi)涵的物理概念教學(xué)模式，達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)思維能力、深刻理解物理概念的目的.

此外，在教學(xué)過程中往往要經(jīng)過實(shí)踐論、方法論和認(rèn)識(shí)論，我們常常只重視實(shí)踐論和認(rèn)識(shí)論，認(rèn)為教學(xué)是實(shí)踐到認(rèn)識(shí)的簡(jiǎn)單過程，實(shí)際上，這是讓學(xué)生生硬地接受知識(shí)，缺乏利用科學(xué)方法總結(jié)規(guī)律的過程，而這恰恰是啟發(fā)學(xué)生智慧、發(fā)展學(xué)生思維最好的途徑[4].

本案例依托探究性的教學(xué)理念，立足思維的邏輯性，利用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法，從定量的角度探究安培力F與電流I，導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系，給出了“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的概念，過程中運(yùn)用了豐富的物理學(xué)思想和方法，如類比的思想、理想模型構(gòu)建的思想、控制變量法、比值定義法、微元法等來突破教學(xué)中的難點(diǎn)，取得了很好的教學(xué)效果.讓學(xué)生通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，并應(yīng)用科學(xué)的方法認(rèn)真地進(jìn)行思考，從而形成科學(xué)的結(jié)論.教學(xué)過程中培養(yǎng)了學(xué)生的探究意識(shí)、分析問題和解決問題的能力以及尊重事實(shí)的科學(xué)精神.