研讀不同版本教材 提升學(xué)生核心素養(yǎng)
——以“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”一課為例

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

研讀不同版本教材提升學(xué)生核心素養(yǎng)
——以“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”一課為例

張連之

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)是中學(xué)物理教學(xué)之價(jià)值所在，在目前與“提升學(xué)生核心素養(yǎng)”相匹配的“新教材”還未出版的情況下，研讀不同版本的現(xiàn)行教材，集眾家之長(zhǎng)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)是全面提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑。

高中物理教學(xué)；核心素養(yǎng)；多版本教材

經(jīng)過(guò)多年教育改革，素質(zhì)教育成效顯著，但與立德樹人的要求還存在一定差距[1]。北京師范大學(xué)等多所高校的近百名研究人員，通過(guò)基礎(chǔ)理論研究、國(guó)際比較研究、傳統(tǒng)文化分析等途徑構(gòu)建了“中國(guó)學(xué)生的核心素養(yǎng)體系”，從頂層設(shè)計(jì)上試圖解決這些難題。學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，最終要落在學(xué)科核心素養(yǎng)的培育上。目前基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的“新教材”正在編寫之中，作為教育的“行為者”和課程的“實(shí)施者”的教師在現(xiàn)實(shí)情景下，如何實(shí)施有效教學(xué)，履行“提升學(xué)生核心素養(yǎng)”的職責(zé)，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

自2003年課程標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，高中物理教材出現(xiàn)“一標(biāo)多本”的局面。對(duì)教師而言，如能對(duì)不同教材進(jìn)行認(rèn)真的分析、比較，汲取精華，無(wú)疑將有助于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)的有效開(kāi)展。筆者通過(guò)對(duì)人教版、魯科版、教科版教材中“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”章節(jié)內(nèi)容的研讀，精心設(shè)計(jì)教學(xué)案例，希望能給同行提供參考。

1 學(xué)生物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)方面的要素構(gòu)成。

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、能量和相互作用的基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華；是運(yùn)用物理知識(shí)和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)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(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程；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(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，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì)。

科學(xué)探究要求學(xué)生具有科學(xué)探究的意識(shí)，能在真實(shí)情境中提出物理問(wèn)題，形成猜測(cè)和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息并處理信息，形成結(jié)論，對(duì)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心。

2 研讀不同版本教材，提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)案例

2.1 增加導(dǎo)入環(huán)節(jié)的魔術(shù)色彩，激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，點(diǎn)燃學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的熱情

興趣是最好的老師。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，人教版教材提出了兩個(gè)問(wèn)題：電視顯像管中的電子為什么能使整個(gè)屏幕發(fā)光？從宇宙深處射來(lái)的帶電粒子為什么只在地球的兩極引起激光？魯科版教材在人教版教材的兩個(gè)問(wèn)題基礎(chǔ)上，又用“電視給人們的生活帶來(lái)巨大變化”“震撼人心的極光”兩幅圖片強(qiáng)化視覺(jué)效果。教科版教材則單刀直入地進(jìn)行“觀察和思考”。

圖1

特級(jí)教師于漪說(shuō)：“在課堂教學(xué)中要培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的興趣，首先應(yīng)抓住導(dǎo)入新課的環(huán)節(jié)。一開(kāi)始就把學(xué)生牢牢地吸引住?！蓖ㄟ^(guò)比較三種教材的引入環(huán)節(jié)，筆者認(rèn)為極光現(xiàn)象雖然“美不勝收”，但離學(xué)生生活太遠(yuǎn)，學(xué)生缺少感性認(rèn)識(shí)，可在“電視顯像管中的電子為什么能使整個(gè)屏幕發(fā)光”這一問(wèn)題上做文章。教學(xué)中筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)“舞動(dòng)屏幕”的實(shí)驗(yàn)，增加導(dǎo)入環(huán)節(jié)的魔術(shù)色彩。實(shí)驗(yàn)時(shí)教師手持一塊磁鐵伴隨著音樂(lè)的節(jié)拍在廢舊電視機(jī)顯示屏(CRT屏)前晃動(dòng)(如圖1)，可見(jiàn)電視機(jī)的圖像“踏著”音樂(lè)節(jié)拍在不停地“舞動(dòng)”。極大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，點(diǎn)燃了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的熱情。

2.2 賦予演示實(shí)驗(yàn)以探索的思想內(nèi)涵，形成物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

洛倫茲力的方向是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。人教版教材通過(guò)“觀察陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”的演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”推斷出：洛倫茲力的方向可以用左手定則判定。魯科版教材通過(guò)“實(shí)驗(yàn)與探究”活動(dòng)，探究磁場(chǎng)對(duì)靜止、運(yùn)動(dòng)的電荷是否有作用，洛倫茲力方向的判定方法則在理論推導(dǎo)出洛倫茲力大小的基礎(chǔ)上直接給出。教科版教材通過(guò)“帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”的演示實(shí)驗(yàn)說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有作用力，洛倫茲力方向的判定方法與魯科版教材相同。

圖2

通過(guò)研讀三種教材，筆者認(rèn)為應(yīng)該賦予演示實(shí)驗(yàn)以探索的思想內(nèi)涵，設(shè)計(jì)探究活動(dòng)。通過(guò)該活動(dòng)不僅僅要探究出判斷洛倫茲力方向的方法，更重要的是通過(guò)該活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過(guò)程，形成物理觀念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的思維品質(zhì)。筆者在執(zhí)教“洛倫茲力的方向”時(shí)的教學(xué)片斷如下。

(1) 提出問(wèn)題

觀察如圖2所示的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，電子沿直線運(yùn)動(dòng)；加上磁場(chǎng)時(shí)，電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。改變磁場(chǎng)方向時(shí)，電子束的徑跡會(huì)受到影響。怎樣確定運(yùn)動(dòng)電子的受力方向？磁場(chǎng)方向、電子的運(yùn)動(dòng)方向與其受力方向有什么關(guān)系？

(2) 猜想與假設(shè)

磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的實(shí)質(zhì)可能是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力。

(3) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

介紹陰極射線管，演示陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)。改變磁場(chǎng)方向，設(shè)計(jì)表格讓學(xué)生記錄電子束偏轉(zhuǎn)的情況，并分析其受力的方向。讓學(xué)生利用帶有箭頭的三根硬導(dǎo)線(分別表示磁場(chǎng)的方向、電子受力的方向、電子運(yùn)動(dòng)的方向)，按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果插在泡沫球上，制作“洛倫茲力方向”模型進(jìn)行交流和展示。

(4) 分析論證

根據(jù)前面對(duì)安培力實(shí)質(zhì)的猜想和安培力方向的判斷法則，結(jié)合實(shí)驗(yàn)記錄，特別是“洛倫茲力方向”的模型，概括得到：洛倫茲力方向應(yīng)垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向，并用左手進(jìn)行判斷(注意：電子束的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向是相反的)。

(5) 歸納總結(jié)

歸納洛倫茲力的方向，說(shuō)明安培力實(shí)際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

“洛倫茲力方向”的探究活動(dòng)不僅能夠讓學(xué)生確信洛倫茲力的存在，得到判斷洛倫茲力方向的方法，而且洛倫茲力與磁場(chǎng)和電荷運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系是“安培力實(shí)際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”的一個(gè)有力的佐證。通過(guò)這一探究活動(dòng)的體驗(yàn)，使學(xué)生形成正確的物理觀念，提高其科學(xué)探究能力。

2.3 精設(shè)問(wèn)題，引領(lǐng)理論探究，鋪設(shè)臺(tái)階，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

洛倫茲力的大小是本節(jié)教學(xué)的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。人教版教材結(jié)合立體模型圖(如圖3)，通過(guò)3個(gè)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生嘗試，由安培力的表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式。魯科版教材結(jié)合平面模型圖(如圖4)，直接導(dǎo)出電流的微觀表達(dá)式及安培力和洛倫茲力數(shù)值關(guān)系后，將剩余下的推導(dǎo)過(guò)程，以填空的形式讓學(xué)生完成。教科版教材則是給出了由安培力表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力表達(dá)式的整個(gè)過(guò)程。

圖3

圖4

由安培力推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式的過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，特別是邏輯思維能力的好機(jī)會(huì)，應(yīng)該盡可能地讓全體學(xué)生都參與到這一過(guò)程。相比較而言，人教版教材的處理方式比較好。由于學(xué)生構(gòu)建模型的能力比較弱，一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一橫截面的粒子數(shù)和電流微觀表達(dá)式的推導(dǎo)應(yīng)是教學(xué)難點(diǎn)。因此筆者在教學(xué)中在人教版教材的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了4個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推導(dǎo)、論證。

電荷定向移動(dòng)時(shí)所受洛倫茲力的矢量和，在宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)線所受的安培力。請(qǐng)學(xué)生嘗試由安培力表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式(這里只討論簡(jiǎn)單的情況：導(dǎo)線的方向與磁場(chǎng)方向垂直)，建議學(xué)生沿以下邏輯線索思考。

(1) 如圖3所示，設(shè)導(dǎo)線中每個(gè)帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出圖中一段導(dǎo)線中的粒子數(shù)，這就是在t時(shí)間內(nèi)通過(guò)橫截面a的粒子數(shù)N。

(3) 寫出這段長(zhǎng)為vt的導(dǎo)線所受的安培力F安。

(4) 求出每個(gè)粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。

學(xué)生結(jié)合4個(gè)問(wèn)題進(jìn)行推導(dǎo)和討論，學(xué)生能夠感悟到推導(dǎo)的思維線索和邏輯過(guò)程。不僅知道了“要這樣做”，更知道了“為什么這樣做”，通過(guò)科學(xué)推理，形成物理規(guī)律，從而培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)能力和科學(xué)推理、論證能力。

2.4 開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)器材的新功能，增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力

由安培力表達(dá)式導(dǎo)出的洛倫茲力表達(dá)式是否正確，學(xué)生很渴望能夠用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。無(wú)論是人教版、魯科版還是教科版教材都沒(méi)有給出驗(yàn)證方法。若能設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證洛倫茲力的表達(dá)式是否正確，必將極大的激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的熱情。教科版教材通過(guò)理論推導(dǎo)的方式推理出：帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。人教版教材在下一節(jié)介紹了“洛倫茲力演示儀”的工作原理(如圖5)，并用它來(lái)說(shuō)明：“帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)”。筆者在教學(xué)中將兩者相結(jié)合，引領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證洛倫茲力的表達(dá)式，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

圖5

(2) 測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度。通電勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小可用磁傳感器直接測(cè)量，磁傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入計(jì)算機(jī)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小可以直接讀出。

(4) 比較洛倫茲力F大小和evB大小是否相等。

(5) 改變加速電壓U和勵(lì)磁電流I，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

利用“洛倫茲力演示儀”來(lái)驗(yàn)證洛倫茲力的表達(dá)式是否正確，是一個(gè)創(chuàng)新，學(xué)生對(duì)此很感興趣。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)的能力，課堂上筆者引領(lǐng)學(xué)生使用Excel表格進(jìn)行處理，凸顯了信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)相整合的優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)了學(xué)生使用不同方法和手段分析、處理信息的能力。

提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)是中學(xué)物理教學(xué)之價(jià)值所在[2]。物理教師應(yīng)該依托現(xiàn)有教材，研讀不同版本教材，取其精華，以學(xué)生核心素養(yǎng)的提升為目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的學(xué)習(xí)情境，精心設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，關(guān)注學(xué)生個(gè)體知識(shí)的建構(gòu)，形成物理觀念，提升全體學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，進(jìn)而為學(xué)生今后的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 林崇德．21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2016：1-70．

[2] 蔣天林．基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的教學(xué)實(shí)踐[J]．物理教師，2017，(1)：7-9．