善用科學(xué)猜想培養(yǎng)核心素養(yǎng)

黃利華

摘 要： 因授課對象是沒有電學(xué)基礎(chǔ)的高一學(xué)生，故本節(jié)課突破了傳統(tǒng)的電場類比法教學(xué)模式.本節(jié)課采用大量的科學(xué)猜想和實驗探究，逐步建立起磁感應(yīng)強(qiáng)度概念，同時注重培養(yǎng)高中學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，落實了立德樹人的根本任務(wù)[1].

關(guān)鍵詞： 磁感應(yīng)強(qiáng)度；科學(xué)猜想；核心素養(yǎng)；立德樹人

培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)是當(dāng)前教育界的熱點，落實到學(xué)科上就是要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).[2]

1 高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生在接受物理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，主要由物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個要素構(gòu)成.其中 “物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素；“實驗探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素；“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、環(huán)境（STSE）等要素.

2 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)提升的教學(xué)案例

本文以人教版選修3-1第三章第二節(jié)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”為例，討論如何基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升來實施課堂教育.

2.1 教材內(nèi)容簡析

教材從不同磁鐵能吸起成噸的鋼鐵或幾枚鐵釘說起，引出磁體的磁性有強(qiáng)弱之分，并用磁感應(yīng)強(qiáng)度來描述這個物理量，然后從方向和大小兩個角度描述磁感應(yīng)強(qiáng)度.在描述磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的環(huán)節(jié)中有一個“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”演示實驗.最后介紹一些磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和“地球磁場與古地質(zhì)學(xué)”.[3]

教材從學(xué)生的生活經(jīng)驗出發(fā)，實驗和理論相結(jié)合，形象生動地再現(xiàn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度概念建立的過程.筆者認(rèn)為本節(jié)教材的部分內(nèi)容存在以下不足：一是“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素” 這個實驗裝置開放性不夠，不利于學(xué)生開展探究活動，不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究素養(yǎng)；二是“一些磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個表格和旁邊的特斯拉頭像是想拉近學(xué)生與“特斯拉”這個單位和科學(xué)家之間的距離，讓學(xué)生對這個單位有一個具體化生活化的感受.但表中提及的場景（除地磁場外）學(xué)生平時根本接觸不到，學(xué)生無法聯(lián)系實際去感受，不能讓“物理走向生活”，不利于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng).

2.2 教學(xué)設(shè)計思路

基于上面的分析，筆者借助朗威DISLib重新設(shè)計了一個實驗裝置（圖1），擴(kuò)大了實驗的開放性，讓學(xué)生在操作、觀察、記錄、分析和交流的過程中不知不覺地提升了“實驗探究”的素養(yǎng)，在學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)時潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng)；筆者創(chuàng)新應(yīng)用數(shù)字式特斯拉計（圖2）直接測量一些磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，再結(jié)合教材中的數(shù)據(jù)讓學(xué)生真切體會常見磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，形成磁場的物質(zhì)觀，培養(yǎng)學(xué)生的“物理觀念”素養(yǎng)；最后介紹特斯拉的成就和社會責(zé)任，提升學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng).

2.3 教學(xué)目標(biāo)定位

（1）物理觀念：知道磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向、大小、定義式和單位，形成磁場的物質(zhì)觀.

（2）科學(xué)思維：掌握比值法定義法，提高分析和推理能力.

（3）實驗探究：理解教材實驗方案并能做出解釋和改良.

（4）科學(xué)態(tài)度和責(zé)任：體會科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)和崇高品質(zhì).

2.4 教學(xué)片斷賞析

片段1

師：無法測出小磁針N極所受磁場力的情況下，用什么東西放入磁場中也會受到磁場力？

生：通電導(dǎo)線放入磁場中也會受磁場力.

師：可以試試.但通電導(dǎo)線是一種“線模型”，它有別于“點模型”，會涉及到放置的方向問題.

生：老師是指通電導(dǎo)線與磁場可以有不同的夾角嗎？

師：對.通電導(dǎo)線受到的磁場力方向與導(dǎo)線會不會也有一個夾角問題呢？

生：應(yīng)該也有夾角問題，我猜這個力可能沿著導(dǎo)線方向.

師：有可能.這就是科學(xué)猜想.

生：我猜這個力可能垂直導(dǎo)線方向.

師：也有可能.通過實驗可以驗證到底哪種猜想正確，同時注意磁場力的大小是怎么變化的？

設(shè)計意圖 通過分組實驗的探究使學(xué)生對磁場力的方向和大小有定性的了解，但受實驗裝置所限，學(xué)生無法得到定量的數(shù)據(jù)，也無法調(diào)整磁場和通電導(dǎo)線平行. 為了克服上述裝置的不足，筆者重新設(shè)計了實驗裝置，用細(xì)漆包線繞制多抽頭的線圈，線圈固定在力傳感器的鉤子上，將它的下邊放入磁場中.選用的蹄形磁鐵比較大，可以確保蹄形磁鐵的磁場能和通電導(dǎo)線轉(zhuǎn)到任意夾角位置.用朗威DISLib7.0系統(tǒng)可以定量測出通電導(dǎo)線與磁場所成夾角由0°到360°變化過程中磁場力的大小和方向.分析定量數(shù)據(jù)，使學(xué)生對磁場的“性質(zhì)”有了更深刻的認(rèn)識.本環(huán)節(jié)側(cè)重于訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新，實驗探究等素養(yǎng).

片段2

師：上述磁場力是一個變力，用什么情況下的磁場力大小來反映磁感應(yīng)強(qiáng)度呢？

生：用通電導(dǎo)線與磁場垂直時所受力的大小反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.

師：能不能用此時的磁場力大小直接反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小呢？

生：應(yīng)該可以吧.

師：在同一磁場中，如果保持導(dǎo)線中電流不變，改變導(dǎo)線的長度，磁場力會變嗎？

生：我猜想會變的，那就不能用磁場力的大小直接反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小了.

師：在同一磁場中，如果導(dǎo)線長度不變，改變電流大小，磁場力會變嗎？

生：我猜想也會變.endprint

師：科學(xué)的猜想需要實驗的驗證，還是來做實驗吧.

使用朗威DISLib7.0系統(tǒng)，測出新裝置中當(dāng)導(dǎo)線中電流（I=0.3A）一定時，通電導(dǎo)線受到的作用力F與導(dǎo)線長度L的數(shù)值.導(dǎo)線的長度可以取不同的匝數(shù)來改變.得到如表1所示的數(shù)據(jù)，并求出F與L的比值.

同樣道理，測出當(dāng)導(dǎo)線的長度（L=7m）一定時，通電導(dǎo)線受到的作用力F與導(dǎo)線中的電流I的數(shù)值.導(dǎo)線中的電流由外電路控制.得到如表2所示的數(shù)據(jù)，并求出F與I的比值.

設(shè)計意圖 實驗說明通電導(dǎo)線所受磁場力的大小不能直接用來反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.但卻有一個意外發(fā)現(xiàn)：在誤差允許范圍內(nèi)，磁場力F與電流I成正比，與導(dǎo)線長度L成正比，也即與IL的乘積成正比，寫成等式即F=BIL.這個環(huán)節(jié)由幾個學(xué)生配合完成實驗的操作和數(shù)據(jù)的測量，并對數(shù)據(jù)做出分析，教師僅做少量的點撥.通過這個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練大大提高了學(xué)生的實驗探究、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)推理和科學(xué)論證等多方面能力.

片段3

師：根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式，用表1和表2中的數(shù)據(jù)分別算出B的平均值分別是多少？

生：根據(jù)表1和表2分別得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值為B1=110mT，B2=108mT.

師：通過兩種不同的實驗條件算到的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)是相等的，科學(xué)真迷人.

生：（微笑）

師：如果有一種儀器能夠直接測出磁感應(yīng)強(qiáng)度，那就更棒了.（拿出特斯拉計，并介紹使用方法.）大家期望用特斯拉計直接測出的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為多少？

生：約110 mT.

接著請兩位學(xué)生使用特斯拉計測量上述實驗中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果為111mT，實驗結(jié)果令人興奮.

設(shè)計意圖 本環(huán)節(jié)不同于教材上枯燥的說教，而是用具體的數(shù)值計算，再用特斯拉計的實測數(shù)據(jù)做檢驗.通過三種不同實驗條件得到了相同的結(jié)果，足以說明這個結(jié)果的正確性，同時也體現(xiàn)了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，更重要的是讓學(xué)生感受到探究成功后的喜悅和物理學(xué)的魅力.

片段4

師：請學(xué)生用特斯拉計測釹鐵硼強(qiáng)磁鐵和普通磁鐵附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小.

生：分別是280 mT和98 mT.

師：常見的磁感應(yīng)強(qiáng)度是0.1T這個數(shù)量級，再細(xì)細(xì)體會教材上“一些磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度”表中數(shù)據(jù).

……

師：最后介紹一下特斯拉，他是一個大發(fā)明家.一生的專利有上千個，但他把專利的收入全都捐給了世界上貧窮的國家和人民.交流電就是他發(fā)明的，如果他申請交流電專利的話，只要過兩三年就可以成為世界首富，但他放棄了交流電的專利而是供世人無償使用.他在諾貝爾獎最初的三十年里被評選出11次，但他全部讓賢了.

設(shè)計意圖 通過實測磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與教材表中數(shù)據(jù)相比較的方法，學(xué)生能更真切地體會不同磁場的強(qiáng)弱之分.介紹特斯拉的事跡，除了讓學(xué)生感受科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)外，也讓學(xué)生感受到科學(xué)家的人格魅力和社會責(zé)任感，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，很好地落實立德樹人的根本任務(wù).課后筆者做過調(diào)查問卷，絕大多數(shù)的學(xué)生都被特斯拉這個人震撼了，留下了深刻的印象.

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見[Z].2014-3-30.

[2]彭前程.積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué)[J].中學(xué)物理，2016，34（03）：1-2.

[3]人民教育出版社.物理 選修3-1[M]. 第3版.北京：人民教育出版社，2010：83-86.endprint