讓學(xué)生在體驗中構(gòu)建物理核心概念

耿玉盛

(揚州市邗江區(qū)教研室，江蘇 揚州 225000)

讓學(xué)生在體驗中構(gòu)建物理核心概念

耿玉盛

(揚州市邗江區(qū)教研室，江蘇 揚州 225000)

物理概念的教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要組成部分,使學(xué)生形成概念,掌握規(guī)律,并使他們的核心素養(yǎng)在形成概念、掌握規(guī)律的過程中得到充分發(fā)展,是高中物理教學(xué)的核心問題．要做好物理核心概念的教學(xué),必須整體把握教學(xué)要求,形成物理核心概念的教學(xué)設(shè)計;創(chuàng)設(shè)學(xué)生體驗的教學(xué)情境,形成對物理核心概念的初步認(rèn)識;以問題為導(dǎo)引設(shè)置認(rèn)知平臺,讓學(xué)生在討論交流中理解構(gòu)建物理核心概念的內(nèi)涵．

體驗； 構(gòu)建； 核心概念

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》中提出,物理觀念是高中物理核心素養(yǎng)的重要組成部分,物理觀念的形成和發(fā)展并不簡單,學(xué)生需要通過物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)才能形成．學(xué)習(xí)概念或規(guī)律的每一節(jié)課都是形成物理觀念的有機(jī)組成部分．物理概念的教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要組成部分,在高中物理中有許多重要的核心概念,如運動和力、功和能關(guān)系、穩(wěn)定的電磁場、變化的電磁場、分子動理論、熱力學(xué)定律等．高中物理教學(xué)中,使學(xué)生形成概念,掌握規(guī)律,并使他們的核心素養(yǎng)在形成概念、掌握規(guī)律的過程中得到充分發(fā)展,是高中物理教學(xué)的核心問題．物理概念教學(xué)的效果如何,直接關(guān)系到學(xué)生對于物理知識的認(rèn)知程度,進(jìn)而影響到學(xué)生整體知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與拓展,可以說學(xué)好物理概念是學(xué)好物理的關(guān)鍵．要做好物理核心概念的教學(xué),學(xué)生在親身體驗中主動構(gòu)建是重要的環(huán)節(jié)．

1 整體把握教學(xué)要求,形成物理核心概念的教學(xué)設(shè)計

物理核心概念是指已經(jīng)經(jīng)過檢驗且位于物理學(xué)科中心位置的概念性知識,對廣泛的自然事物和現(xiàn)象具有解釋力,且具有高度的抽象與概括程度,能組織、整合物理學(xué)科的許多關(guān)鍵性概念．在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》中,對物理核心概念和規(guī)律的學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了5級水平．水平1: 能將一些重要的物理概念和規(guī)律與相關(guān)的自然現(xiàn)象聯(lián)系起來; 水平2: 能用重要的物理概念和規(guī)律解釋一些自然現(xiàn)象,解決簡單的物理問題; 水平3: 能說明重要的物理概念和規(guī)律的內(nèi)涵、適用范圍和條件,能描述和解釋自然現(xiàn)象,解釋一些物理問題; 水平4: 能理解重要的物理概念和規(guī)律及其相互關(guān)系,能正確描述和解釋自然現(xiàn)象,綜合運用所學(xué)的物理知識解決實際問題; 水平5: 能清晰、系統(tǒng)地理解重要的物理概念和規(guī)律,能正確描述和解釋自然現(xiàn)象,靈活解決實際問題．

在教學(xué)活動中,教師要準(zhǔn)確把握學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,合理設(shè)計教學(xué)目標(biāo),并通過實施教學(xué),促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升及相關(guān)水平的達(dá)成．例如在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)的教學(xué)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度是高中物理中的一個核心概念,教師首先要從整體上進(jìn)行教學(xué)設(shè)計.

(1) “磁感應(yīng)強(qiáng)度”的內(nèi)容及其教育價值是什么?

磁感應(yīng)強(qiáng)度是電磁學(xué)的核心概念之一,它對于“磁場”及其后續(xù)知識的學(xué)習(xí),都有著關(guān)鍵性的作用．磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的學(xué)習(xí)過程,也是一個典型的物理知識的建構(gòu)過程,其中蘊含著豐富的物理思想和方法．讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的過程,將有助于提高他們的物理素養(yǎng)．

(2) “磁感應(yīng)強(qiáng)度”與其他教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系是什么?

知識內(nèi)容： 承上啟下，結(jié)構(gòu)圖如圖1.

圖1

思想方法： 一脈相承，物理量的“比值定義”;多因素的 “變量控制”;以勻代變“極限思想”．

(3) 學(xué)生學(xué)習(xí)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念時可能的困難是什么?

學(xué)生的困難主要集中在兩個方面:概念的抽象性——學(xué)生對“場”這種物質(zhì)形態(tài),看不見、摸不著, 缺乏相應(yīng)的直接經(jīng)驗與感受;知識的綜合性——磁場對電流的作用遠(yuǎn)比電場對電荷的作用復(fù)雜,與磁感應(yīng)強(qiáng)度概念相關(guān)聯(lián)的知識也更多．這些都對學(xué)習(xí)者的抽象思維能力和邏輯推理能力提出了更高的要求．

(4) 幫助學(xué)生理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的教學(xué)策略有哪些?

教學(xué)思路： 類比遷移，和電場類比思路如圖2.

圖2

(5) 幫助學(xué)生理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的教學(xué)策略有哪些?

教學(xué)方式： 探究學(xué)習(xí).

策略1： 實驗感知,豐富物理表象.

策略2： 問題導(dǎo)引,設(shè)置認(rèn)知臺階.

教學(xué)手段： 多元整合—— 傳統(tǒng)實驗的改進(jìn);現(xiàn)代技術(shù)的運用.

2 創(chuàng)設(shè)學(xué)生體驗的教學(xué)情境,形成對物理核心概念的初步認(rèn)識

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前,基于生活經(jīng)驗形成了大量的日常概念,要在此基礎(chǔ)上構(gòu)建物理概念,必須對所觀察的現(xiàn)象重新加工,在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性,抽象事物的本質(zhì)特征,完成從日常概念向物理概念的轉(zhuǎn)變,由此可知物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境．同時物理規(guī)律的探究也需要創(chuàng)設(shè)問題情境,學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題,對問題的可能答案作出假設(shè),并根據(jù)問題情境運用已有的知識制訂探究計劃,選擇符合情景要求的實驗裝置進(jìn)行實驗,獲取客觀、真實的數(shù)據(jù),通過對數(shù)據(jù)的分析形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論．

物理核心概念的教學(xué)過程中,教師在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè),教師要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點和規(guī)律,創(chuàng)造實際的或重復(fù)經(jīng)歷的情境和機(jī)會,呈現(xiàn)或再現(xiàn)、還原教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生在情境中體驗,在體驗中構(gòu)建核心概念．

圖3

例如“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)的教學(xué)中,教師可以創(chuàng)設(shè)情境引入課題、通過演示實驗觀察現(xiàn)象、分組實驗進(jìn)行探究．

實驗感知： 感受磁場的強(qiáng)弱(“磁不可貌相”).

學(xué)生實驗： 學(xué)生自己動手操作并觀察實驗現(xiàn)象，如圖3,通電電磁鐵吸引別針,改變電磁鐵中電流的大小,可以看到,吸引別針的多少不同,引導(dǎo)學(xué)生在觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上思考:這一現(xiàn)象說明什么問題?

結(jié)論:實驗現(xiàn)象說明兩種情況中磁場強(qiáng)弱不同．

師:用哪個物理量來描述電場的強(qiáng)弱和方向?

生:用電場強(qiáng)度來描述電場的強(qiáng)弱和方向．

師:我們今天這節(jié)課就來學(xué)習(xí)如何描述磁場的強(qiáng)弱．在前面我們學(xué)習(xí)電場的時候,也學(xué)習(xí)了描述電場強(qiáng)弱的物理量——電場強(qiáng)度．如果按照這個思路,描述磁場強(qiáng)弱的物理量我們該叫它什么?

生:磁場強(qiáng)度.

還須注意收集與CPP病因有關(guān)的病史，如感染、中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變等相關(guān)癥狀；對所有確診為CPP的患兒應(yīng)排除腫瘤，需作頭顱鞍區(qū)的MRI檢查。

師:可惜的是,磁場強(qiáng)度這個名字被別人用于表示別的物理量了．為了避免重復(fù),我們只能叫其他名字——磁感應(yīng)強(qiáng)度．

圖4

觀察體驗： 磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向.

演示： 實物投影儀演示小磁針在磁鐵周圍的不同位置指向不同,說明小磁針受力方向不同,磁場方向不同，如圖4．

類比:電場和磁場都是客觀存在的．電場有強(qiáng)弱和方向,磁場也有強(qiáng)弱和方向．

師:電場強(qiáng)度的方向是如何規(guī)定的?對研究磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向有何啟發(fā)?

思考領(lǐng)悟： 規(guī)定正電荷所受電場力的方向為該點的電場強(qiáng)度的方向．場強(qiáng)的方向是從電荷受力的角度規(guī)定的．小磁針放入磁場中會受到磁場力的作用,因此,磁場的方向可以從小磁針受力的角度規(guī)定．

結(jié)論： 在磁場中的任一點,小磁針北極受力的方向,即小磁針靜止時北極所指的方向,就是該點的磁場方向,即磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向．

實驗探究： 磁感強(qiáng)度的大小.

師:磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小能否從小磁針受力的情況來研究?(引導(dǎo)學(xué)生思考回答)

生:不能．因為小磁針不會單獨存在一個磁極,小磁針靜止時,兩個磁極所受合力為0,因此無法從小磁針受力的角度確定磁場的強(qiáng)弱,即無法定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。?/p>

師:既然磁場對磁體的作用力不能研究磁場的強(qiáng)弱,那么我們讓誰來檢驗磁場的強(qiáng)弱呢?

生:(思考后應(yīng)該能想到)通電導(dǎo)線.

師:研究電場強(qiáng)度是檢驗電荷量是越大越好還是越小越好呢?電流是越大越好還是越小越好?

生:(應(yīng)該回答小好,如果回答大好,教師則指出大的話不能測出某點的磁場強(qiáng)弱,電流太大則電流產(chǎn)生的磁場影響原有磁場．)

師:物理學(xué)中,把很短的一段通電導(dǎo)線中電流I與導(dǎo)線長度L的乘積叫做電流元．但要使導(dǎo)線中有電流,就要把它連到電源上,所以孤立的電流元是不存在的．不過如果做實驗的那部分磁場的強(qiáng)弱、方向都是一樣的,也就是說磁場是勻強(qiáng)磁場,我們也可以用比較長的通電導(dǎo)線進(jìn)行實驗．

師:請大家猜想一下,一段通電導(dǎo)線在磁場中受力的大小與什么有關(guān)?

生:(可能答案電流I,長度L,磁場的強(qiáng)度,擺放角度等.)

師:請大家設(shè)計一個實驗來定性地驗證猜想.

學(xué)生分小組進(jìn)行討論,教師對學(xué)生的方案肯定和點評后,介紹實驗器材.

圖5

分組實驗： 如圖5所示，4塊相同的蹄形磁鐵并列放置,可以認(rèn)為磁極間的磁場是均勻的,將一根直導(dǎo)線懸掛在磁鐵的兩極間,有電流通過時導(dǎo)線將擺動一個角度,通過這個角度我們可以比較磁場力的大小,分別接通“2、3”和“1、4”可以改變導(dǎo)線通電部分的長度,電流強(qiáng)度由外部電路控制．

(1) 先保持導(dǎo)線通電部分的長度不變,改變電流的大?。?/p>

學(xué)生分析得出結(jié)論:通電導(dǎo)線長度一定時,電流越大,導(dǎo)線所受磁場力就越大．

(2) 保持電流不變,改變導(dǎo)線通電部分的長度．

學(xué)生分析得出結(jié)論:電流一定時,通電導(dǎo)線越長,磁場力越大．

實驗結(jié)束后,請學(xué)生上講臺說明探究的結(jié)論.

通過實驗,再類比電場強(qiáng)度的定義方式,給出了磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義．

3 以問題為導(dǎo)引設(shè)置認(rèn)知平臺,讓學(xué)生在討論交流中理解構(gòu)建物理核心概念的內(nèi)涵

現(xiàn)代教學(xué)論研究指出,從本質(zhì)上講,感知不是學(xué)習(xí)產(chǎn)生的根本原因(盡管學(xué)生學(xué)習(xí)是需要感知的),產(chǎn)生學(xué)習(xí)的根本原因是問題．沒有問題也就難以誘發(fā)和激起求知欲;沒有問題,學(xué)生也就不會去深入思考,那么學(xué)習(xí)也就只能是表層和形式的．因此，一方面強(qiáng)調(diào)通過問題來進(jìn)行學(xué)習(xí),把問題看做是學(xué)習(xí)的動力、起點和貫穿學(xué)習(xí)過程中的主線;另一方面通過學(xué)習(xí)來生成問題,把學(xué)習(xí)過程看成是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程．課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出:“教師要善于引導(dǎo)學(xué)生從真實的情境中發(fā)現(xiàn)問題,有針對性地展開討論,提出解決問題的思路,使學(xué)生的認(rèn)識逐步得到發(fā)展．”問題的發(fā)現(xiàn)既可以由教學(xué)內(nèi)容引起,也可以由觀察大量的現(xiàn)象引起．

例如“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)的教學(xué)中,通過演示實驗觀察現(xiàn)象、分組實驗進(jìn)行探究,得出了磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義．學(xué)生基本上可以從文字語言和數(shù)學(xué)語言描述磁感應(yīng)強(qiáng)度;但由于學(xué)生所具有的物理知識不足和思維的局限性,所下的定義不一定完整,甚至下出錯誤的定義．這時,教師不必急于糾正,而是讓學(xué)生展示自己的思維過程,通過設(shè)置一些問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論,深刻領(lǐng)悟物理核心概念的內(nèi)涵．

為什么用比值(F/IL)來定義磁感應(yīng)強(qiáng)度?這是本節(jié)課的關(guān)鍵所在．教師在教學(xué)中要適時地提出問題,為學(xué)生設(shè)置必要的認(rèn)知臺階,讓他們?nèi)ソ?jīng)歷并完成新概念的建構(gòu)過程．

問題1:在F、IL、B3者中,你認(rèn)為哪個物理量可用來描述磁場的性質(zhì)?為什么?

在學(xué)生思考的基礎(chǔ)上,通過實驗數(shù)據(jù)分析得出，在同一(勻強(qiáng)) 磁場中F/IL是個定值 ——比值反映規(guī)律性.

問題2:在不同的(勻強(qiáng))磁場中,仍能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎?為什么?

分析實驗數(shù)據(jù)可見，在不同(勻強(qiáng))磁場中,F/IL為另一個確定 的比值,且比值大小與磁場的強(qiáng)弱相關(guān)——比值具有客觀性．

問題3:在一般的(非勻強(qiáng))磁場中,還能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎?為什么?

啟發(fā)學(xué)生用“無限分割、以勻代變”的極限思想進(jìn)行推理分析．

在討論中使學(xué)生相互啟發(fā),不斷糾正錯誤,直至得出完整、準(zhǔn)確的定義．對學(xué)生的討論交流,教師適當(dāng)點撥,使學(xué)生抓住概念中的關(guān)鍵字、詞、句,更準(zhǔn)確地理解概念．所以在課堂教學(xué)中要盡量多地給予學(xué)生自己思考、討論、分析的時間與機(jī)會,使他們逐步學(xué)會思考．

在物理核心概念教學(xué)過程中,需要把握不同概念的特點,選用不同的適用于該概念的教學(xué)方法,讓學(xué)生主動參與到教學(xué)的全過程.教師把學(xué)習(xí)的主動權(quán)還給學(xué)生,通過學(xué)生的親身體驗,讓學(xué)生在有限的時間里擁有多種形式的活動、思維的時間和空間,引導(dǎo)學(xué)生積極探索,使學(xué)生在探索過程中形成概念、掌握概念,發(fā)展學(xué)生的多種能力.只有這樣，才能最大限度地讓學(xué)生充分理解概念的內(nèi)涵,把握概念的實質(zhì),為靈活運用概念打下堅實的基礎(chǔ)．

1 耿玉盛.以問題引領(lǐng)物理課堂中學(xué)生的自主學(xué)習(xí)[J].湖南中學(xué)物理，2014(10)： 26-28.

2017-08-01)