以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)教學(xué)過程——以“運(yùn)動電荷在磁場中受到的力”為例

劉 娜 張玉峰 雷祥翠 張瑩瑩

(1. 中國人民大學(xué)附屬中學(xué),北京 100086; 2. 北京市教科院基教研中心,北京 100036)

20世紀(jì)的學(xué)習(xí)理論在皮亞杰認(rèn)知理論的影響下,逐步從以教師為主的“傳統(tǒng)范式”轉(zhuǎn)向以學(xué)生為主的“學(xué)習(xí)范式”．[1]新的學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào),知識不是通過教師傳授得到的,而是學(xué)習(xí)者通過意義建構(gòu)的方式獲得的．學(xué)生不是被動接受者和被灌輸?shù)膶ο?而是信息加工的主體、是意義的主動建構(gòu)者．美國教育家布魯姆認(rèn)為“以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)范式,有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力．

新一輪課程改革的核心理念是教育要“以人為本”．落實(shí)到教學(xué)上就是要以學(xué)生為中心,這需要教師在備課時(shí)從學(xué)生思維出發(fā),針對學(xué)生的不同特點(diǎn),把學(xué)生的思維發(fā)展與教學(xué)內(nèi)容融合起來;需要教師對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效設(shè)計(jì)和有機(jī)整合．下面以“運(yùn)動電荷在磁場中受到的力”為例,介紹一節(jié)以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)．

1 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課是人教版選修3-1第3章“磁場”第5節(jié)“運(yùn)動電荷在磁場中受到的力”的第一課時(shí),這是高中物理教學(xué)中一節(jié)重要的規(guī)律課．

教學(xué)內(nèi)容從單課的知識主線及其在單元前后的結(jié)構(gòu)主線兩個(gè)方面進(jìn)行分析．知識主線中的核心內(nèi)容是洛倫茲力的方向和大小,從學(xué)生的能力和思維特點(diǎn)及其培養(yǎng)上看,洛倫茲力的方向涉及的空間立體關(guān)系比較抽象,適合學(xué)生在實(shí)踐中感知,是培養(yǎng)科學(xué)探究的有效素材;洛倫茲力的大小與安培力之間有密切關(guān)聯(lián),是培養(yǎng)科學(xué)思維的關(guān)鍵載體.教學(xué)中可以通過教師引導(dǎo),讓學(xué)生自主建立起兩者之間的關(guān)聯(lián),再進(jìn)行理論推導(dǎo)．結(jié)構(gòu)主線中的主要內(nèi)容是洛倫茲力與安培力之間微觀與宏觀的聯(lián)系,次要內(nèi)容是洛倫茲力的基本地位、洛倫茲力與電場力之間的關(guān)聯(lián)以及磁場與電場的關(guān)聯(lián)．前者可在方向和大小的研究過程中進(jìn)行滲透,后者適合以拓展的形式教學(xué)．這些教學(xué)內(nèi)容既能完善學(xué)生的知識體系和物理觀念、鍛煉學(xué)生深入學(xué)習(xí)的能力,又給學(xué)生提供了豐富的想象空間．

此外,洛倫茲力在生活中和科研中的應(yīng)用也是教學(xué)的一個(gè)結(jié)合點(diǎn).這些素材可以為學(xué)生提供豐富的知識應(yīng)用和實(shí)踐環(huán)節(jié),也能打開學(xué)生的視野,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力．從科學(xué)史的角度看,洛倫茲是一位在經(jīng)典物理與近代物理之間承上啟下式的科學(xué)巨擘,是第一代理論物理學(xué)家的領(lǐng)袖．[2]他不僅在科研中取得了令人矚目的成就,更在做人方面為世人樹立了典范．教學(xué)中可以在學(xué)案附錄資料詳細(xì)介紹洛倫茲,讓學(xué)生感受科學(xué)家的崇高品質(zhì),這是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的絕佳素材．

最后,本節(jié)課與即將學(xué)習(xí)的帶電粒子在磁場中的運(yùn)動相聯(lián)系,教學(xué)中可以通過一定的教學(xué)設(shè)計(jì)為下節(jié)課埋下伏筆,讓學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程成為一個(gè)有機(jī)整體．

2 學(xué)情分析

為營造能夠抓住、引導(dǎo)并發(fā)展學(xué)生思維的課堂,需要教師真正以學(xué)生為中心進(jìn)行學(xué)情的深入分析,梳理能夠發(fā)展思維的教學(xué)點(diǎn),結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)．以學(xué)生為本的關(guān)鍵是要以學(xué)生的思維為中心,從學(xué)生的視角和因果層面分析思維“階”點(diǎn),圍繞思維進(jìn)階發(fā)展的角度設(shè)計(jì)活動、組織教學(xué)．[3]

其次,從學(xué)生思維進(jìn)階發(fā)展的角度分析教學(xué)活動．在洛倫茲力方向的教學(xué)上有兩種常見的方式．一種是通過實(shí)驗(yàn)探究,利用牙簽或吸管等做標(biāo)記,總結(jié)出力、速度、磁場3個(gè)方向之間的關(guān)系;另一種是通過理論預(yù)測,先告知學(xué)生安培力與洛倫茲力之間的關(guān)系,再讓學(xué)生推導(dǎo)出洛倫茲力的方向遵循的規(guī)律．站在“以學(xué)生為中心”的指導(dǎo)思想下看,這兩種教學(xué)方式都有些許不足．前一種低估了學(xué)生的能力,學(xué)生在安培力的學(xué)習(xí)中重點(diǎn)探究過力、電流、磁場3個(gè)方向之間的關(guān)系,再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究就會導(dǎo)致重復(fù)教學(xué),不能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;后一種教學(xué)剝奪了學(xué)生自主思考的權(quán)利,以先入為主的方式將知識灌輸給學(xué)生．本節(jié)課采用的方式是在真實(shí)情境下教學(xué),通過“東方超環(huán)”這一實(shí)際情境,讓學(xué)生認(rèn)識托卡馬克磁約束裝置．基于學(xué)生的思維進(jìn)階發(fā)展,通過由淺入深的問題設(shè)計(jì)開展學(xué)習(xí),讓學(xué)生在實(shí)踐中摸索總結(jié)出洛倫茲力方向所遵循的規(guī)律．這一部分教學(xué)過程中,學(xué)生的思維及教學(xué)活動如表1所示.

這樣的教學(xué)過程既符合學(xué)生認(rèn)知又在學(xué)生能力范圍之內(nèi),能夠激發(fā)出學(xué)生的興趣和探索熱情,更能帶給學(xué)生用已有知識解決實(shí)際問題的幸福感．

表1 洛倫茲力方向的教學(xué)過程中學(xué)生

3 教學(xué)目標(biāo)

(1) 經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)研究洛倫茲力方向的過程,知道洛倫茲力的方向與電荷運(yùn)動方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向3者之間的空間關(guān)系,會用左手定則判斷洛倫茲力的方向,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力．

(2) 經(jīng)歷由安培力公式推導(dǎo)出洛倫茲力公式的過程,知道運(yùn)動電荷所受洛倫茲力的矢量和在宏觀上表現(xiàn)為安培力,體會宏觀與微觀之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的能力．

(3) 通過與安培力以及磁場和電場整合教學(xué),在學(xué)生頭腦中建立結(jié)構(gòu)化、一體化的知識體系,并在此基礎(chǔ)上提高學(xué)生對前后知識關(guān)聯(lián)和遷移的應(yīng)用能力．

(4) 通過歷史追溯與科技應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

4 教學(xué)重難點(diǎn)及策略

洛倫茲力的方向是本節(jié)課第一個(gè)重難點(diǎn),其空間方向比較抽象,對多數(shù)學(xué)生而言難以想象．突破策略是讓學(xué)生在實(shí)踐中運(yùn)用知識、歸納知識、提煉方法．調(diào)動學(xué)生眼手腦一起協(xié)作、全面配合,從而加深學(xué)生對洛倫茲力方向的認(rèn)識．

洛倫茲力的大小是本節(jié)課第二個(gè)重難點(diǎn),需要學(xué)生有從宏觀到微觀、從安培力到洛倫茲力過渡的想象力,更需要學(xué)生對電流微觀含義有充分的認(rèn)識．突破策略是采用理論預(yù)測、知識遷移相結(jié)合的方法,將這一難點(diǎn)逐一突破．

5 教學(xué)過程

5.1 情境引入 提出問題

播放視頻:2018年11月12日,我國大科學(xué)裝置“東方超環(huán)”取得了國際性重大突破,首次實(shí)現(xiàn)等離子體中心溫度達(dá)到108℃．東方超環(huán)的核心技術(shù)之一是控制等離子體的運(yùn)動,從而把它們約束在一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)．

“那么科學(xué)家們是通過什么方法來改變電子、離子的軌跡,進(jìn)而指揮它們的呢?”

學(xué)生們猜測是磁場．教師進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生“想不想體驗(yàn)一下親手指揮電子的感覺”,讓學(xué)生利用蹄形磁鐵和電子束演示器(如圖1所示)嘗試改變電子的飛行軌跡．這一設(shè)計(jì)既能讓學(xué)生熟悉電子束演示器,又能充分滿足學(xué)生的好奇心和嘗試的欲望、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情,更便于引出本節(jié)課要研究的課題“運(yùn)動電荷在磁場受到的力”,此力記為f以便于討論．

圖1 電子束演示器

5.2 任務(wù)驅(qū)動 深度學(xué)習(xí)

接下來,請學(xué)生嘗試著有目的地控制電子．讓學(xué)生“試著用手中的磁鐵讓電子束向下偏轉(zhuǎn)、向上偏轉(zhuǎn)、向靠近你的方向偏、向遠(yuǎn)離你的方向偏”．這樣設(shè)計(jì)的目的在于讓學(xué)生有意識地思考電子運(yùn)動方向與哪些因素有關(guān),有怎樣的關(guān)系．部分學(xué)生在這一過程中將會自主地采用左手定則的方法進(jìn)行判斷．

隨后,請學(xué)生指揮教師該如何用磁鐵控制電子．比如提問“想讓電子向上偏,應(yīng)該施加什么方向的磁場”等幾個(gè)問題,部分學(xué)生能夠迅速給出正確答案．這種設(shè)計(jì),既給學(xué)生提供了滿滿的幸福感,又可以促進(jìn)學(xué)生自主地總結(jié)提煉規(guī)律．隨后問“大家能這么快地給出正確答案,采用了什么方法”.學(xué)生基于安培力的基礎(chǔ)和實(shí)踐操作的過程能夠順暢地總結(jié)出左手定則．

以上的教學(xué)過程,是學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動下自主完成實(shí)踐、總結(jié)、提煉的過程,學(xué)生充分發(fā)揮了課堂的主體地位．教師作為問題的提出者順應(yīng)并引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)展過程,給學(xué)生創(chuàng)設(shè)表達(dá)和展示的機(jī)會,而教師本身逐漸淡出課堂．學(xué)生在這一教學(xué)過程中除了有更多的自主性之外,還會體會到應(yīng)用已有知識解決實(shí)際問題的幸福感．

在學(xué)生總結(jié)出左手定則之后,教師提出一個(gè)啟發(fā)性問題“目前我們研究的都是磁場方向與電子運(yùn)動方向完全垂直的情況,而實(shí)驗(yàn)所使用的是蹄形磁鐵，這有沒有什么問題呢”.這個(gè)問題既能引出B、v不垂直的情況討論,也能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度,激起學(xué)生的求知欲．學(xué)生能夠意識到蹄形磁鐵的磁感線分布復(fù)雜,在剛才的操作中一定或多或少地都會遇到磁場方向和運(yùn)動方向不垂直的情況．設(shè)問：“那在這種情況下電子偏轉(zhuǎn)的規(guī)律又會如何呢?”.隨后教師利用可繞豎直軸自由轉(zhuǎn)動的勻強(qiáng)磁場,如圖2所示,研究B、v任意夾角時(shí)電子的偏轉(zhuǎn)情況．學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)中觀察出當(dāng)B、v夾角從90°到0°的過程中電子的偏轉(zhuǎn)情況,從而總結(jié)出分解的辦法,亦可以發(fā)現(xiàn)所有的夾角都只有豎直分量的關(guān)系起作用,因此我們用最簡單的垂直關(guān)系來判斷電子偏轉(zhuǎn)是合理的．這一教學(xué)過程是學(xué)生深度學(xué)習(xí)和思考的過程,也會幫助學(xué)生更加清晰地認(rèn)識力f的方向所遵循的規(guī)律．

圖2 可調(diào)控勻強(qiáng)磁場與電子運(yùn)動方向的裝置示意圖

5.3 理論分析 學(xué)會遷移

對于力f的大小,首先請學(xué)生們猜測“力f最后的表達(dá)式中會出現(xiàn)哪些物理量”,學(xué)生能猜出f=f(q,v,B,θ)．基于前期對角度的研究基礎(chǔ)同時(shí)為了簡化問題,課堂上只研究θ=90°時(shí)的情況,即f=f(q,v,B)．設(shè)問：“那可以通過什么方式研究這些物理量與f的關(guān)系?”.實(shí)驗(yàn)探究這一問題的難度很大,引導(dǎo)學(xué)生從理論推導(dǎo)的角度得到f的表示式．隨后的思維跨度很大,是教學(xué)中的難點(diǎn),需要為學(xué)生搭建合適的思維臺階．具體采用問題引導(dǎo)的做法“我們所學(xué)過哪個(gè)力可能會與f有關(guān)”,學(xué)生猜出安培力F．設(shè)問：“能夠關(guān)聯(lián)起來f與F的橋梁隱藏在影響兩者的物理參量上,這些量之間有何關(guān)聯(lián)呢”.學(xué)生能想到電流I與電荷量q以及速度v有關(guān),即I=neSv．那f與F之間有什么關(guān)系呢?這里需要利用微觀示意圖幫助學(xué)生建立起宏觀和微觀的關(guān)聯(lián),如圖3,引導(dǎo)學(xué)生得出F=Nf的猜想,其中N是所研究導(dǎo)線中定向移動電子的總數(shù)．隨后學(xué)生自行推導(dǎo)f的表達(dá)式．

圖3 靜止導(dǎo)線中電子運(yùn)動及受力的微觀示意圖

5.4 介紹洛倫茲以及洛倫茲力

歷史上洛倫茲最早提出f的猜想,為了紀(jì)念他,人們把磁場對運(yùn)動電荷的作用力稱為洛倫茲力．洛倫茲在1895年,電子還未發(fā)現(xiàn)的年代,獨(dú)具慧眼預(yù)言了電子和電荷的存在,不僅提出洛倫茲力還創(chuàng)立的經(jīng)典電子論．他與他的學(xué)生塞曼共同分享了1902年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),此外他還導(dǎo)出了愛因斯坦的狹義相對論基礎(chǔ)的變換方程,即現(xiàn)在為人熟知的洛倫茲變換．“everybody felt his superiority, but nobody felt oppressed by it”這句英文是愛因斯坦對他的高度評價(jià)．意思是:每個(gè)人都感受到他超越于眾人之上,但沒人因此而有壓迫感．這句話不僅肯定了洛倫茲的杰出貢獻(xiàn),更道出洛倫茲博大的格局和情懷．

洛倫茲力(與電場力一起)是自然界中最基本的一種相互作用——電磁相互作用,其在四大基本相互作用中的結(jié)構(gòu)如圖4所示．洛倫茲力十分普遍,不論在微觀還是宏觀,只要是運(yùn)動電荷之間都存在這種力,宏觀上我們接觸到的力除了重力之外,彈力、摩擦力、電場力、磁場力都起源與此．結(jié)合之前已經(jīng)學(xué)過的萬有引力,學(xué)習(xí)了本節(jié)內(nèi)容之后,學(xué)生就掌握了自然界所有宏觀長程力的基本法則．這對學(xué)生知識體系的完善有所幫助,同時(shí)也有助于培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成對力學(xué)本質(zhì)認(rèn)識的物理觀念．

圖4 洛倫茲力在四種基本相互作用中的地位

如圖5所示,洛倫茲力與電場力都是場對電荷的作用,在經(jīng)典電磁學(xué)理論中可以認(rèn)為這兩種場都源于電荷,既然電場和磁場都與電荷有關(guān),那這兩者之間又是否有何關(guān)聯(lián)?

圖5 磁場、電場、電荷之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

以上問題可以幫助學(xué)生完善力學(xué)體系,構(gòu)建電場和磁場的整體性,并為后續(xù)的學(xué)習(xí)留下接口．

5.5 實(shí)際應(yīng)用 拓寬視野

洛倫茲力在生活中有一處奇妙而廣泛地應(yīng)用——顯像管電視機(jī)．教學(xué)中,通過實(shí)物演示和問題引導(dǎo)的方式讓學(xué)生在實(shí)際情境中練習(xí)使用洛倫茲力．

分別用兩個(gè)開關(guān)控制磁偏轉(zhuǎn)線圈中的行偏轉(zhuǎn)信號和場偏轉(zhuǎn)線圈信號,以更好地展示偏轉(zhuǎn)線圈對電子束的影響．最初兩個(gè)開關(guān)都置于斷開狀態(tài),此時(shí)電子束不受磁場的作用,顯示器的正中央出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)．閉合行偏轉(zhuǎn)開關(guān)之后,屏幕正中央出現(xiàn)一條橫線;閉合場偏轉(zhuǎn)線圈后,屏幕正中央出現(xiàn)一條豎線;如果兩個(gè)開關(guān)同時(shí)閉合,則整個(gè)屏幕都是亮的．在實(shí)際操作和講解過程中,教師可以在閉合兩個(gè)偏轉(zhuǎn)開關(guān)之前,先提問幾個(gè)問題,例如“想讓亮點(diǎn)向上(左)動,應(yīng)該施加什么方向的磁場”等.這樣既可以讓學(xué)生在實(shí)際情境中應(yīng)用洛倫茲力,又可以解釋偏轉(zhuǎn)線圈的原理,再利用3D動畫就能更形象地說明磁偏轉(zhuǎn)線圈的工作原理．

課上還可以拓展極光背后的成因,以及洛倫茲力在高精尖科研領(lǐng)域中的應(yīng)用,如開篇提到的熱核裝置中約束等離子體的托卡馬克裝置;用于汽車測速和磁傳感器中的霍爾元件;利用磁聚焦的電子顯微鏡;利用磁聚焦的磁控濺射鍍膜機(jī)等．這將開拓學(xué)生的視野,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識．

5.6 驗(yàn)證猜想 埋下伏筆

本節(jié)課最后布置的作業(yè):請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),定量的驗(yàn)證洛倫茲力的大小f=qvB的正確性．實(shí)驗(yàn)裝置和原理如圖6所示.

各儀器名稱如下: ① 電子束偏轉(zhuǎn)管; ② 電子束偏轉(zhuǎn)管內(nèi)的一對平行金屬板(產(chǎn)生豎直方向的電場); ③ 電子束偏轉(zhuǎn)管外的亥姆霍茲線圈(產(chǎn)生水平方向的磁場); ④ 高壓電源,給電子束偏轉(zhuǎn)管提供加速電壓U1,可以利用U1推算出電子速度的大小; ⑤ 高壓電源,點(diǎn)平行金屬板提供偏轉(zhuǎn)電壓U2,可以利用得到電場強(qiáng)度的大小; ⑥ 電流源,給亥姆霍茲線圈供電,根據(jù)通過線圈的電流I可以推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B=0.0042I．請學(xué)生利用這套裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證洛倫茲力的公式,一來可以讓學(xué)生在實(shí)際情境中應(yīng)用知識解決問題,二來便于為下節(jié)課埋下伏筆．

圖6 電子偏轉(zhuǎn)管工作裝置及其實(shí)驗(yàn)原理示意圖

6 評價(jià)

本節(jié)課教學(xué)過程從學(xué)生出發(fā)、以學(xué)生為中心,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)出能充分調(diào)動學(xué)生、充分發(fā)揮學(xué)生能力、貼合學(xué)生思維與能力又能培養(yǎng)學(xué)生思維與能力的課堂活動．讓學(xué)生自發(fā)地成為課堂的主體,鼓勵(lì)學(xué)生多實(shí)踐多動手、多觀察多思考、多提問多交流、多回顧多遷移、多關(guān)聯(lián)多整合,全方位地圍繞學(xué)生設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動,從而在科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力、團(tuán)隊(duì)合作意識、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面對學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)．