基于發(fā)展核心素養(yǎng)的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)
——“磁場對運(yùn)動電荷的作用”一課為例

吳 剛

(巴中市恩陽區(qū)恩陽中學(xué)，四川 巴中 636064)

1 導(dǎo)引

2017年教育部制定了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》,標(biāo)準(zhǔn)凝練了主要包括“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個方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．[1]物理核心素養(yǎng)是學(xué)生接受物理教育過程中逐漸形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成．核心素養(yǎng)的制定很好體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價值,是對三維課程目標(biāo)的提煉和升華．[2]

圖1

皮亞杰的建構(gòu)主義觀點(diǎn)認(rèn)為,學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在一定的情景下,借助他人(教師、學(xué)生等)的幫助,利用必要的學(xué)習(xí)資源,通過學(xué)生主動的意義建構(gòu)方式而獲得,學(xué)生從原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)．這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中用探究的方法去建構(gòu)知識的意義,將新、舊知識聯(lián)系起來,并對這種聯(lián)系加以認(rèn)真思考．同時,在學(xué)習(xí)過程中與他人進(jìn)行協(xié)作、交流,從而促進(jìn)意義建構(gòu)．[3]如何在物理課堂教學(xué)中更好地讓學(xué)生建構(gòu)知識,實(shí)現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培育和提升,筆者以教科版高中物理選修3-1第3章第4節(jié)“磁場對運(yùn)動電荷的作用——洛倫茲力”一課為例,構(gòu)建以啟迪教學(xué)激發(fā)學(xué)生思維,探究教學(xué)培育學(xué)生素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)．在深入研讀教材的基礎(chǔ)上,制定其課堂教學(xué)流程如圖1所示．

2 教學(xué)過程

2.1 課題引入

圖2

教師播放視頻短片“極光”,視頻截圖如圖2所示．提問:為什么極光只出現(xiàn)在地球兩極?指出極光的出現(xiàn)與帶電粒子受磁場力的作用有關(guān),激發(fā)學(xué)生對自然現(xiàn)象的好奇和思考,調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性,初步建立磁場、電荷、運(yùn)動及其相互作用的物理觀念和從物理學(xué)視覺解釋自然現(xiàn)象的意識．

2.2 復(fù)習(xí)導(dǎo)引

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回憶電流是大量自由電荷定向運(yùn)動形成的,金屬導(dǎo)線中自由移動的電荷是電子,并且規(guī)定正電荷的定向運(yùn)動方向即自由電子定向運(yùn)動的反方向?yàn)殡娏鞣较?垂直放置在磁場中的通電導(dǎo)線(電流)要受到安培力作用．結(jié)合這兩點(diǎn)啟迪學(xué)生思考,磁場對運(yùn)動電荷是否有力的作用?安培力是否是磁場對大量定向運(yùn)動電荷作用的宏觀表現(xiàn)?引導(dǎo)學(xué)生在已有知識儲備的基礎(chǔ)上去發(fā)現(xiàn)問題并能提出合理的猜想,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識．

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證磁場對運(yùn)動電荷是否有力的作用

教師簡介電子束演示器的主要構(gòu)造和原理,如圖3所示．指導(dǎo)學(xué)生使用演示器和用條形磁鐵N極靠近玻璃管,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)電子束徑跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),如圖4所示．啟迪學(xué)生從物體做曲線運(yùn)動的條件分析得出運(yùn)動的電荷受到一個與運(yùn)動方向存在夾角的力,這個力就是磁場對運(yùn)動電荷的作用力,我們稱這種力叫做洛倫茲力．從復(fù)習(xí)舊知識中提出問題,大膽作出猜想與假設(shè),并用演示實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證,較為完整地呈現(xiàn)科學(xué)探究的一般環(huán)節(jié)．通過這一探究環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),讓學(xué)生積極參與、體驗(yàn),感知新知源于探索．

圖3

2.4 實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力的方向

圖5

教師啟迪學(xué)生思考:磁場對通電導(dǎo)線(電流)的安培力方向可以由左手定則判斷,而電流是大量自由電荷定向移動形成的．磁場對運(yùn)動電荷的洛倫茲力方向是否也可以用左手定則判斷?學(xué)生借助電子束演示器、條形磁鐵去探究洛倫茲力的方向．為便于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中觀察,表達(dá)磁場方向、電子運(yùn)動方向和洛倫茲力方向,最終驗(yàn)證3者方向是否滿足左手定則,教師有必要引導(dǎo)學(xué)生建立空間直角坐標(biāo)系．例如建立以電子束出射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),電子束出射方向?yàn)閤軸正向,豎直向上為y軸正向,垂直于實(shí)驗(yàn)觀察者方向?yàn)閦軸正向的空間直角坐標(biāo)系,如圖5所示．條形磁鐵分別沿平行于坐標(biāo)軸放置,使磁場方向與電子運(yùn)動方向平行或垂直,N極靠近演示器玻璃管,分別指向+x、-x、+y、-y、+z、-z6個方向,觀察電子束在條形磁鐵N極不同取向下的徑跡偏轉(zhuǎn)方向．

教師指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象,循序漸誘學(xué)生得出結(jié)論:

(1) 電子束徑跡偏轉(zhuǎn)方向是電子所受到的洛倫茲力方向;

(2) 電子束不發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明電子不受洛倫茲力作用,而電荷在電場中一定受到電場力,運(yùn)動的電荷在磁場中卻不一定受洛倫茲力;

(3) 用伸直的左手判斷洛倫茲力方向時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場方向垂直穿過手心,四指指向電子運(yùn)動方向,大拇指所指的方向卻是徑跡偏轉(zhuǎn)的相反方向．問題出在哪兒呢?引導(dǎo)學(xué)生回憶正電荷定向運(yùn)動的方向規(guī)定為電流方向,電子帶負(fù)電荷,用左手去判斷帶負(fù)電的電子所受的洛倫茲力方向,應(yīng)該將四指指向電子運(yùn)動的相反方向,那么大拇指所指的方向就是徑跡的偏轉(zhuǎn)方向．

通過教師的指導(dǎo)、點(diǎn)撥,學(xué)生的探究、分析,帶電粒子在垂直于磁場運(yùn)動時,所受洛倫茲力的方向可由左手定則判斷,但要注意電荷的電性．

2.5 理論探究洛倫茲力的大小

教師啟迪學(xué)生思考如何計(jì)算洛倫茲力的大小,讓學(xué)生結(jié)合已學(xué)的知識和方法闡述自己的思路．

問題2:如何選擇研究對象?怎樣建立物理模型?導(dǎo)體內(nèi)大量自由電子在兩端加電勢差后做定向運(yùn)動,形成電子流．對于這種介質(zhì)流我們可以在流體流動方向選取一段“圓柱體”,以“圓柱體”內(nèi)定向運(yùn)動的電子作為研究對象,如圖6所示．

圖6

問題3:如何計(jì)算“圓柱體”內(nèi)運(yùn)動電荷的數(shù)目?設(shè)單位體積內(nèi)電子數(shù)目為n,“柱體”橫切面積為S,電子定向運(yùn)動的速率為v,在時間t內(nèi)電子定向運(yùn)動的長度為L,則L=vt,柱體體積V=LS,柱體內(nèi)電子數(shù)目N=nV=nLS=nvtS.

問題5:如何計(jì)算電流的安培力?由安培力公式F=BIL,則每一個電子受到的洛倫茲力

對于電荷量為q的電荷,洛倫茲力大小為f=qvB.

教師通過緩緩誘導(dǎo),學(xué)生思維漸漸洞開,推導(dǎo)出洛倫茲力公式就水到渠成．在該環(huán)節(jié),教師先讓學(xué)生獨(dú)立思考尋找解決問題的思路、與同伴合作交流分享觀點(diǎn)、面向全體發(fā)表個人見解,使學(xué)生樹立良好的科學(xué)態(tài)度．教師再搭梯引橋,將目標(biāo)問題層層分解為學(xué)生思維能力可及的一個個小問題,循序漸誘學(xué)生去思考．通過建立理想物理模型、進(jìn)行科學(xué)的理論推理論證,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動腦想問題的習(xí)慣,發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)思維和科學(xué)探究能力．

2.6 科學(xué)探究帶點(diǎn)粒子在磁場中的運(yùn)動

圖7

教師試探地問學(xué)生:帶電粒子在磁場中可能做勻速直線運(yùn)動嗎?可能做類平拋運(yùn)動嗎?可能做勻速圓周運(yùn)動嗎?還是一般的曲線運(yùn)動?帶電粒子在磁場中究竟做什么性質(zhì)的運(yùn)動．結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示,如圖7所示．引導(dǎo)學(xué)生從觀察到的現(xiàn)象出發(fā),從力與運(yùn)動關(guān)系角度思考并表達(dá)自己的觀點(diǎn)．粒子具體做何種運(yùn)動形態(tài),取決于磁場特點(diǎn)(是否為勻強(qiáng)磁場、方向)與帶電粒子的速度方向．為何將條形磁鐵靠近電子束演示器時,沒有觀察到電子做圓周運(yùn)動?是圓周不完整,還是根本就不是圓周運(yùn)動?讓學(xué)生去思考．

3 結(jié)束語

整個教學(xué)設(shè)計(jì)從猜想、驗(yàn)證電荷是否受到磁場力的作用,到實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力的方向．從理論探究洛倫茲力的大小,到理論、實(shí)驗(yàn)兩方面探究帶電粒子在磁場中的運(yùn)動性質(zhì)．通過討論交流、自主探究、合作學(xué)習(xí)等多種形式,讓科學(xué)探究始終貫穿整個教學(xué)活動．整堂課以傳授洛倫茲力這一知識點(diǎn)為載體,以培育學(xué)生科學(xué)探究能力,發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)為目的,將傳遞知識、培養(yǎng)能力、發(fā)展素養(yǎng)做到水乳交融,把發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地生花,最終實(shí)現(xiàn)育人目標(biāo)．