基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)

董友軍 侯柏羽

摘要：物理概念是人腦對客觀事物關(guān)于物理屬性和本質(zhì)特征的抽象，是觀察、驗證、思維、概括相結(jié)合的產(chǎn)物。所謂“學(xué)習(xí)進(jìn)階”，是指隨著學(xué)習(xí)時間的增加，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識不斷豐富和逐步深入的過程。以《運動電荷在磁場中受到的力》一課為例，探索基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階概念教學(xué)《運動電荷在磁場中受到的力》

一、物理概念教學(xué)的要素

物理概念是人腦對客觀事物關(guān)于物理屬性和本質(zhì)特征的抽象，是觀察、驗證、思維、概括相結(jié)合的產(chǎn)物。使學(xué)生形成物理概念、理解物理概念，進(jìn)而掌握物理規(guī)律、發(fā)展核心素養(yǎng)，是中學(xué)物理教學(xué)的重要目標(biāo)。筆者認(rèn)為，優(yōu)秀的物理概念教學(xué)應(yīng)該包括以下七個要素：

（一）意義

物理概念的意義，是指引入新物理概念的必要性。通過物理概念教學(xué)，要讓學(xué)生明白引入新物理概念是“迫不得已”，若不引入新物理概念，就無法更好地認(rèn)識客觀世界和難以完善已有理論。引入新物理概念，一方面可以豐富和發(fā)展學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，另一方面也可以激發(fā)學(xué)生的探索興趣和求知欲望。

（二）依據(jù)

物理概念的依據(jù)，是指與物理概念關(guān)聯(lián)的具體事例。在物理概念教學(xué)過程中，教師應(yīng)該讓學(xué)生聯(lián)系生活實際，觀察物理現(xiàn)象，并列舉各種事例，或進(jìn)行必要的實驗等，使學(xué)生對相關(guān)物理現(xiàn)象和物理過程有必要的感性認(rèn)識，從而建立研究對象清晰、正確的表象，為形成物理概念打下扎實的認(rèn)知基礎(chǔ)。

（三）方法

物理概念的方法，是指用什么方法提煉出物理概念。物理概念的確立，不是感性材料的堆砌，而要對其進(jìn)行科學(xué)抽象。一般地，教師首先要提供較多的感性材料，讓學(xué)生產(chǎn)生充足的感性認(rèn)識;然后要引導(dǎo)學(xué)生運用比較、分析、綜合、想象、歸納、概括等方法，抓住事物的本質(zhì)特征，使學(xué)生逐漸從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，形成物理概念。

（四）內(nèi)涵

物理概念的內(nèi)涵，是指物理概念的本質(zhì)屬性，主要包括定義、公式、單位、方向、特點等。物理概念的內(nèi)涵，是物理概念教學(xué)的重點，是學(xué)生必須記住的物理學(xué)科重要基礎(chǔ)知識。若沒有記住內(nèi)涵，學(xué)生分析問題和解決問題就成了“巧婦難為無米之炊”。

（五）外延

物理概念的外延，是指物理概念表述的對象和適應(yīng)范圍。對物理概念外延的不斷學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生對物理概念的理解逐漸深化。

（六）關(guān)聯(lián)

物理概念的關(guān)聯(lián)，是指物理概念與其他物理概念的相關(guān)與聯(lián)系。探明不同物理概念之間的關(guān)聯(lián)，有助于學(xué)生理解知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，并對物理概念的深層理解、遷移應(yīng)用都有很強的推動作用。

（七）應(yīng)用

物理概念的應(yīng)用，是指把物理概念應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去?！皩W(xué)以致用”是物理概念教學(xué)的根本目的和基本要求。只有通過應(yīng)用，學(xué)生才能真正理解物理概念。同時，在應(yīng)用過程中，學(xué)生對物理概念認(rèn)知的不足才能呈現(xiàn)出來，這樣就可以及時糾正、不斷完善、逐步深化對物理概念的理解。需要特別注意的是，物理概念的應(yīng)用并不等同于讓學(xué)生“刷題”，而是給學(xué)生提供真實的情境，讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題。

綜上所述，“意義”體現(xiàn)了引入物理概念的必要性，“依據(jù)”找到了物理概念的生活基礎(chǔ)，“方法”說明了物理研究的規(guī)范性，“內(nèi)涵”反映了物理學(xué)科的基礎(chǔ)知識，“外延”明確了物理概念的適用范圍，“關(guān)聯(lián)”指向建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)，“應(yīng)用”讓物理知識又回歸生活。七個要素相互聯(lián)系，相互促進(jìn)，共同深化了學(xué)生對物理概念的理解。

二、“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論闡述及教學(xué)實踐

所謂“學(xué)習(xí)進(jìn)階”，是指隨著學(xué)習(xí)時間的增加，學(xué)生對某一學(xué)習(xí)主題的認(rèn)識不斷豐富和逐步深入的過程。學(xué)習(xí)是一個不斷發(fā)展的過程，學(xué)生對知識的理解不是一蹴而就的，而需要經(jīng)歷多個中間水平，這些中間水平被稱為“階”。通過多個“階”，將學(xué)習(xí)的起點和終點連接起來，形成一條知識不斷提升、思維不斷發(fā)展的通路。需要說明的是，“階”是由知識和學(xué)生共同決定的，教師應(yīng)該根據(jù)情況靈活處理、設(shè)置。下面，以人教版高中物理選修31《運動電荷在磁場中受到的力》一課為例，探索基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)。

（一）起點

物理概念“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點是根據(jù)學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的認(rèn)知能力來確立的。學(xué)生已經(jīng)在教材必修1中學(xué)過“力可以劃分為性質(zhì)力和效果力”;在教材必修2中學(xué)過“合力與速度不在同一直線上的物體做曲線運動，且合力指向曲線的內(nèi)側(cè)”;在前一章《恒定電流》中學(xué)過“電荷的定向運動產(chǎn)生電流”“電流的方向規(guī)定為正電荷運動的方向（負(fù)電荷運動的方向與電流的方向相反）”“電流的大小用公式I=qt求得”;在前一節(jié)課上學(xué)過安培力，知道“磁場對通電導(dǎo)體的作用力叫作安培力”“安培力的方向用左手定則判斷”“安培力的大小用公式F=BILsinθ求得”。這些是學(xué)習(xí)這節(jié)課內(nèi)容的基礎(chǔ)，也是本節(jié)課“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點。

（二）終點

物理概念“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點是學(xué)生達(dá)到完善物理知識結(jié)構(gòu)、發(fā)展核心素養(yǎng)的目標(biāo)。筆者認(rèn)為，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點主要根據(jù)學(xué)生的迷思概念、物理考試大綱和題目、物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材等來確定，指向幫助學(xué)生消除迷思、提升成績、發(fā)展素養(yǎng)。據(jù)此，設(shè)定本節(jié)課的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”終點：通過觀察陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)，激發(fā)求知欲等科學(xué)態(tài)度素養(yǎng);通過分析、推理，知道磁場對運動電荷產(chǎn)生洛倫茲力，培養(yǎng)物質(zhì)觀、運動觀與相互作用觀等物理觀念素養(yǎng);總結(jié)出左手定則，培養(yǎng)提出猜想、實驗驗證、解釋分析、交流評價等實驗探究素養(yǎng);推導(dǎo)出洛倫茲力的公式，培養(yǎng)模型建構(gòu)、科學(xué)推理等科學(xué)思維素養(yǎng);分析電視機顯像管的工作原理，體現(xiàn)“物理學(xué)來自生活，又服務(wù)生活”的新課程理念。

（三）“階”的劃分

1.觀察、參與演示實驗。

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的常規(guī)方式。教學(xué)中，可讓學(xué)生參與實驗、觀察實驗，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生獨立思考的習(xí)慣。第一“階”，通過演示陰極射線實驗，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)磁場對運動電荷產(chǎn)生作用力。

【教學(xué)片段1】

師（演示實驗，現(xiàn)象見圖1）不給陰極射線添加磁場，觀察到的電子束軌跡是什么形狀？

生一條直線。

師將條形磁鐵的一端靠近陰極射線管，觀察到的電子束軌跡有什么變化？

（請一名學(xué)生參與演示實驗，現(xiàn)象見圖2、圖3。）

生軌跡由直線變成了曲線。

師這說明了什么？

生說明電子受到了指向偏轉(zhuǎn)方向的力。

師為什么會產(chǎn)生這個力？

生條形磁鐵靠近陰極射線管會產(chǎn)生磁場，應(yīng)該是磁場對電子產(chǎn)生了作用力。

師在物理學(xué)中，把磁場對運動電荷的作用力稱為洛倫茲力，用來紀(jì)念洛倫茲在物理學(xué)中做出的重要貢獻(xiàn)。

2.科學(xué)推理。

科學(xué)推理是科學(xué)思維的要素之一，也是培養(yǎng)科學(xué)思維的重要手段。第二“階”，引導(dǎo)學(xué)生推理、猜想，得出安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

【教學(xué)片段2】

師上一節(jié)課，我們已經(jīng)用實驗證明了，當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場垂直時，磁場對通電導(dǎo)線有作用力。請問：導(dǎo)線和通電導(dǎo)線有何不同？

生導(dǎo)線中的自由電荷沒有定向運動，而通電導(dǎo)線中的自由電荷做定向運動。

師通電導(dǎo)線中的每個自由電荷在磁場中會受到什么力？

生洛倫茲力。

師每個電荷都受到洛倫茲力，請問所有洛倫茲力的合力去哪里了？

生應(yīng)該就是安培力吧。

師為什么是安培力？

生因為導(dǎo)線通電后只增加了安培力，再無其他力產(chǎn)生，所以可以猜想：所有洛倫茲力的合力應(yīng)該就是安培力。

師分析得很好！安培力就是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。設(shè)安培力為F安，洛倫茲力為F洛，做定向運動的自由電荷個數(shù)為N，即有F安=NF洛。

3.從宏觀到微觀。

歸納宏觀規(guī)律，探究微觀本質(zhì)，是物理學(xué)研究自然現(xiàn)象的重要方向，也是理解科學(xué)本質(zhì)的更高追求。第三“階”，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象到微觀分析，得出用左手定則判斷洛倫茲力方向與安培力方向，四指指向一致。

【教學(xué)片段3】

師既然安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，則說明安培力的方向與洛倫茲力的方向有什么關(guān)系？

生它們的方向相同。

師用左手定則判斷安培力的方向時，四指指向什么方向？

生四指指向通電導(dǎo)線電流的方向。

師那電流的方向與電荷定向運動的方向有什么關(guān)系？

生正電荷定向運動的方向與電流方向相同，負(fù)電荷定向運動的方向與電流方向相反。

師那如何判斷洛倫茲力的方向呢？

生因為洛倫茲力的方向與安培力的方向相同，所以也可以用左手定則。

師此時四指指向什么方向呢？

生四指指向正電荷定向運動的方向或負(fù)電荷定向運動的反方向，即判斷洛倫茲力與安培力時，四指指向相同。

4.理論推導(dǎo)。

為了使結(jié)論更加準(zhǔn)確，物理研究追求從定性分析到定量表達(dá)。第四“階”，引導(dǎo)學(xué)生通過理論推導(dǎo)，自主得出洛倫茲力大小的表達(dá)式。

【教學(xué)片段4】

師（出示圖4）如圖所示，設(shè)導(dǎo)線與磁場垂直、單位體積的帶電粒子數(shù)為n、帶電粒子定向運動的速度為v、導(dǎo)線的橫截面積為S，求在時間t內(nèi)通過截面a的總粒子數(shù)N。

生N=nSvt。

師設(shè)導(dǎo)線中每個帶電粒子的電荷量為q，則在時間t內(nèi)通過截面a的總電荷量Q——

生Q=qN=qnSvt。

師通過導(dǎo)線的電流I有多大？

生I=Qt=qnSv。

師設(shè)磁感應(yīng)強度的大小為B，則通電導(dǎo)線受到的安培力F安有多大？

生F安=BIL=B·qnSv·vt。

師由F安=NF洛可得F洛的表達(dá)式是什么？

（學(xué)生經(jīng)過推導(dǎo)，得出F洛=qvB。）

師若帶電粒子的速度v與磁場的夾角為θ，則洛倫茲力F洛的表示式是什么？

生可以把速度v分解為垂直磁場的速度vsinθ和平行磁場的速度vcosθ。平行磁場的速度產(chǎn)生平行磁場的等效電流，不會產(chǎn)生安培力，因此不會產(chǎn)生洛倫茲力;而垂直磁場的速度產(chǎn)生垂直磁場的等效電流，會產(chǎn)生安培力，因此會產(chǎn)生洛倫茲力，即有F洛=qvBsinθ。

5.針對性練習(xí)。

課堂練習(xí)，是鞏固物理概念的重要手段。通過練習(xí)，可以了解學(xué)生對物理概念的掌握情況。筆者在之前的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生使用洛倫茲力公式時，在夾角和速度部分錯得比較多。第五“階”，編制針對性練習(xí)，促使學(xué)生理解公式中的夾角與速度，即夾角是速度與磁場的夾角、速度是相對于磁場的速度。

練習(xí)1如圖5所示，已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，方向為垂直紙面向里。一個帶電量為q的正電荷，以大小為v、與水平方向夾角為θ的速度在勻強磁場中運動。求這個正電荷受到的洛倫茲力的大小和方向。

練習(xí)2如圖6所示，已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，方向水平向右。一個帶電量為q的負(fù)電荷，以大小為v、與豎直方向夾角為θ的速度在勻強磁場中運動。求這個負(fù)電荷受到的洛倫茲力的大小和方向。

練習(xí)3如圖7所示，汽車以v1=10 m/s速度水平向右運動，車廂里有磁感應(yīng)強度為B=2T的勻強磁場，方向為垂直紙面向里。一個帶電量為q=1C的正電荷，以v2=4 m/s的速度水平向右運動。求這個正電荷受到的洛倫茲力的大小和方向。

6.構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，意義建構(gòu)是整個學(xué)習(xí)過程的最終目標(biāo)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行意義建構(gòu)，就是幫助學(xué)生對當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容及其與其他學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系達(dá)到深刻理解。這種理解在大腦中的長期存儲形式是圖示結(jié)構(gòu)，也就是當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。第六“階”，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)（如下頁圖8所示），增強知識的關(guān)聯(lián)性，并提升遷移能力。

7.解釋生活實例。

在物理教學(xué)中聯(lián)系生活實際，不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，引導(dǎo)學(xué)生勤于觀察和積極思考，而且能讓學(xué)生運用所學(xué)的知識分析和解決問題，有利于學(xué)生提升物理概念的應(yīng)用能力，同時切身體會到科學(xué)、技術(shù)、社會之間的相互聯(lián)系與互動關(guān)系。第七“階”，讓學(xué)生解釋生活實例，讓“從生活中來”的物理概念又“回到生活中去”。

【教學(xué)片段5】

師（出示圖9）這是舊式電視機顯像管原理的俯視示意圖。若沒有磁場，電子束打在熒光屏上的什么位置？

生O點。

師要使電子束打在熒光屏上的A點，偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場的方向是——

生由左手定則可知，磁場方向應(yīng)垂直紙面向外。

師要使電子束打在熒光屏上的B點，偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場的方向是——

生垂直紙面向內(nèi)。

師要使電子束打在熒光屏上的位置由A點逐漸向B點移動，偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場應(yīng)該怎樣變化？

生位置從A點到O點，偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場方向始終垂直紙面向外，大小從某一數(shù)值逐漸變小為0;位置從O點到B點，偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場方向始終垂直紙面向內(nèi)，大小從0逐漸變大為某一數(shù)值。

師實際上，在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場，其方向、強弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的光點就像在不斷地移動。這在電視機技術(shù)中叫作掃描。電子束從最上面一行到最下面一行掃描一遍叫作一場。電視機每秒要掃描50場，從而將圖像呈現(xiàn)屏幕上。這也是我們感覺整個熒光屏都在發(fā)光的原因。

*本文系廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點課題“基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理教學(xué)關(guān)鍵問題的實踐研究”（編號：2017ZQJK038）的階段性研究成果。

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