借助物理課堂培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)初探

王麗姜

摘 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)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。物理課堂是實現(xiàn)物理學(xué)科課程目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要平臺。不同類型的課例，培養(yǎng)不同的核心素養(yǎng)。以高二物理魯科版選修3-1的“洛倫茲力及其應(yīng)用”為例，闡述如何在高中課堂上引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識的獲得過程，養(yǎng)成科學(xué)思維，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。在擁有物理觀念、科學(xué)思維的同時培養(yǎng)科學(xué)探究能力以及科學(xué)態(tài)度和社會擔(dān)當(dāng)。文章重點體現(xiàn)在課堂中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)，為廣大物理教師課堂設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任；科學(xué)前沿；物理學(xué)史；洛倫茲力及其應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）2-0005-5

1 核心素養(yǎng)培養(yǎng)與物理課堂的聯(lián)系

物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律。物理學(xué)基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。高中物理課程重在幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識自然、理解自然，建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景；引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)探究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實踐能力；引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)以及科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境（STSE）的關(guān)系，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價值觀，為做有社會責(zé)任感的公民奠定基礎(chǔ)[1]。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)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。物理課堂是實現(xiàn)物理學(xué)科課程目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要平臺[2]。

不同的課例，重點培養(yǎng)不同的核心素養(yǎng)。類似“機(jī)械運動、位移、速度、加速度、力、功、能量、沖量、動量”等概念課重在培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基礎(chǔ)認(rèn)識，主要包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念[1]。從知識層次，讓學(xué)生從物理學(xué)視角形成關(guān)于物質(zhì)、力、運動、做功與能量轉(zhuǎn)化等物理觀念。“力的合成、力的平衡、牛頓第二定律、牛頓第三定律、機(jī)械能守恒定律、動量守恒定律、磁場對電流的作用、楞次定律”等定律型課例則重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究過程，經(jīng)歷定律的獲得過程，在課堂上經(jīng)歷模擬的、微小的科研過程。學(xué)生分組實驗課更注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究過程?？茖W(xué)探究就像一個微型的科研過程，是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制定方案、獲取和處理信息等。

實際上每節(jié)物理課都可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生將知識遷移到實際應(yīng)用中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)課堂知識不僅僅用于做題和考試，更是為社會生活和科學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)，物理知識應(yīng)用于社會生活，提高了生產(chǎn)力，進(jìn)而改變生產(chǎn)關(guān)系。引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)知識與技術(shù)、社會和環(huán)境（STSE）的關(guān)系。有一些課例是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)的最佳平臺，如“牛頓第一定律、天體運動與萬有引力定律、人造衛(wèi)星、洛倫茲力及其應(yīng)用、電磁感應(yīng)定律以及原子物理部分”等課例。本文以“洛倫茲力及其應(yīng)用”為例詳細(xì)闡述這一觀點。

2 課堂教學(xué)設(shè)計案例“洛倫茲力及其應(yīng)用”

2.1 分析教材

從內(nèi)容地位來看，“洛倫茲力及應(yīng)用”在魯科版選修3-1第6章的第2節(jié)、第3節(jié)。課標(biāo)要求：通過實驗，認(rèn)識洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大?。涣私怆娮邮牌D(zhuǎn)原理以及在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。洛倫茲力在安培力之后學(xué)習(xí)，并且洛倫茲力在科研中有重要應(yīng)用，故此內(nèi)容有承上啟下的作用。高二的學(xué)生已經(jīng)學(xué)完牛頓經(jīng)典力學(xué)思維方式，思維能力發(fā)展已經(jīng)接近成熟。學(xué)生已經(jīng)學(xué)過安培力，學(xué)過電流是電荷的定向移動形成的，這些前概念都是學(xué)生學(xué)習(xí)這節(jié)課的理論基礎(chǔ)?！鞍才嗔Α边@節(jié)課適合重點培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，可以探究安培力的大小、方向，而“洛倫茲力及應(yīng)用”這節(jié)課則更適合充分利用學(xué)生的前概念，來引導(dǎo)學(xué)生探索新的問題，采用理論推測與實驗驗證相結(jié)合的辦法，來進(jìn)一步提升學(xué)生的思維能力。

2.2 詳細(xì)教學(xué)過程

引入（展示歷史）：1897年劍橋大學(xué)的卡文迪許實驗室的湯姆遜將陰極射線引入磁場，確定射線是帶電粒子流，電性為負(fù)，并測定其比荷，命名為電子。電子比最小的原子還小，打破了原子不可分的思想，被授予諾貝爾物理獎。

提出第一個問題Q1：運動電荷在磁場中是否受到力的作用呢？

學(xué)生猜測：會。理由是電流在磁場中受安培力的作用，而電流是電荷定向移動形成的。

教師引導(dǎo)建立電流的微觀模型，電流在磁場中會受到安培力的作用，而電流是電荷的定向移動形成的。從邏輯上推測每個運動電荷都會受到力的作用，我們的推測是否正確呢？下面請大家看一個演示（此處設(shè)計體現(xiàn)建立微觀模型以及理論推測與實驗驗證并行的科學(xué)思維，如圖1）。

2.2.1 演示實驗一：陰極射線管

1.儀器介紹：玻璃管內(nèi)抽成了真空，并將其左右兩極接高壓電源，陰極發(fā)射電子，擋板上有一個扁平狹縫，電子被加速，飛向陽極，通過狹縫形成一個扁平電子束。長條形的熒光板在陽極端稍傾向軸線，電子束射到熒光屏上，間接顯示出軌跡。

2.看到現(xiàn)象：沒有加磁場，觀察到的是直線軌跡。加磁場后，觀察到軌跡彎曲。

這說明什么？說明運動的電子受到磁場對它的作用。1895年荷蘭物理學(xué)家洛倫茲推導(dǎo)出此力，并將其定義為洛倫茲力。（板書：“1.定義：運動電荷在磁場中受力稱為洛倫茲力。”）

Q2：洛倫茲力與安培力有關(guān)聯(lián)嗎？

學(xué)生1猜測：多個洛倫茲力總和為安培力，理由是多個電荷形成電流；學(xué)生2頻頻用左手比劃，試圖尋求方向上的關(guān)聯(lián)。

教師：老師留意到有同學(xué)用左手在研究方向，發(fā)現(xiàn)什么？

學(xué)生：方向似乎不一樣？

教師：有關(guān)聯(lián)嗎？有何不同？（質(zhì)疑的態(tài)度）

學(xué)生：好像相反。

其他學(xué)生：電子向右運動，形成向左的電流，四指應(yīng)當(dāng)指向左邊，這樣就吻合了。

2.2.2 理論研究洛倫茲力大小

設(shè)定情境：假設(shè)導(dǎo)線長為L，橫截面積為S，其單位體積內(nèi)的電荷數(shù)為n，每個電荷的電量為q，電荷定向運動的速度為v，陰影部分導(dǎo)線內(nèi)電荷數(shù)為N。

思維引導(dǎo)：首先建立微觀模型（如圖2）。

4.1930年狄拉克在理論上預(yù)言正電子的存在，1932年美國物理學(xué)家安德森將宇宙射線通過加強(qiáng)磁場的云室，發(fā)現(xiàn)其軌跡與電子吻合，但偏轉(zhuǎn)方向相反。不久約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)相同現(xiàn)象。

正電子的發(fā)現(xiàn)證明了反物質(zhì)的存在。1955年，塞格雷和錢伯林觀測到反質(zhì)子的存在。

5.華裔科學(xué)家、1976年諾貝爾獎獲得者、洛倫茲獎?wù)芦@得者丁肇中先生于1965年發(fā)現(xiàn)反氘核。1998年，丁肇中先生攜眾科學(xué)家（其中有200多位中國科學(xué)家），將大型磁譜儀利用飛船帶入國際空間站，沐浴著宇宙射線。利用宇宙射線在強(qiáng)磁場中偏轉(zhuǎn)，尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)的來源。

2013年發(fā)現(xiàn)太空中有大量的正電子，這些正電子的來源很可能是暗物質(zhì)碰撞所產(chǎn)生的。2017年該磁譜儀在太空中已經(jīng)收集到超過1000億宇宙射線事件，其結(jié)果改變了人類對宇宙的認(rèn)識。

6.2018年8月?lián)ㄐ律鐖蟮溃?018-8月-28日），歐洲的對撞機(jī)有了新的發(fā)現(xiàn)，對撞出了常見的“希格斯粒子”玻色子的“衰變”測量。觀測到底夸克耦合，就是底夸克與反底夸克對的生成，讓今后發(fā)現(xiàn)耦合新粒子——超對稱粒子成為了探究、探索的標(biāo)的。歐洲強(qiáng)子對撞實驗中心，利用加速后的強(qiáng)子碰撞，產(chǎn)生一連串粒子，在這些粒子中科學(xué)家想要尋求最為初始的基本粒子——希格斯玻色子。希格斯玻色子不帶電，也不穩(wěn)定，它快速衰變成四個介子。介子是一種重電子。通過磁場偏轉(zhuǎn)徑跡測量其動量和電性，還原衰變過程。在粒子對撞機(jī)里，兩道粒子束被加速到非常高的能量，然后在粒子探測器里相互碰撞，有時候異乎尋常地會因此生成產(chǎn)物——希子。但是，希子在生成后會在非常短暫的時間內(nèi)發(fā)生衰變。結(jié)論：從1895年至今，探測帶電粒子電性、確定比荷的方法一直都是將帶電粒子射入強(qiáng)磁場中，觀測偏轉(zhuǎn)方向和軌跡。你們的學(xué)長們現(xiàn)在正在歐洲強(qiáng)子對撞中心做粒子物理研究，同學(xué)們加油！

3 剖析課堂，滲透核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

3.1 物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基礎(chǔ)認(rèn)識，主要包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念[1]。從知識層次，讓學(xué)生從物理學(xué)視角，形成關(guān)于物質(zhì)、力、運動、做功與能量轉(zhuǎn)化等物理觀念，學(xué)習(xí)洛倫茲力的定義、方向、大小、做功及受洛倫茲力作用下的運動情況，引導(dǎo)學(xué)生能用物理學(xué)的視角解釋自然現(xiàn)象，如極光現(xiàn)象等。

3.2 科學(xué)思維滲透

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，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[1]。本節(jié)課首先將學(xué)生已認(rèn)知的宏觀通電導(dǎo)體放大到微觀層面，建立微觀模型，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)通過原始問題構(gòu)建模型的科學(xué)思維方法。接著授課引導(dǎo)學(xué)生體驗理論猜測與實驗驗證相結(jié)合的科研方法。

第一次使用該方法：通過理論猜測電流在磁場中受力，電荷定向移動形成電流，所以運動電荷在磁場中受力，再結(jié)合陰極射線管演示實驗，驗證理論推測并確定洛倫茲力的定義。

第二次使用該方法：通過安培力與洛倫茲力的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)洛倫茲力的大小，推理得到粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場僅受洛倫茲力的作用將做勻速圓周運動，理論上推得圓周半徑與v、B及m/q有關(guān)。結(jié)合洛倫茲力演示儀器，理論猜測與實驗現(xiàn)象互相印證。

3.3 利用科學(xué)前沿和物理學(xué)史滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、認(rèn)識科學(xué)技術(shù)社會環(huán)境的基礎(chǔ)上逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力[1]。整節(jié)課學(xué)習(xí)即將接近尾聲，將洛倫茲力在歷史長河中的應(yīng)用按時間順序展示出來（如圖4）。從1895年洛倫茲定義并推導(dǎo)出洛倫茲力到2018年，從國外科學(xué)家到中國科學(xué)家到身邊的學(xué)長，拉近科研與學(xué)生的關(guān)系。讓高二的學(xué)生在學(xué)習(xí)這節(jié)課之后，發(fā)現(xiàn)從1895年至今，探測帶電粒子電性、確定比荷的方法一直都是將帶電粒子射入強(qiáng)磁場中，觀測偏轉(zhuǎn)方向和軌跡。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系，感受到課堂與前沿科學(xué)緊密相關(guān)，激勵學(xué)生的社會責(zé)任感，積極投身國家的科研事業(yè)。讓學(xué)生明白發(fā)現(xiàn)規(guī)律、尊重規(guī)律、應(yīng)用規(guī)律的意義，明白物理走向社會的必要性，激發(fā)學(xué)習(xí)動力與可持續(xù)學(xué)習(xí)的內(nèi)在潛力，引導(dǎo)部分學(xué)生投身于科學(xué)研究工作中。

同樣的設(shè)計理念還可以在“加速器”這節(jié)課中體現(xiàn)，課程以科學(xué)前沿引入：自1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子開始，時至今日，在一個多世紀(jì)的時間里 ，人類一直孜孜不倦地探索著微觀世界的奧秘。高能物理學(xué)家在找新粒子時，用很高能量的粒子充當(dāng)“微型炮彈”轟擊原子核，把粒子“撞壞”、打開，逐漸發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、 中子、 夸克。引導(dǎo)學(xué)生面對原始問題“從物理學(xué)角度，如何加速帶電粒子？”學(xué)生利用已有的知識一步步設(shè)計出直線加速器和回旋加速器。設(shè)計的過程遇到問題，逐一解決，實現(xiàn)思維能力的提升。最后向?qū)W生展示“科學(xué)前沿”，美國費米國家實驗室、歐洲核子研究中心。諾貝爾物理獎獲得者費米曾在1954年提出環(huán)繞地球建一臺加速器的設(shè)想，稱為費米的夢，其能量可達(dá)數(shù)千TeV。展示“中國人的夢想”，沿我們的萬里長城建一臺加速器，其能量可達(dá)134 TeV。提出建造更高能量的加速器是擺在科學(xué)家和工程技術(shù)人員面前的重要課題，是同學(xué)們的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)在高中課堂上培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有兩個很好的素材，它們是與本節(jié)課相關(guān)的物理學(xué)史以及科技前沿。我們在設(shè)計教學(xué)過程時，可以有意識地、有效地將素材添加進(jìn)來?？茖W(xué)前沿能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)物理不再是解題而已，而是學(xué)習(xí)物理知識與社會、技術(shù)、科研之間的聯(lián)系。物理學(xué)史是人類對于各種自然現(xiàn)象的認(rèn)識史，它描述了物理學(xué)的各種思想方法的發(fā)展和演化過程。加強(qiáng)物理學(xué)史教育有利于學(xué)生系統(tǒng)、全面地了解物理學(xué)的發(fā)展，并深刻認(rèn)識到人類對于世界探索和發(fā)現(xiàn)的漫長且艱巨的過程，從而激發(fā)學(xué)生對于物理學(xué)習(xí)的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感和使命感，開始渴望探索那些不為人知的新世界。其次，物理學(xué)史教育還包含物理學(xué)家對于科學(xué)世界奧秘的刻苦鉆研與艱辛探索的過程[3]。物理學(xué)史中蘊含前人的智慧、科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度。讀史使人明智，將歷史還原重演，引導(dǎo)學(xué)生面對原始問題，身臨其境參與問題的解決過程。這樣的設(shè)計類似兩檔出色的節(jié)目《一本好書》及《國家寶藏》，這樣的方式符合青少年的認(rèn)知習(xí)慣，學(xué)生習(xí)得知識的同時經(jīng)歷了知識的獲得過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，關(guān)鍵是科學(xué)情懷和素養(yǎng)的養(yǎng)成。

我們的學(xué)生中有投身物理科研，在歐洲強(qiáng)子對撞中心做高能粒子研究的，也有做證券交易的，各式各樣的職業(yè)都有。物理對于學(xué)生而言，關(guān)鍵是培養(yǎng)思維能力，這些能力是通用的，為將來從事的事業(yè)奠定基礎(chǔ)。我們應(yīng)當(dāng)在每一節(jié)課中落實育人目標(biāo)，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感。激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在求知欲，逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生懂得尊重規(guī)律并應(yīng)用規(guī)律，激發(fā)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力和社會責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陸良榮.滲透物理學(xué)史教育 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（21）：1-3.

（欄目編輯 趙保鋼）