嘗試優(yōu)化探究教學(xué)路徑，深度建立磁感應(yīng)強度概念
——以“磁感應(yīng)強度”教學(xué)為例

施 堅

(江蘇省梁豐高級中學(xué)，江蘇 張家港 215600)

概念教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)理論與實踐中的一個經(jīng)典課題，重視基本概念教學(xué)也是我國中學(xué)物理教學(xué)的重要傳統(tǒng)，但如何講清相關(guān)物理概念卻往往又是一個繞不開的教學(xué)難點.

1 物理概念及其講清標(biāo)準(zhǔn)

物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特性在人們頭腦中的反映，是對物理現(xiàn)象、物理過程抽象化和概括化的思維形式.

對于物理概念教學(xué)，歷史上的諸多學(xué)者都提出了教學(xué)中需要遵循的要點.北師大閻金鐸教授將講清物理概念的標(biāo)準(zhǔn)歸結(jié)為一句話“講清概念的來龍去脈”，并作了5點闡釋，如表1所示.

表1 講清物理概念的標(biāo)準(zhǔn)

而今，我國高中課程改革已實現(xiàn)了從2003版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)》的“三維目標(biāo)”到2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(修改稿)》的“核心素養(yǎng)”的跨越，物理核心素養(yǎng)是對物理課程基礎(chǔ)教育目標(biāo)的一種升華，物理觀念更是居于物理核心素養(yǎng)的首位.“物理觀念”屬于大概念的范疇，如何讓學(xué)生把零散的知識形成物理觀念，是教學(xué)中的難點，也是廣大教師的困惑點.筆者在人教版選修3-1“磁感應(yīng)強度”概念教學(xué)中，嘗試優(yōu)化探究進行路徑，深度建立磁感應(yīng)強度概念，從而幫助學(xué)生形成相關(guān)物理觀念.

2 “磁感應(yīng)強度”教學(xué)設(shè)計的改進路徑

磁感應(yīng)強度是電磁學(xué)的基本概念之一，磁場與電場一樣，看不見摸不著，而且對電流的作用力明顯要比電場對電荷的作用力復(fù)雜一些，尋找并定義一個描述磁場強弱和方向的物理量是教學(xué)的一個難點，而在概念建立過程中貫穿滲透相關(guān)物理學(xué)思想和方法同樣不可或缺.鑒于此，課堂通過豐富學(xué)生對感性材料的積累，創(chuàng)設(shè)問題化教學(xué)情境，強化學(xué)生對物理知識和情境的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生在情境中進行體驗、感悟，促進思維活動的發(fā)生.

2.1 創(chuàng)設(shè)導(dǎo)入情境，引入類比思想

教師引導(dǎo)：磁體、通電導(dǎo)線可以發(fā)生相互力的作用，發(fā)生的機理是因為磁體和通電導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場.并演示2個小實驗.

(1) 有一盒回形針，一次放入一塊體積較大的馬蹄形磁鐵，另一次放入一塊體積較小的圓柱形強磁鐵，放進去拿出來，后者吸引起的回形針數(shù)目明顯偏多.

(2) 一個導(dǎo)線框通過導(dǎo)線與干電池組、滑動變阻器、電流表、電鍵等連成一個回路(如圖1)，并底邊垂直處于一塊馬蹄形磁鐵(小)的兩極之間，接通電路，導(dǎo)線框偏過一個角度……換塊馬蹄形磁鐵(大)，接通電路，實驗現(xiàn)象：偏角大多了，兩次導(dǎo)線框擺動幅度差異明顯.

圖1

學(xué)生在教師引導(dǎo)下得出：回形針和通電導(dǎo)線都受力了，而且數(shù)目和偏角的不同說明受力大小不一樣，但應(yīng)該和磁體體積大小不是必然關(guān)系，應(yīng)該是跟磁鐵的磁性強弱有關(guān).

教師啟發(fā)學(xué)生：磁鐵周圍有磁場，而且磁場應(yīng)該有強弱之分，但磁場看不見摸不著，這一特點和電場一致，因此，不妨借鑒電場強度的建立過程來定義磁場強弱對應(yīng)物理量.

圖2

學(xué)生回憶：如圖2，如果要知道一個點電荷周圍某處的電場有多強，可以在該點(比如點A)放置試探電荷，分析試探電荷的受力情況，發(fā)現(xiàn)并非受力越大就一定對應(yīng)電場強度越大，而應(yīng)該分析所受電場力與電荷量的比值E=F/q，即電場強度，它與試探電荷及其受到的電場力無關(guān)，只與電場本身有關(guān)，方向同于放入其中的正電荷所受電場力的方向，定義過程用到了比值法定義.

教師說明：電場和磁場都是場，與電場強度相對應(yīng)，我們本可以把描述磁場強弱的物理量叫做磁場強度，但歷史上磁場強度已經(jīng)用來表示另一個物理量，因此，物理學(xué)中用磁感應(yīng)強度來描述磁場的強弱.

學(xué)生進行類比：和電場類比，也可以借助一個類似試探電荷的某個試探物，通過它在磁場中受力來間接反映磁場的強弱，包括方向.

設(shè)計意圖：將生活中的物理教育資源與書本上的物理學(xué)理論知識融通起來，使學(xué)生已有生活經(jīng)驗在問題情境中或得到回想，或產(chǎn)生矛盾、引發(fā)認(rèn)知沖突.另外，學(xué)生在初中已初步了解通電導(dǎo)體在磁場中受力的相關(guān)知識，借助與電場知識的類比，進一步促進學(xué)生探尋磁場與電場之間的關(guān)聯(lián)，深化對場的認(rèn)識和理解.

2.2 引入試探磁體，定義磁場方向

教師啟發(fā)學(xué)生：選擇的試探磁體要簡便且常見，比如小磁針.

教師演示說明并啟發(fā)學(xué)生思考：一個小磁針在一根條形磁鐵的磁場作用下，標(biāo)有紅色箭頭的N極在多次晃動后最終具有穩(wěn)定的指向，物理學(xué)上規(guī)定小磁針靜止時N極的指向，或者說小磁針N極的受力方向，即為該處磁場的方向(磁感應(yīng)強度的方向).

(1) 若改變小磁針相對磁鐵的位置，小磁針靜止時N極的指向會否改變？(實驗現(xiàn)象：N極指向改變)

(2) 如何同時描述磁鐵周圍多處磁場的方向？(學(xué)生：在磁鐵周圍多處放置小磁針)

兩個小實驗說明，條形磁鐵的磁場中不同位置的磁場方向(即磁感應(yīng)強度方向)往往不同.

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如果把小磁針拿掉，該點的磁感應(yīng)強度的方向不受影響，因為小磁針只是試探磁體(類比電場里的試探點電荷)；如果把條形磁鐵拿掉，該點的磁場消失，沒有對應(yīng)的磁感應(yīng)強度方向，因為條形磁鐵是產(chǎn)生磁場的磁體(場源磁體).

設(shè)計意圖：通過實驗來探究磁場方向，回答相關(guān)磁場方向的問題串，可以讓學(xué)生對于磁感應(yīng)強度用來描述磁場本身的性質(zhì)有了第一次形象化的認(rèn)識，同時也為后面探究磁感應(yīng)強度的大小作了重要鋪墊，也讓學(xué)生感受了物理概念是從同一類物理現(xiàn)象中概括和抽象出來的，反映了物理研究對象的本質(zhì)屬性和內(nèi)在聯(lián)系，固有、客觀的存在著.

2.3 活用類比遷移，提煉電流元概念

教師啟發(fā)學(xué)生：研究磁感應(yīng)強度的大小同樣可以采用類比法，類比電場強度，通過類似試探電荷的試探磁體在磁場中的受力來間接體現(xiàn)，自然優(yōu)選考慮小磁針，但小磁針無論大小總是有N、S兩個極，不可能單獨測量N極受到的磁場力，也就不可能確定磁感應(yīng)強度.

教師再次啟發(fā)：磁場除開對磁鐵(小磁針)會有磁場力的作用，還可以對通電導(dǎo)線可以有磁場力的作用，不妨嘗試引入試探電流，并再次類比試探電荷，即磁場中放入的試探電流也應(yīng)該長度很短，電流也不能太大，即電流元，它由電流I與長度L的乘積組成，即IL，是一個理想模型.

教師說明“以勻代變”思想方法：在實際實驗中，考慮到無論是實驗效果的可視性，還是以勻代變“極限思想”的可行性，一般仍然使用相對長一些的通電導(dǎo)線，那么要用該導(dǎo)線及其受力來描述它所處的各處磁場的強弱，需要處處磁場強弱程度(或者說磁感應(yīng)強度)均相等，即勻強磁場，比如馬蹄形磁鐵兩極間、兩塊平行的平板磁鐵間等，除磁極邊緣外，兩極間磁場通常均可認(rèn)為是勻強磁場.

設(shè)計意圖：提煉“電流元”這個概念，必須從學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)出發(fā)，注重類比和概念的邏輯性，借助點電荷的類比來實現(xiàn)概念間的有效聯(lián)結(jié).為了定義磁感應(yīng)強度的大小，從研究小磁針的N極受到磁場力大小的測量的不便利性，到通電導(dǎo)線(電流元)受到的磁場力能否用來間接體現(xiàn)各處磁感應(yīng)強度大小的定性實驗探究，再到后續(xù)擬通過定量探究得出磁感應(yīng)強度與通電電流元及其所受磁場力的比值關(guān)系式.這個逐步生成概念的過程需要一定的教學(xué)時間，但這符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，更接近學(xué)生的思維最近發(fā)展區(qū).

2.4 “定性→定量”實驗，顯化磁感應(yīng)強度大小公式得出過程

教師啟發(fā)學(xué)生：影響通電導(dǎo)線或者說試探電流元受磁場力的可能的因有很多，比如光照、溫度，等等，相對最有可能的因素是導(dǎo)線的長度(有效長度L)，電流I，磁場的磁感應(yīng)強度B，甚至還有導(dǎo)體棒在磁場中的放置方向，為了研究的方便，本節(jié)課用的磁場是勻強磁場，導(dǎo)體棒放置的方向與磁場垂直.這樣，僅討論可能因素主要有導(dǎo)線的長度(有效長度L)，電流I，磁場，并可以使用控制變量法來設(shè)計一個定性判斷磁感應(yīng)強度大小的實驗方案：控制電流強度一定，改變磁場內(nèi)導(dǎo)體棒長度，看導(dǎo)體棒擺動幅度；控制磁場內(nèi)導(dǎo)體棒長度一定，改變電流強度，看導(dǎo)體棒擺動幅度.

教師繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生：改變電流強度，只要利用馬蹄形(多組)和導(dǎo)體棒(或線圈)、電源、滑動變阻器、導(dǎo)線、電鍵等實驗裝置組成串聯(lián)電路，并分別調(diào)節(jié)滑動變阻器至不同阻值后接通電路，看導(dǎo)體棒擺動幅度.而改變磁場內(nèi)導(dǎo)體棒長度，可以有兩種實驗方案：

(1) 可以并排放置完全相同的磁鐵分別1塊、2塊、3塊……(教師投影方案1，如圖3).

(2) 采用各種匝數(shù)的方形繞制線圈(教師投影方案2，如圖4).

圖4

由全班分成兩組分別完成上述兩個方案的實驗，效果明顯并得出結(jié)論：在同一磁場中，若使導(dǎo)線與磁場方向保持垂直，當(dāng)電流I一定時，導(dǎo)線長度L越長，受磁場力F越大；當(dāng)導(dǎo)線長度L一定時，電流I越大，受磁場力F越大.

教師再次啟發(fā)學(xué)生：磁場力F是否隨著I和L增大而分別線性增大，還需要進行定量研究，即分別測出相關(guān)的電流I、有效長度L和磁場力F，對應(yīng)的實驗器材分別是：電流表或者靈敏電流計，刻度尺，彈簧測力計，并由學(xué)生設(shè)計給出圖5實物連線.

圖5

教師演示自制教具并說明(如圖6)：為了精確測定磁場力，可以使用力傳感器，電流I、磁場力F均可通過傳感器直接顯示，導(dǎo)體的有效長度采用方案2，中間放置了一個多抽頭線圈，分別在20匝、40匝、60匝、80匝設(shè)置抽頭(即N匝線圈有效長度為NL)，而兩塊完全相同的平板強磁鐵豎直放置即可在兩者之間形成水平的勻強磁場.這樣線圈對傳感器的拉力即為線圈自重及其4種匝數(shù)情況下分別受到的磁場力(實際操作時，線圈自重對線圈的拉力可以校準(zhǔn)為0，這樣拉力傳感器示數(shù)即為磁場力).

教師演示并說明：連上電源、滑動變阻器、數(shù)據(jù)采集器，讓導(dǎo)線與磁場方向垂直，控制電流強度一定，改變磁場內(nèi)導(dǎo)體棒長度，即分別接20匝、40匝、60匝、80匝的抽頭，讓學(xué)生記錄數(shù)據(jù)(表1)，后續(xù)教師根據(jù)數(shù)據(jù)繪制EXCEL圖線(如圖7，F(xiàn)-n圖像，n為線圈匝數(shù)).再控制磁場內(nèi)導(dǎo)體棒長度一定(80匝)，改變電流強度，記錄數(shù)據(jù)(表2)，繪制EXCEL圖線(如圖8，F(xiàn)-I圖像).

表1 控制電流強度一定，改變磁場內(nèi)導(dǎo)線長度

圖8 F-I圖像(L一定時)

學(xué)生總結(jié)實驗結(jié)論：磁場內(nèi)通電導(dǎo)線長度L一定時，磁場力F與導(dǎo)線內(nèi)電流強度I成正比；導(dǎo)線內(nèi)電流強度I一定時，磁場力F與通電導(dǎo)線長度L成正比.

教師啟發(fā)學(xué)生：磁場力F既與電流I成正比，也與有效長度L成正比，那么磁場力F與IL的乘積成正比，表達(dá)式即為F∝IL，或者F=BIL，B為F與IL的比例系數(shù)，而且可根據(jù)圖7F-n圖像中的趨勢線1(b)的斜率、圖8中F-I圖像可判斷為一個定值.

教師補充說明并引導(dǎo)學(xué)生：老師在課前還做了一個實驗，如果在兩塊平板磁鐵基礎(chǔ)上再分別貼上完全相同的平板磁鐵，發(fā)現(xiàn)比例系數(shù)更大了，而且根據(jù)圖7中F-n圖像中的趨勢線2(a)的斜率可判斷仍為一個定值.這個系數(shù)應(yīng)該反映了磁場的強弱，即磁感應(yīng)強度.

教師說明概念內(nèi)涵、外延和物理含義等：系數(shù)B=F/IL(成立條件：需磁場與通電導(dǎo)線垂直)，即磁感應(yīng)強度，與F、L、I無關(guān)，由磁場本身決定，表征了磁場的強弱本質(zhì)屬性，矢量，方向為該處小磁針N極受力方向.在國際單位制中，B的單位是特斯拉(T)，是為了紀(jì)念美國著名的電氣工程師特斯拉而命名的，1 T=1 N/(A·m)，即若通以1 A電流的某1 m長的導(dǎo)線放置在與之垂直的勻強磁場受到1 N的磁場力，則該勻強磁場磁感應(yīng)強度為1 T.投影圖8，介紹一些常見磁場的磁感應(yīng)強度.另外，值得注意的是，B=F/IL雖然是由通電導(dǎo)線垂直放置在勻強磁場中受力推導(dǎo)得出的，但在取電流元的情況下，也可用于判斷非勻強磁場中各處的磁感應(yīng)強度的大小，即借鑒了極限的思想.

圖9

設(shè)計意圖：教材中的演示實驗“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”是定性研究，自制教具對實驗裝置做了創(chuàng)新改進，實現(xiàn)定量探究磁場力，并分析實驗數(shù)據(jù)，運用比值定義法得出磁感應(yīng)強度B的定義式.這樣的教學(xué)安排，可以讓學(xué)生體會到物理概念來源于實踐，但卻高于實踐.物理概念的形成與人的感性經(jīng)驗內(nèi)容有關(guān)，但是物理概念又不能從感性經(jīng)驗邏輯地推導(dǎo)出來，需要與具體的客體和科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程密切聯(lián)系起來，但又超越了具體的客體和過程并進行提煉和升華.

2.5 梳理總結(jié)，關(guān)聯(lián)提升

新課結(jié)束后，需要及時回顧磁感應(yīng)強度概念建立的思路，除開與電場強度概念多次巧妙地進行“類比遷移”，還應(yīng)用了物理量的“比值定義”、多因素“變量控制”、以勻代變的“極限思想”等思想方法，尤其是比值定義法來建立概念這一重要途徑及其涵義，可以讓學(xué)生對磁感應(yīng)強度有一個全面和整體的認(rèn)識，深刻理解其內(nèi)涵.具體回顧分析流程圖如圖10所示.

圖10

磁感應(yīng)強度概念建立過程，甚至還可以啟發(fā)學(xué)生進行思考與討論：能否類似電場強度或磁感應(yīng)強度兩個概念的建立來建立重力場強度？即啟發(fā)學(xué)生學(xué)會間接地描述各種場強的根本方法，幫助學(xué)生對“場”這類特殊物質(zhì)建立系統(tǒng)的認(rèn)識，形成物理觀念，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

3 教學(xué)反思

由于課時的限制，經(jīng)歷了“類比—定性—定量”來建立磁感應(yīng)強度概念的過程，必定要壓縮其他一些值得深入探討或者另外方式進行探究的環(huán)節(jié).比如“試探磁體”和“電流元”的概念，也可以通過實驗探究來生成，可以先用大磁針放在相對較小的U形磁鐵周圍，判定磁場方向的不便性和不精確性凸顯后，教師再換用小磁針，學(xué)生在直接的感性認(rèn)識基礎(chǔ)上，自然會想到為了精確測定磁場中某點的磁場方向，小磁針應(yīng)該越小越好，即理想化模型，有了這個鋪墊，再過渡到探究磁感應(yīng)強度大小中的電流元模型，顯得水到渠成.

當(dāng)然，根據(jù)中學(xué)生的思維特點和學(xué)習(xí)能力，一個完整物理概念的形成需要一個發(fā)展過程，具有階段性.緊扣閻金鐸先生講清物理概念來龍去脈的五點闡釋標(biāo)準(zhǔn)，這本身就已經(jīng)是在強調(diào)一種微觀的順序性與階段性.