磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的高端備課

魯雨睛 劉宇洋

【摘要】針對(duì)磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力教學(xué)在實(shí)踐中的不足，從物理教學(xué)生態(tài)化、學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、教學(xué)圖片選取等方面進(jìn)行高端備課研究，完善教學(xué)，力圖為高中磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的教學(xué)開辟一條新道路。

【關(guān)鍵詞】高端備課? 磁場(chǎng)? 運(yùn)動(dòng)電荷? 洛倫茲力

【中圖分類號(hào)】G42 ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）32-0098-02

“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”是一節(jié)關(guān)于磁場(chǎng)性質(zhì)的課，它在深化學(xué)生對(duì)安培力的本質(zhì)理解的同時(shí)，也為學(xué)生學(xué)習(xí)“帶電體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)”奠定基礎(chǔ)。因此對(duì)高中“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”的教學(xué)進(jìn)行深入研究具有重要意義。

一、人教版高中物理教材分析

“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”是人教版物理選擇性必修二第一章第2節(jié)的內(nèi)容。圍繞磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，即洛倫茲力展開探討。教材中首先演示“電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”的實(shí)驗(yàn)，探究發(fā)現(xiàn)“電子束收到磁場(chǎng)的力的作用，徑跡發(fā)生了彎曲”，由此提出洛倫茲力的物理概念，并利用左手定則判斷洛倫茲力的方向，然后由安培力表達(dá)式推導(dǎo)得出洛倫茲力的表達(dá)式，最后介紹電子束的磁偏轉(zhuǎn)的應(yīng)用——顯像管電視機(jī)，探究并分析顯像管原理。

以高端備課的視覺對(duì)教材進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)教材存在一些有待商榷的地方[1]，主要包括以下三個(gè)方面：

首先，教材借助演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象以此引入新課，然而以“電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”演示實(shí)驗(yàn)為教學(xué)引入的實(shí)際效能較低，該實(shí)驗(yàn)雖能讓學(xué)生觀察到“電子束收到磁場(chǎng)的力的作用，徑跡發(fā)生了彎曲”，但卻弱化了學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中物理問題的能力，學(xué)生的思考與學(xué)習(xí)從生活中抽離，并不能有效激發(fā)學(xué)生的探究欲望與學(xué)習(xí)興趣。因此如何設(shè)計(jì)教學(xué)導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生從生活中探究“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用”是教學(xué)的關(guān)鍵。其次，教材中關(guān)于洛倫茲力表達(dá)式推導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容編寫不當(dāng)，教材中直接拋出“我們是否可以由安培力的表達(dá)式推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式？”這一問題未遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，該問題限制了學(xué)生的思考范圍，弱化了學(xué)生自主探究“安培力與洛倫茲力之間關(guān)系”的能力。因此，對(duì)于如何設(shè)計(jì)洛倫茲力關(guān)系式的推導(dǎo)，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生自主探究能力與科學(xué)態(tài)度是接下來(lái)高端備課所要探究的重要問題之一。最后，教材中顯現(xiàn)管原理示意圖過(guò)于簡(jiǎn)單化，未突出關(guān)鍵因素，不能具體體現(xiàn)偏轉(zhuǎn)線圈的構(gòu)造，而這個(gè)偏轉(zhuǎn)區(qū)是發(fā)生電子束的磁偏轉(zhuǎn)的重要區(qū)域。教材所展示的圖片資源只能幫助學(xué)生表面認(rèn)識(shí)顯像管，影響學(xué)生應(yīng)用“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷”的知識(shí)分析顯示管原理，使得高中磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)從物理走向社會(huì)。本文也將以此為突破點(diǎn)，對(duì)教材與教學(xué)中圖片資源的選取進(jìn)行研究。

二、高中磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的高端備課

（一）教學(xué)起點(diǎn)生活化，物理建模彰顯魅力

通過(guò)創(chuàng)設(shè)生活化物理情境，有助于激發(fā)學(xué)生的探究欲，喚起學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生自主探究與學(xué)習(xí)的能力，并使學(xué)生能夠?qū)W以致用。筆者接下來(lái)將以生活實(shí)例作為“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”這一節(jié)課的引入進(jìn)行深入探討。

教學(xué)引入部分展示極光的照片或視頻，美麗的極光能很好地吸引學(xué)生，教師在簡(jiǎn)單介紹極光后引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)其產(chǎn)生的原因，學(xué)生嘗試用所學(xué)的知識(shí)去進(jìn)行解說(shuō)，可有效激起學(xué)生發(fā)現(xiàn)與探究物理現(xiàn)象的欲望。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)法用已有知識(shí)去解釋極光現(xiàn)象時(shí)，教師鼓勵(lì)學(xué)生利用電子射線管和高壓電源模擬太陽(yáng)的高能帶電粒子流，用磁鐵模擬地球磁場(chǎng)，進(jìn)行“電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)室內(nèi)“極光”[2]。以生活化的物理現(xiàn)象——極光現(xiàn)象作為本節(jié)課的引入，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。此外，以物理建模的形式展現(xiàn)室內(nèi)“極光”，降低了學(xué)生的思維梯度，使得他們?cè)谥饾u認(rèn)識(shí)“當(dāng)太陽(yáng)的高能帶電粒子流（太陽(yáng)風(fēng)）進(jìn)入了地球磁場(chǎng)產(chǎn)生了極光”這一物理現(xiàn)象的同時(shí)，也強(qiáng)化了他們對(duì)洛倫茲力的認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)，還有助于對(duì)學(xué)生模型等效轉(zhuǎn)換思想的培養(yǎng)，大幅度提升了“電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)”實(shí)驗(yàn)演示在教學(xué)中的效能，彰顯了物理的獨(dú)特魅力。

（二）科學(xué)探究開放化，自主學(xué)習(xí)抓本質(zhì)

抓住關(guān)鍵，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)把握物理問題的本質(zhì)。結(jié)合極光，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行分析：整個(gè)粒子流相當(dāng)于受到了地球磁場(chǎng)的安培力作用，而極光中的每個(gè)電子粒也都會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，也就是洛倫茲力。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)”，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考其中的一個(gè)電子粒受到的洛倫茲力的大小是多少。及時(shí)搭橋，播放電子流受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的微觀視頻，類比極光與一個(gè)電子粒，繼續(xù)以宏觀、微觀為切入點(diǎn)探究每個(gè)電子粒的受力大小，進(jìn)行開放性問題探究。[3]對(duì)于一束電流，學(xué)生會(huì)寫出電流或安培力的表達(dá)式，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試從宏觀、微觀角度分析安培力表達(dá)式，扣住“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)”的規(guī)律，并計(jì)算得出每個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力的大小。以開放性問題探究展開，直接引導(dǎo)學(xué)生利用安培力表達(dá)式推導(dǎo)洛倫茲力表達(dá)式，將有助于學(xué)生的觀察、類比分析與總結(jié)，與生活實(shí)際的巧妙結(jié)合，及時(shí)搭橋，更有助于學(xué)生自主建構(gòu)、把握物理問題的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)極光、電子束中的“宏觀——微觀”，拋開教材中的公式推導(dǎo)指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生分組合作進(jìn)行思考與討論，并結(jié)合前認(rèn)知以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行描述，學(xué)生在觀察過(guò)程中相互提問，發(fā)現(xiàn)規(guī)律并利用規(guī)律，教師給予適當(dāng)點(diǎn)撥，學(xué)生在問題探究過(guò)程中推導(dǎo)出洛倫茲力表達(dá)式。在這一過(guò)程中小組提問、發(fā)現(xiàn)總結(jié)規(guī)律，并推導(dǎo)公式的設(shè)計(jì)，課堂上開放性的自主探究更使得他們的邏輯思維得到了充分的訓(xùn)練。

（三）優(yōu)化圖片資源，助力高效學(xué)習(xí)

由于教材中所提供的圖片不能幫助學(xué)生對(duì)顯像管中帶電粒子在磁場(chǎng)中受力情況進(jìn)行分析，甚至加大了學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)探究實(shí)際問題的困難。偏轉(zhuǎn)區(qū)由兩個(gè)不同的磁場(chǎng)區(qū)域構(gòu)成，語(yǔ)言描述不能幫助學(xué)生對(duì)偏轉(zhuǎn)線區(qū)進(jìn)行認(rèn)識(shí)，還會(huì)增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，學(xué)生在該階段的重點(diǎn)任務(wù)是探究顯像管中的電子束磁偏轉(zhuǎn)，因此優(yōu)化后的圖片必須能夠展示出偏轉(zhuǎn)線圈部分，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)并利用所學(xué)知識(shí)分析顯像管的原理。[4]

優(yōu)化后的圖片可有效鋪助教學(xué)，對(duì)于偏轉(zhuǎn)區(qū)的展示，學(xué)生能夠一目了然，降低了學(xué)生處理圖片信息的困難，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)顯像管內(nèi)部構(gòu)造，同時(shí)使用圖片輔助學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的作用也得到了突出與強(qiáng)化，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)于原理的探究有了更明確、清晰的研究方向，在學(xué)習(xí)興趣上也大有提高。

三、啟示與反思

基于上述高端備課的研究，可以得到以下三點(diǎn)啟示。

（一）從生活走向物理，從物理走向社會(huì)

從生活走向物理，有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象的習(xí)慣，學(xué)生在梳理生活物理現(xiàn)象中的樸素認(rèn)識(shí)的同時(shí)，形成物理觀念;從物理走向社會(huì)，利于培養(yǎng)學(xué)生利用物理解決實(shí)際問題的能力，也利于提升學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力，以及形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，更益于深入地認(rèn)識(shí)與理解自然。

在實(shí)際教學(xué)中，教師常常只注意到物理知識(shí)應(yīng)用部分的生活化，而忽略從生活走向物理。在物理教學(xué)中，以一個(gè)有趣的生活現(xiàn)象為教學(xué)起點(diǎn)，益于學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)更高效的學(xué)習(xí)。當(dāng)然，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際物理問題是學(xué)生學(xué)習(xí)階段的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生在理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合與跳躍中學(xué)習(xí)物理，感受物理的科學(xué)性與獨(dú)特魅力，進(jìn)一步提升自身的科學(xué)素養(yǎng)。

（二）以開放性探究促進(jìn)自主性學(xué)習(xí)

建構(gòu)主義的教學(xué)觀強(qiáng)調(diào)教學(xué)應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生個(gè)體的主觀能動(dòng)性，這也是新課程標(biāo)準(zhǔn)中所提倡的。然而，在實(shí)際教材編寫以及教學(xué)中，對(duì)于發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性的側(cè)重并不多，正如人教版對(duì)于“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”的教材編排中也未突出自主性學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地探索未知，發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性。

開放性探究對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性有很大幫助，學(xué)生在開放性的探究過(guò)程中對(duì)問題的思考將不受限制，這將有助于培養(yǎng)他們的科學(xué)思維，最重要的是，在開放性的探究過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、求知欲大大提升，進(jìn)而促進(jìn)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，有效地提升了教育教學(xué)質(zhì)量。

（三）科學(xué)選擇圖片，進(jìn)行高效物理教學(xué)

從心理學(xué)角度研究發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)圖片的信息加工與存儲(chǔ)能力，比單純的文字信息要強(qiáng)得多。在實(shí)際教學(xué)中，良好的教學(xué)圖片能有效輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而幫助教師進(jìn)行更高效的物理教學(xué)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇適宜的圖片，筆者總結(jié)以下幾點(diǎn)教學(xué)圖片的選取要求：

1.圖片應(yīng)簡(jiǎn)潔明了、美觀;

2.圖片內(nèi)容應(yīng)突出重點(diǎn)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí);

3.圖片的視覺沖擊力應(yīng)明顯，加深學(xué)生學(xué)習(xí)記憶

4.圖片數(shù)量應(yīng)適宜，有限時(shí)間內(nèi)展示精華圖片;

5.圖片最好由教師本人拍攝，增大學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

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[2]齊文明.利用高中物理所學(xué)知識(shí)解釋極光現(xiàn)象[J]. 高考，2019（2）：264.

[3]任虎虎.指向深度教學(xué)的思維型課堂實(shí)踐與反思

——以“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”教學(xué)為例[J].物理教師.2018，39（7）：16 - 18.

[4]李霹.圖片教學(xué)法提高高中物理教學(xué)有效性的行動(dòng)研究[D].華東師范大學(xué)，2015.