基于注重物理概念形成過(guò)程的實(shí)踐研究

董雯雯 付彪

【中圖分類號(hào)】G633.7 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）32-0140-02

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，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”四個(gè)方面。學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生傳遞知識(shí)的過(guò)程，而是學(xué)生建構(gòu)自己知識(shí)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，學(xué)生才是課堂的主體，教師只是組織、引導(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。學(xué)生終身受益的不是物理知識(shí)，而是物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。因此，要求我們物理教師必須要更新教育理念，轉(zhuǎn)型課堂教育，從物理教學(xué)走向物理教育。

物理概念是人們頭腦中對(duì)客觀事物的物理共性和本質(zhì)特性的反映，是物理事物和物理過(guò)程的思維加工和抽象概括。所以，物理概念是很抽象的，既不容易教，又不容易學(xué)。[1]在教學(xué)實(shí)踐中，教師都非常重視物理概念的教學(xué)，通常會(huì)從物理概念的內(nèi)涵、外延以及與有關(guān)概念的聯(lián)系及相近概念的區(qū)別這三個(gè)方面發(fā)力。這樣的教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)，有利于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)化對(duì)概念的認(rèn)識(shí)，形成應(yīng)考的知識(shí)結(jié)構(gòu)和解題技能。但是，這種教學(xué)“重結(jié)果”而“輕過(guò)程”，強(qiáng)調(diào)物理概念知識(shí)本位，將概念的學(xué)習(xí)理解完全等同于對(duì)概念符號(hào)或定義的陳述，忽視了對(duì)概念形成過(guò)程的教學(xué)，致使一部分學(xué)生只是死記硬背，沒(méi)有真正理解其實(shí)質(zhì)，囫圇吞棗、食而不化，應(yīng)用時(shí)瞎套公式，在茫茫題海中逐漸失去了對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。因此本節(jié)課，以《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》的教學(xué)為例，談?wù)勅绾卧趯?shí)踐教學(xué)中注重物理概念形成過(guò)程。[2]

結(jié)合物理核心素養(yǎng)的四個(gè)方面，在“帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”課堂教學(xué)中，學(xué)生要達(dá)成的核心素養(yǎng)目標(biāo)為：

（1）通過(guò)魔術(shù)實(shí)驗(yàn)和已有知識(shí)，力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系與運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受的力，推斷帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)一步形成運(yùn)動(dòng)觀念。（2）通過(guò)優(yōu)化的物理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證推理結(jié)論，獲取證據(jù)并做出解釋，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。（3）通過(guò)對(duì)帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和周期公式的推導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的科學(xué)態(tài)度。（4）了解質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，理解質(zhì)譜儀的原理，理解科學(xué)與社會(huì)、技術(shù)之間的關(guān)系，從而形成一定的社會(huì)責(zé)任感。

下面結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)，談?wù)勎以诮虒W(xué)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

一、魔術(shù)實(shí)驗(yàn)引入，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

課堂開始，設(shè)計(jì)以下魔術(shù)，教師事先將強(qiáng)磁貼藏在右手中，用左手在示波器屏幕前晃動(dòng)，示波器圖像沒(méi)有絲毫變化，用右手在示波器前晃動(dòng)，示波器內(nèi)的圖像明顯變形，引起學(xué)生的興趣。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，一方面，好奇是指學(xué)生對(duì)新奇的事物的觀察、擺弄、詢問(wèn)、思考，從而對(duì)事物產(chǎn)生一種原始的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生的眼球，從而啟發(fā)思考，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，這是形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)。另一方面，符合學(xué)生的思維發(fā)展特點(diǎn)。學(xué)生已經(jīng)在之前帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)中，知道了示波器的原理，其中有高速運(yùn)動(dòng)的電荷，運(yùn)動(dòng)電荷在強(qiáng)磁鐵的磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，由于學(xué)生上節(jié)課知道運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力是洛倫茲力，引出學(xué)生思考帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中如何運(yùn)動(dòng)。這是形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。[3]

二、改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，突破教學(xué)重難點(diǎn)

本節(jié)課的重點(diǎn)是學(xué)生能夠理解帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的成因，同時(shí)也是這節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。對(duì)于已有的教學(xué)方式，一般教師會(huì)利用洛侖茲力演示儀進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，同樣，該實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)儀器的大小有限，觀察角度有限，很多同學(xué)不能清晰地觀察出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，教學(xué)效果大打折扣。

因此，我對(duì)解決實(shí)驗(yàn)儀器的觀察角度問(wèn)題做了以下改進(jìn)。首先，實(shí)驗(yàn)的第一步，我仍然采取教師演示。但是，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之前我們必須對(duì)實(shí)驗(yàn)一起進(jìn)行介紹。為了讓更多的學(xué)生能夠清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)儀器，我在洛侖茲力演示儀前放了一個(gè)攝像頭，并將攝像頭的圖像投射在電腦屏幕上。這樣在介紹實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，即使最后一排的學(xué)生也能清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)儀器。這個(gè)方法同樣可以解決觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的問(wèn)題，在觀察帶電粒子在磁場(chǎng)種運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，我們可以借助攝像頭的影像進(jìn)行觀察。

但是，運(yùn)動(dòng)帶電粒子在垂直進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)軌跡應(yīng)該是個(gè)平面的圓形，可是我們從正面很難分辨帶電粒子的軌跡到底是平面的圓形還是螺旋線。所以，我對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了第二點(diǎn)改進(jìn)。我在實(shí)驗(yàn)儀器的側(cè)面也安裝了一個(gè)攝像頭，同樣將畫面連接到電腦屏幕上，通過(guò)和面切換，同學(xué)們便可以看到帶電粒子軌跡側(cè)面的圖像。

最后，雖然本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)教師演示實(shí)驗(yàn)，但是為了讓學(xué)生自己探究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的其他情況，我在班級(jí)的四個(gè)角分別放了實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

這樣符合了學(xué)生得認(rèn)知規(guī)律，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)得積極性，千言萬(wàn)語(yǔ)道不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明，實(shí)驗(yàn)是物理這門學(xué)科的靈魂。通過(guò)改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生觀察到更清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加有說(shuō)服力，得出最真實(shí)的結(jié)論。這樣才能保證物理規(guī)律的真實(shí)性、客觀性和真理性，也逐漸培養(yǎng)了學(xué)生事實(shí)求是的科學(xué)態(tài)度。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)共同體的共同合作，發(fā)表自己的意見(jiàn)，學(xué)會(huì)溝通交流等科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生深入思考

本節(jié)課既涉及磁場(chǎng)的知識(shí)，也涉及動(dòng)力學(xué)知識(shí)，由于動(dòng)力學(xué)知識(shí)是學(xué)生高一學(xué)習(xí)的內(nèi)容，時(shí)間太長(zhǎng)學(xué)生有遺忘的現(xiàn)象。但是學(xué)生在動(dòng)力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)，有一個(gè)非常典型的模型——“繩—球”模型。即在光滑水平面上的輕繩一端與小球相連，另一端固定與水平面上某一點(diǎn)，當(dāng)給小球一垂直于繩方向的初速度，小球?qū)⒃诶K拉力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。這與運(yùn)動(dòng)電荷垂直進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，受力情況和運(yùn)動(dòng)情況相同。所以，運(yùn)用類比的方法也可以得出運(yùn)動(dòng)電荷垂直進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的事實(shí)。

由于“繩—球”模型只是一個(gè)理想模型，很多同學(xué)并沒(méi)有親自做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此，我利用比較光滑的木板，做了接近“繩—球”的模型，在誤差允許的范圍內(nèi)，為同學(xué)演示了上述實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生思考如果沒(méi)有摩擦，小球做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得出運(yùn)動(dòng)電荷垂直進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們采取類比實(shí)驗(yàn)，效果更加生動(dòng)、形象、深刻。并且很好地將力學(xué)與磁學(xué)的知識(shí)結(jié)合，讓學(xué)生將已有知識(shí)與現(xiàn)學(xué)知識(shí)建立聯(lián)系，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)。并且揭示了電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，使磁場(chǎng)的建構(gòu)更加完整，也為接下來(lái)的學(xué)習(xí)磁場(chǎng)打下了一定的基礎(chǔ)。學(xué)生通常是能夠分析出受力和運(yùn)動(dòng)，也知道運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系下由動(dòng)力學(xué)關(guān)系可以推出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但是缺少感性認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，“繩—球”模型實(shí)驗(yàn)是純動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，如果在高一講解動(dòng)力學(xué)知識(shí)時(shí)就借助這個(gè)實(shí)驗(yàn)，效果會(huì)更加明顯。

四、基于問(wèn)題設(shè)置，加強(qiáng)物理學(xué)科思維

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)只是課堂的載體，學(xué)生科學(xué)思維的提升才是關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)的利用上，教師必須注重問(wèn)題的引導(dǎo)，這樣才能實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)效果的最大化，形成學(xué)生的物理學(xué)科思維。如在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，我設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.洛倫茲力與速度方向的關(guān)系？

2.洛倫茲力會(huì)改變速度的大小和方向嗎？

3.在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做什么運(yùn)動(dòng)？

這樣的“問(wèn)題鏈”，都是針對(duì)理解帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的成因這一問(wèn)題設(shè)計(jì)的。幫助學(xué)生有方向地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，并且進(jìn)行思考來(lái)尋找解決問(wèn)題的答案，再進(jìn)行試驗(yàn)的效果將事半功倍。

五、基于評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生思考

本節(jié)課通過(guò)以下幾個(gè)層次來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果：

物理概念教學(xué)要研究學(xué)生的已有學(xué)習(xí)體驗(yàn)和生活經(jīng)驗(yàn)，重視概念形成過(guò)程的教學(xué)。本節(jié)課，從學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象出發(fā)，我們利用六個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)（觀察現(xiàn)象、提出猜想、實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)、理論分析活動(dòng)、知識(shí)鞏固、知識(shí)拓展）來(lái)進(jìn)行帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的探究學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)資源有限的情況下，教師通過(guò)創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示豐富多彩的物理現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中“師引導(dǎo)，生思考，師操作，生細(xì)看”成為一道屬于物理的靚麗的風(fēng)景，幫助學(xué)生直觀、形象地理解物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，形成物理概念。不僅如此，在學(xué)校條件允許的情況下，盡量地多開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，體驗(yàn)物理規(guī)律形成的艱辛，還能樹立科學(xué)創(chuàng)新精神。在課外，教師還可以選擇合適的題目作為研究課題，鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，并倡導(dǎo)充分利用身邊的物品做小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從中獲得知識(shí)更直觀的科學(xué)認(rèn)識(shí)，完成實(shí)現(xiàn)學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)獲取知識(shí)的轉(zhuǎn)變。通過(guò)這些方式，營(yíng)造一種輕松活潑的氛圍，化抽象為直觀，化空中樓閣為觸手可及，利用學(xué)生的多種感官和已有經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)親身體驗(yàn)和例證分析，明確為什么要引入這個(gè)概念，這個(gè)概念是在什么基礎(chǔ)上建立和發(fā)展起來(lái)的，引入它的物理意義何在？ 讓學(xué)生經(jīng)歷概念的形成過(guò)程，體驗(yàn)抽象、概括的科學(xué)思維方法，這樣的概念就不再是鏡中花、水中月，而是栩栩如生地站在了學(xué)生的面前。

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