利用可視化物理模型突破中學(xué)物理疑難概念教學(xué)
——以“磁通量”為例

何學(xué)美 朱福菊 王酉順 姚 斌

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

劉 垚

(云南師范大學(xué)體育學(xué)院 云南 昆明 650500)

物理概念是物理學(xué)的基石.物理概念的教學(xué)，則是物理教學(xué)中的關(guān)鍵.為了引導(dǎo)學(xué)生更好地理解物理概念，文獻(xiàn)[1,2]利用類比法、比較法等科學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生有效建構(gòu)和理解物理概念；文獻(xiàn)[3]通過影視資源提取物理原始問題，從教育生態(tài)化的理念出發(fā)研究物理概念教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念的理解；文獻(xiàn)[4]將SOLO分類理論應(yīng)用于物理概念教學(xué)中，促進(jìn)學(xué)生從易到難地完成問題探索，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的提升，從而更好地理解物理疑難概念；文獻(xiàn)[5]利用游戲的方式創(chuàng)造出一種競(jìng)爭(zhēng)的學(xué)習(xí)氛圍，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度討論進(jìn)而理解物理概念；文獻(xiàn)[6]基于促進(jìn)生成的教學(xué)原則進(jìn)行物理概念的大概念教學(xué)設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)物理概念的教和學(xué).然而，部分物理概念(如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、磁通量等)非常抽象，看不見、摸不著，學(xué)生難以借助生活經(jīng)驗(yàn)或傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)建構(gòu)自我思維中的物理模型，導(dǎo)致了物理疑難概念的形成.對(duì)于這類概念，設(shè)計(jì)明顯、直觀的可視化物理實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生通過視覺、觸覺感知物理世界，進(jìn)而構(gòu)建自我思維中的物理模型，能夠啟發(fā)學(xué)生深入理解物理概念，培養(yǎng)高階思維，提升物理核心素養(yǎng).本文在組裝激光陣列和設(shè)計(jì)控制電路的基礎(chǔ)上，自制了“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”；利用該裝置，以“磁通量”的教學(xué)片段為例，探討如何利用可視化物理模型突破中學(xué)物理疑難概念的教學(xué).

1 中學(xué)物理疑難概念的特點(diǎn)

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象，是觀察、實(shí)驗(yàn)和思維相結(jié)合的產(chǎn)物[7].中學(xué)物理概念教學(xué)中存在很多疑難概念，既不利于教師教學(xué)也不利于學(xué)生學(xué)習(xí).這些疑難概念的特點(diǎn)為：

(1)來源于大量的工程實(shí)踐，建構(gòu)過程難以再現(xiàn)；

(2)經(jīng)過嚴(yán)密分析、推理、論證而抽象出來的結(jié)果，思維邏輯嚴(yán)密；

(3)歷經(jīng)高度概括和推導(dǎo)，理想化、看不見、摸不著，是人為定義并用以理解某些客觀物質(zhì)和規(guī)律的概念.

2 可視化物理模型的優(yōu)勢(shì)

可視化物理模型將一類抽象的事物、復(fù)雜的過程、冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)、復(fù)雜的問題等，通過實(shí)物、圖表、動(dòng)畫、模擬仿真等多種形式的可視化工具展現(xiàn)出來[8].它有助于學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)，從而理解物理概念、原理和規(guī)律，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)概念教學(xué)中的不足.將可視化物理模型應(yīng)用到中學(xué)物理疑難概念的教學(xué)中，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)抽象概念具象化，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī).通過可視化物理模型創(chuàng)建具體的學(xué)習(xí)情境，用以講解抽象的、晦澀難懂的概念，指引學(xué)生置身于生動(dòng)的情境中，通過感官的體驗(yàn)獲得科學(xué)概念，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念的理解.

(2)理性知識(shí)感性化，加強(qiáng)思維建構(gòu).物理概念是一種理性認(rèn)識(shí).通過可視化物理模型將理性知識(shí)展現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷感性認(rèn)知到理性認(rèn)知的跨越，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的建構(gòu)，更易理解疑難概念.

(3)虛擬現(xiàn)象現(xiàn)實(shí)化，加強(qiáng)理解能力.有些物理概念因其看不見、摸不著、真實(shí)存在的特性，使得教學(xué)過程中缺乏有力的證據(jù)和形象的類比而不被理解.根據(jù)物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征創(chuàng)造可視化物理模型，為概念的建構(gòu)提供有力支撐，便于引導(dǎo)學(xué)生借助感官深入理解、掌握疑難概念.

3 磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及說明

本文所設(shè)計(jì)的“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”如圖1所示.

圖1 磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置由激光陣列、光屏、轉(zhuǎn)軸、量角器、調(diào)壓降壓器、24 V直流電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線組成，其中，激光陣列由5行4列共20個(gè)紅色激光頭按等間隙排列而成，光屏可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬不同角度接收到的磁感線數(shù)量，光屏上自帶量角器，可方便測(cè)出光屏的偏轉(zhuǎn)角度.

磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置的電路原理圖如圖2所示.實(shí)驗(yàn)時(shí)，需正確連接電路，將24 V直流電源接入市電，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)壓降壓器，使激光陣列正常發(fā)光.激光陣列將產(chǎn)生等間距的平行光束(在光屏之間噴灑霧或煙，可看見明顯的平行光束)，用以模擬磁感線，進(jìn)而模擬勻強(qiáng)磁場(chǎng).在合適的距離放置與平行光束垂直(即與磁感線或磁場(chǎng)方向垂直)的光屏，在光屏上觀察到的光點(diǎn)數(shù)目可看作是磁感線穿過平面的條數(shù)，即磁通量.

圖2 磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置電路原理圖

4 利用可視化物理模型突破中學(xué)物理疑難概念教學(xué)實(shí)例

本節(jié)利用本文所設(shè)計(jì)的“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”，以“磁通量”的部分教學(xué)片段為例，闡明如何利用可視化物理模型突破中學(xué)物理疑難概念.

“磁通量”作為中學(xué)物理中的疑難概念之一，是經(jīng)過科學(xué)家理想化抽象而得的結(jié)果.比較虛幻，看不見、摸不著，但又真實(shí)存在.在實(shí)際教學(xué)中構(gòu)建“磁通量”概念存在一定的難度，學(xué)生在理解上很難通過直接的感官刺激感知其物理意義.為了促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，引導(dǎo)學(xué)生深入理解該疑難概念，下面將通過“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”這一可視化物理模型，模擬建構(gòu)“磁通量”概念的過程，啟發(fā)學(xué)生更好地從定性和定量?jī)蓚€(gè)層面理解磁通量.

4.1 利用可視化模型激發(fā)學(xué)習(xí)興趣為理解疑難概念做鋪墊

師：我們已經(jīng)在之前的課程中了解了磁場(chǎng).知道勻強(qiáng)磁場(chǎng)的概念，并能夠進(jìn)行定量計(jì)算.了解了磁感線，知道能夠用磁感線的多少來表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.那么今天我們來認(rèn)識(shí)一下打開電磁學(xué)大門的鑰匙——磁通量.

演示實(shí)驗(yàn)1：將磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置接通電源，在激光陣列和光屏之間噴入霧或煙，如圖3所示.請(qǐng)學(xué)生們觀察現(xiàn)象.

圖3 磁感線可視化實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的平行光線

生：出現(xiàn)了平行的光線.

師：根據(jù)之前所學(xué)的知識(shí)，我們不妨假設(shè)這些光線為磁感線，那么這些光線所在的空間就可以看作是一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的局部.激光在光屏上形成的圓點(diǎn)的數(shù)量可看作磁感線穿過該光屏的數(shù)量.

設(shè)計(jì)意圖：利用“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”，將看不見、摸不著的抽象的磁感線直觀、形象地展示在學(xué)生眼前，通過感官刺激激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在自我思維中建構(gòu)起磁感線的物理模型，為后續(xù)理解“磁通量”做準(zhǔn)備.通過這個(gè)過程，也可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和構(gòu)建物理模型的能力，進(jìn)而培養(yǎng)高階思維能力，提升物理核心素養(yǎng).

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化直觀展示虛擬現(xiàn)象理解疑難概念

演示實(shí)驗(yàn)2：通過控制開關(guān)控制激光頭的工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示.接通電路，先閉合S1和S2，觀察光屏上的光點(diǎn)；再依次閉合S3，S4，S5，分別觀察光屏上的光點(diǎn)數(shù)量.將不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下穿過光屏的磁感線數(shù)量填入表1中.

圖4 演示實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

師：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)數(shù)據(jù)所反映的現(xiàn)象，描述磁感線穿過光屏的規(guī)律.

生：通過表1的數(shù)據(jù)分析可知，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，穿過光屏的磁感線的條數(shù)增多.

表1 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下穿過光屏的磁感線數(shù)量

師：如果將光屏表面積設(shè)為1，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與穿過光屏的磁感線數(shù)量Φ有什么樣的數(shù)量關(guān)系呢？

生：穿過光屏的磁感線的條數(shù)等于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與平面面積S的乘積.

由此可以得出磁通量的定義，即：設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一個(gè)與磁場(chǎng)方向垂直的平面，面積為S，我們把B與S的乘積叫做穿過這個(gè)面積的磁通量，簡(jiǎn)稱磁通，用字母Φ表示.

設(shè)計(jì)意圖：利用“磁感線的可視化實(shí)驗(yàn)裝置”，把磁感線定量、可視化地展示出來，引導(dǎo)學(xué)生在仔細(xì)觀察的基礎(chǔ)上，借助定量可視化的磁感線數(shù)量，理解物理概念.這樣設(shè)計(jì)可以擺脫枯燥的概念灌輸，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷從定量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中提取并理解物理概念的過程，鍛煉學(xué)生的抽象思維能力，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

4.3 問題沖突可視化提升高階思維深入理解疑難概念

師：磁通量的定義中我們強(qiáng)調(diào)光屏與磁場(chǎng)方向要垂直，那如果不垂直會(huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生呢？

演示實(shí)驗(yàn)3：保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變(激光頭工作數(shù)量為20個(gè)不變)，讓與磁場(chǎng)方向垂直的光屏偏轉(zhuǎn)一定角度，如圖5所示.讓磁感線穿過偏轉(zhuǎn)后的光屏及其投影面，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)果如圖6所示.

圖5 光屏與磁場(chǎng)方向關(guān)系的剖面圖

圖6 演示實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(取部分?jǐn)?shù)據(jù))

師：請(qǐng)同學(xué)們觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.將觀察到的結(jié)果填入表2中.討論一下，根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，我們能得出什么規(guī)律？

表2 探究磁通量與光屏偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系(取部分?jǐn)?shù)據(jù))

生甲：隨著光屏偏轉(zhuǎn)的角度越大，穿過平面的磁感線就越少，說明磁通量越小.

生乙：穿過偏轉(zhuǎn)后的光屏的磁感線與穿過它的投影面的磁感線一樣多.

生丙：由相關(guān)的數(shù)據(jù)可見，穿過光屏的磁通量Φ=

BScosθ.

由此引出有效面積，既在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，若磁感線與平面不垂直，公式Φ=BS中的S應(yīng)為平面在垂直于磁感線方向上的投影面積，Φ=BScosθ式中Scosθ即面積S在垂直于磁感線方向的投影，我們稱為“有效面積”.可見，在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，同一平面垂直于磁場(chǎng)時(shí)，穿過平面的磁通量最大；當(dāng)平面與磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，穿過平面的磁通量較小；當(dāng)平面與磁場(chǎng)平行時(shí)，穿過平面的磁通量為零.

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生剛剛獲得物理概念時(shí)，為引導(dǎo)學(xué)生更深刻地理解其意義，從已有的概念出發(fā)，制造可視化的問題沖突，更利于啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步深入思考對(duì)原有概念的理解，構(gòu)建更全面、更準(zhǔn)確的物理概念，達(dá)到深入理解物理概念的目的.教學(xué)過程中，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，學(xué)生能夠清晰地感受到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，并能夠定量地對(duì)現(xiàn)象、規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而凝練出物理現(xiàn)象蘊(yùn)含的本質(zhì)特征，真正理解疑難概念.這個(gè)過程可以鍛煉學(xué)生思考并提升原有概念的思維能力，極大促進(jìn)高階思維能力的培養(yǎng)，為學(xué)生以后學(xué)習(xí)其他疑難概念打下思維能力基礎(chǔ).

5 結(jié)論

在中學(xué)物理疑難概念教學(xué)中，可視化物理模型為實(shí)際教學(xué)提供了新的思路.通過可視化物理模型讓學(xué)生更加生動(dòng)、形象地理解疑難概念，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生分析、推理、概括和創(chuàng)造等高階思維.將生活實(shí)際與疑難概念相結(jié)合，設(shè)計(jì)或創(chuàng)造出形象生動(dòng)的可視化物理模型，可為突破中學(xué)物理疑難概念教學(xué)提供新思路.