指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“磁場的描述”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

楊樺，馬亞鵬，劉瑞崢

摘? ?要：建立“磁場的描述”單元的基本概念是認(rèn)識磁場的重要途徑?；诤诵母拍畹膯卧虒W(xué)有助于學(xué)生建立知識結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成物理觀念，通過對比分析新、舊教材“磁場的描述”的單元內(nèi)容來理清邏輯線索，挖掘涉及科學(xué)方法的教學(xué)要點(diǎn)，以問題鏈的形式設(shè)計(jì)核心教學(xué)任務(wù)，優(yōu)化“磁場的描述”的單元教學(xué)。

關(guān)鍵詞：核心概念;磁場;問題鏈;單元教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）5-0030-6

場是物質(zhì)存在的一種形式，高中物理主要通過電場和磁場來系統(tǒng)地認(rèn)識場。為了從物質(zhì)觀的角度認(rèn)識磁場，就要運(yùn)用科學(xué)方法，建立對磁場加以描述的科學(xué)概念。本文將“磁場的描述”作為一個獨(dú)立單元，圍繞單元核心概念，梳理知識結(jié)構(gòu)與邏輯線索，以問題鏈驅(qū)動核心教學(xué)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)改進(jìn)。

1? ? “磁場的描述”單元教學(xué)內(nèi)容分析

1.1? ? 分析教材結(jié)構(gòu)與邏輯線索

從教材比較的視角對人民教育出版社2010年版高中物理教材[1]和2019年版高中物理教材[2]（以下分別簡稱為“10版教材”和“19版教材”）中“磁場的描述”內(nèi)容進(jìn)行分析。

“10版教材”中，首先講解了磁現(xiàn)象、電流的磁效應(yīng)、磁場和地磁場，接著重點(diǎn)講解了磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和大小，最后講解了磁感線、安培定則、安培分子電流假說、勻強(qiáng)磁場和磁通量等內(nèi)容，其知識結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

“19版教材”除了對“10版教材”中的部分內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整外，還加強(qiáng)了概念之間的聯(lián)系，使得單元整體結(jié)構(gòu)也更為合理?！?9版教材”首先講解了電流的磁效應(yīng)、磁場、磁感線和安培定則，接著重點(diǎn)講解了磁感應(yīng)強(qiáng)度、勻強(qiáng)磁場和磁通量，其知識結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

由此可見，兩版教材的知識邏輯線索大致相同，均由磁現(xiàn)象引出磁場的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了“現(xiàn)象為物理學(xué)之源”的理念。但兩版教材一些內(nèi)容的呈現(xiàn)方式還需要進(jìn)一步優(yōu)化：

（1）對于“場”這種看不見摸不著的物質(zhì)，只能根據(jù)相應(yīng)的現(xiàn)象來“捕捉”，即學(xué)生需要利用磁體的磁現(xiàn)象和電流的磁效應(yīng)判斷磁場的存在?！?0版教材”比較完整地介紹了磁體的磁現(xiàn)象和電流的磁效應(yīng)，而“19版教材”考慮到學(xué)生已在初中學(xué)習(xí)過磁場的初步知識，因此，僅在引入欄目中展示了羅盤的應(yīng)用，且只簡單講述了電流的磁效應(yīng)，在物理現(xiàn)象的展開上有些單一，不利于學(xué)生頭腦中物理表象的生成。

（2）兩版教材中“磁感應(yīng)強(qiáng)度”和“磁感線”順序不同。磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場強(qiáng)弱和方向的物理量，人們?yōu)榱诵蜗?、直觀地描述磁場，還根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布情況描繪了磁感線。因此，從邏輯上講是先有磁感應(yīng)強(qiáng)度，后有磁感線?！?9版教材”中先講磁感線后講磁感應(yīng)強(qiáng)度，雖考慮了學(xué)生關(guān)于磁感線的已有經(jīng)驗(yàn)，卻將磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向分屬成兩部分，不利于概念的建構(gòu)。

（3）磁通量概念的引入不同?！?0版教材”直接指出“研究電磁現(xiàn)象的需要，常常討論穿過某一面積的磁場及其變化，為此引入一個新的物理量——磁通量”[1]，導(dǎo)致從磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感線到磁通量這一邏輯線索是割裂的。而“19版教材”從磁感線密集程度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系入手，較好地解決了這一問題。

1.2? ? 挖掘單元科學(xué)方法

科學(xué)方法是聯(lián)結(jié)物理現(xiàn)象和物理知識的紐帶，在物理知識的獲取過程中發(fā)揮著重要作用?！按艌龅拿枋觥眴卧獌?nèi)容中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法，如表 1所示。

1.3? ? 優(yōu)化單元知識結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述分析，確定本單元的核心概念為磁場。核心任務(wù)有二：一是感知磁場的存在，二是建立描述磁場的基本概念。

其教學(xué)邏輯可展開為：首先，從磁現(xiàn)象入手，建立磁場的概念，歸納磁場的基本性質(zhì);其次，感知磁場的強(qiáng)弱和方向，類比電場強(qiáng)度建立磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念;再次，繪制磁感線并研究電流的磁場，歸納安培定則;最后，選擇一面元分析磁感線條數(shù)多少與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小之間的關(guān)系，建立磁通量的概念。依據(jù)以上教學(xué)邏輯優(yōu)化后的知識結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

2? ? 單元設(shè)計(jì)

2.1? ? 制訂單元教學(xué)目標(biāo)

（1）物理觀念：知道磁場是一種物質(zhì);會用磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線和磁通量等物理概念來描述磁場;了解上述概念間的邏輯關(guān)系。

（2）科學(xué)思維：通過觀察和分析磁現(xiàn)象，能類比“電場的描述”來建立“磁場的描述”的概念;運(yùn)用模型建構(gòu)、比值定義法和作圖法等科學(xué)方法建立概念。

（3）科學(xué)探究：能對各種磁現(xiàn)象進(jìn)行推理分析，歸納磁場的基本性質(zhì);通過探究電流元受磁場的作用，掌握獲得證據(jù)并利用證據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)的方法。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識到對磁場的研究是建立在對磁現(xiàn)象的觀察和解釋基礎(chǔ)上的;體會科學(xué)方法對物理學(xué)研究的推動作用。

2.2? ? 單元教學(xué)活動設(shè)計(jì)

本單元含有較多抽象概念，組織教學(xué)活動時需緊緊圍繞磁場這一核心概念，基于學(xué)生原有認(rèn)知創(chuàng)設(shè)情境并設(shè)計(jì)問題鏈，使學(xué)生明確引入這些概念的原因，再經(jīng)歷概念建立的過程，主要教學(xué)活動如圖 4所示。

2.2.1? ? 感知磁場的存在

教學(xué)環(huán)節(jié)一：

[情境創(chuàng)設(shè)] 我國西漢時期，有一位術(shù)士制作了一對既能相互吸引，又能在調(diào)整位置后相互排斥的棋子，漢武帝給這對棋子取名為“斗棋”。

[學(xué)生思考]

（1）在生活中你見過這樣的棋子嗎？“斗棋”是根據(jù)什么原理制作而成的？

（2）磁體間的相互作用是靠什么產(chǎn)生的？B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485

（3）哪位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線周圍存在磁場？

請學(xué)生描述奧斯特電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象。

[設(shè)計(jì)意圖] 利用學(xué)生熟知的磁體間相互作用以及電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象，引出磁場的學(xué)習(xí)。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：

在請學(xué)生猜測電流間會不會產(chǎn)生力的作用后，教師演示電流間的相互作用實(shí)驗(yàn)，如圖 5所示。

[引導(dǎo)歸納] 磁場不僅會對其中的磁體施加作用，對電流也會產(chǎn)生力的影響;作為“場”的一種類型，磁場同電場一樣都是一種物質(zhì)。

[設(shè)計(jì)意圖] 觀察電流間的相互作用，歸納磁場的基本性質(zhì)。

2.2.2? ? 建立磁感應(yīng)強(qiáng)度概念

教學(xué)環(huán)節(jié)一：

[情境創(chuàng)設(shè)] 由磁場的基本性質(zhì)可知，通電直導(dǎo)線會在磁體的作用下產(chǎn)生偏幅，且磁場越強(qiáng)，通電導(dǎo)線產(chǎn)生的偏幅越大。請同學(xué)們預(yù)測通電導(dǎo)線在條形磁鐵和強(qiáng)磁鐵周圍，哪個使通電導(dǎo)線產(chǎn)生的偏幅更大？

學(xué)生根據(jù)“體型”預(yù)測在條形磁鐵的作用下產(chǎn)生更大的偏幅。而實(shí)驗(yàn)證明通電導(dǎo)線在強(qiáng)磁鐵作用下的偏幅更明顯，換言之在靠近磁鐵的位置強(qiáng)磁鐵的磁場強(qiáng)于條形磁鐵的磁場（圖 6）。磁場的強(qiáng)弱用物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度表示，方向與小磁針靜止時N極所指的方向一致。請學(xué)生類比描述電場強(qiáng)度的方法來描述磁感應(yīng)強(qiáng)度。

[學(xué)生思考]

（1）可選擇哪些物體作為研究磁場的試探物？

（2）選用小磁針或通電導(dǎo)線作為研究磁場性質(zhì)的試探物各有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？

[設(shè)計(jì)意圖] 學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)感知磁場是有強(qiáng)有弱的;利用類比電場的研究方法并綜合小磁針和通電導(dǎo)線各自的優(yōu)缺點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生選擇通電導(dǎo)線作為研究磁感應(yīng)強(qiáng)度的試探物。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：

將通電導(dǎo)線放置在由蹄形磁鐵產(chǎn)生的磁場中，其N、S極之間的磁場可看成勻強(qiáng)磁場且方向由N極指向S極。通電導(dǎo)線受力隨其放置方式的改變而改變，當(dāng)通電導(dǎo)線垂直于磁場方向放置時，通電導(dǎo)線的偏幅最大，說明垂直于磁場方向放置的通電導(dǎo)線受到的作用力最大。

[學(xué)生思考]

（1）通電導(dǎo)線垂直于磁場方向放置時，受到的磁場作用力大小還與哪些因素有關(guān)？

（2）怎樣測量通電導(dǎo)線在磁場中的作用力？

學(xué)生猜測與電流的大小、磁場中通電導(dǎo)線的長度等因素有關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生采用電子天平設(shè)計(jì)研究方案。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]

實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)牛頓第三定律，通過測量通電導(dǎo)線在磁場中的“質(zhì)量”變化，間接“量”出安培力的大小。

實(shí)驗(yàn)器材：電子天平、導(dǎo)線、電源、蹄形磁鐵等器材。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在電子天平上固定導(dǎo)線和蹄形磁鐵，令通電導(dǎo)線處于勻強(qiáng)磁場中且受到方向豎直向下的安培力，此時對電子天平進(jìn)行去皮校準(zhǔn)，如圖 7所示。

（2）打開電源開關(guān)，由于通電導(dǎo)線受到豎直向下的磁場力，天平示數(shù)變?yōu)閙，則磁場力數(shù)值上等于mg，圖 8中磁場對導(dǎo)線的作用力的大小約為0.0002 N。

（3）改變電流的大小，測量、記錄對應(yīng)的磁場作用力。

（4）以并排增加蹄形磁鐵的方式增加磁場中導(dǎo)線的長度，測量、記錄對應(yīng)的磁場作用力，如圖 9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通電導(dǎo)線受到的磁場作用力隨電流、導(dǎo)線長度的增大而增大，可見通電導(dǎo)線在磁場中的作用力與電流大小、導(dǎo)線長度成正相關(guān)，即F=k·IL。類比電場力的表達(dá)式，電流元受到的磁場力為F=B·IL。磁感應(yīng)強(qiáng)度利用比值定義法表示為B=■。

[設(shè)計(jì)意圖] 引導(dǎo)學(xué)生猜想影響電流元受磁場力的因素，再通過電子天平測量磁場力的大小驗(yàn)證猜想;類比電場力得出磁場對通電導(dǎo)線作用力的表達(dá)式，進(jìn)而由比值定義法獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式。

教學(xué)環(huán)節(jié)三：

[學(xué)生歸納] 磁場的強(qiáng)弱用磁感應(yīng)強(qiáng)度來表示，其方向與小磁針靜止時N極指向相同，大小可通過磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式計(jì)算。

[設(shè)計(jì)意圖] 鞏固知識，幫助學(xué)生整體認(rèn)識磁感應(yīng)強(qiáng)度這一物理量。

2.2.3? ? 建立磁感線概念

教學(xué)環(huán)節(jié)一：

[激活原有圖式] 在條形磁鐵周圍布置若干小磁針，小磁針的指向不一，但大致是從條形磁鐵的N極指向S極。

[學(xué)生思考]

（1）在無序的磁場方向中，可以用哪種物理模型來描述磁場的分布呢？

（2）如何繪制磁感線呢？

（3）磁感線上的點(diǎn)反映了什么？

（4）磁場強(qiáng)的位置磁感線分布情況如何？磁場弱的位置呢？

[設(shè)計(jì)意圖] 基于學(xué)生關(guān)于磁感線的原有圖式，建立磁感線和磁感應(yīng)強(qiáng)度間的聯(lián)系，即磁感線上的點(diǎn)沿切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場方向，磁場越強(qiáng)的位置磁感線分布越密集。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：

[情境創(chuàng)設(shè)] 一名工廠師傅工作時需要使用條形磁鐵，但是正值工廠搬遷，只剩下電源和導(dǎo)線，請思考如何幫助這位師傅利用這些物體替代條形磁鐵產(chǎn)生類似的作用。

[設(shè)置問題]

（1）這樣設(shè)計(jì)的原因是什么？

（2）如何判別通電螺線管周圍的磁場分布？

（3）導(dǎo)線長度只能環(huán)繞一圈，形成環(huán)形電流，其磁場也能利用右手螺旋定則判斷嗎？請闡述你的觀點(diǎn)和理由？

（4）常用直導(dǎo)線中的電流，其磁場分布是什么樣的？電流的方向是否影響磁場分布？

[設(shè)計(jì)意圖] 利用實(shí)際問題，喚醒學(xué)生關(guān)于通電螺線管的認(rèn)識，以此推理結(jié)構(gòu)與通電螺線管相似的環(huán)形電流的磁場分布規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力。在通電螺線管和環(huán)形電流的磁場學(xué)習(xí)后，引導(dǎo)學(xué)生積極探索直線電流的磁場。B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485

教學(xué)環(huán)節(jié)三：

[學(xué)生設(shè)計(jì)研究方案]

實(shí)驗(yàn)器材：直導(dǎo)線、電源、紙板、鐵粉、小磁針若干。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）直導(dǎo)線垂直穿過紙板的中心，在紙板上均勻撒上鐵粉，導(dǎo)線內(nèi)通入電流;

（2）由鐵粉繪出直線電流磁場分布的形狀，再由小磁針確定磁場的方向（圖10）;

（3）改變電流的方向，用上述方法繪制反方向電流產(chǎn)生的磁場（圖10）。

[學(xué)生思考] 直線電流的磁場是否也能利用右手螺旋定則判斷？

[設(shè)計(jì)意圖] 學(xué)生經(jīng)歷磁感線繪制的過程;由直線電流的磁場，引導(dǎo)學(xué)生歸納如何利用安培定則判斷直線電流的磁場。

教學(xué)環(huán)節(jié)四：

[設(shè)置問題] 如何判斷電流的磁場分布？

[學(xué)生歸納] 電流的磁場分布可利用右手螺旋定則（安培定則）判斷;對于通電螺線管和環(huán)形電流，可將其視為條形磁鐵，當(dāng)電流同右手彎曲的四指方向一致時，伸直的拇指相當(dāng)于條形磁鐵的N極;對于直線電流，當(dāng)右手伸直的拇指同電流方向一致時，彎曲的四指為直線電流的磁場環(huán)繞方向。

2.2.4? ? 建立磁通量概念

教學(xué)環(huán)節(jié)一：

[教師提供材料] 去年我國開展了全國人口普查，在研究某地區(qū)的人口分布情況時，常常會用單位面積的人口數(shù)量反映當(dāng)?shù)氐娜丝诿芗潭取Ｍ?，磁場垂直穿過一面元，用磁通量表示垂直通過該面元的磁感線總條數(shù)（圖11），該如何表達(dá)磁感應(yīng)強(qiáng)度呢？

學(xué)生類比人口數(shù)密度，用磁場的總磁感線條數(shù)除以磁場穿過的面元面積來計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度。

[設(shè)計(jì)意圖] 由人口數(shù)密度作為先行組織材料，讓學(xué)生意識到用磁通量除以垂直穿過的面積來表示磁感線的密集程度，即B=■。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：

[學(xué)生思考]

（1）分析磁通量的定義，磁通量是矢量還是標(biāo)量？

（2）當(dāng)磁場垂直穿過面元時，如何計(jì)算磁通量？

（3）當(dāng)磁場不是垂直穿過面元時，建立如圖 12的坐標(biāo)系后，磁通量又該如何計(jì)算？

（4）磁通量是標(biāo)量，只能是正數(shù)嗎？

[設(shè)計(jì)意圖] 建立坐標(biāo)系引導(dǎo)學(xué)生分解磁感應(yīng)強(qiáng)度，再利用投影在垂直磁場方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量計(jì)算磁通量，在降低學(xué)習(xí)難度的同時，加深學(xué)生對磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量性和磁通量的認(rèn)識。

3? ? 反? ?思

3.1? ? 基于核心概念整合單元內(nèi)容

“磁場的描述”單元涉及的物理概念較多，如何合理組織安排這些內(nèi)容是單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?；仡檰卧O(shè)計(jì)的研究歷程，在比較教材的結(jié)構(gòu)和邏輯線索后，確定“磁場”為本單元的核心概念，并基于核心概念確定了兩個單元核心任務(wù)，以此優(yōu)化單元知識結(jié)構(gòu)，從而梳理出單元教學(xué)的邏輯，真正做到使“單元設(shè)計(jì)按步驟、有序地開展系列教學(xué)活動”[3]。

3.2? ? 問題鏈驅(qū)動單元教學(xué)

以問題驅(qū)動的方式引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)活動，啟發(fā)學(xué)生思考的同時引導(dǎo)學(xué)生完成概念的建構(gòu)。大多數(shù)問題基于學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，有助于激活學(xué)生的相關(guān)圖式并完成知識體系的建構(gòu)，如“安培定則”教學(xué)的引入環(huán)節(jié)，設(shè)置讓學(xué)生思考如何利用手邊的物品替代條形磁鐵的實(shí)際情境，喚醒學(xué)生已有的通電螺線管知識，在運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題的過程中歸納得出安培定則。除此之外，問題鏈在探究活動中也發(fā)揮著重要作用，學(xué)生針對問題產(chǎn)生自己的觀點(diǎn)后，在教師的引導(dǎo)下，設(shè)計(jì)方案來驗(yàn)證觀點(diǎn)，不僅可以促進(jìn)學(xué)生對概念的理解，還可以落實(shí)科學(xué)論證能力和問題解決能力的培養(yǎng)，如利用電子天平“稱量”磁場力的大小。

3.3? ? 創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生形成豐富的物理表象

為了“使學(xué)生獲得充分的建立概念的事實(shí)依據(jù)”[4]，教學(xué)設(shè)計(jì)中需要創(chuàng)設(shè)豐富的物理情境幫助學(xué)生形成物理表象。如在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”部分，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)思路，在“探究影響通電導(dǎo)線受力因素”的基礎(chǔ)上，通過采用電子天平定量測量通電導(dǎo)線受到磁場作用力的大小，學(xué)生能直觀感受到改變磁場中電流的大小或?qū)Ь€的長度后磁場力的變化;在直線電流的磁場部分，由學(xué)生設(shè)計(jì)并完成研究方案，獲得直線電流的磁場分布后，根據(jù)繪制的磁感線歸納直線電流磁場方向所遵循的安培定則。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2011.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]鐘啟泉.單元設(shè)計(jì)：撬動課堂轉(zhuǎn)型的一個支點(diǎn)[J]. 教育發(fā)展研究，2015，33（24）：1-5.

[4]馬亞鵬.中學(xué)物理教育教學(xué)問題研究[M].西安：陜西師范大學(xué)出版總社，2020：130-131.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）B31431D3-1247-44E1-8CCB-D747C0EAF485