高端備課視域下“磁通量”的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)*

孫慶全

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

翟彥芳

(首都師范大學(xué)教育學(xué)院 北京 100048)

邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出,“讓學(xué)生了解磁場(chǎng)的基本概念,了解磁感應(yīng)強(qiáng)度,知道磁通量是一個(gè)重要的物理量”[1].“磁通量”作為高中物理一個(gè)重要的物理概念,應(yīng)該在教學(xué)中凸顯“磁通量”引入的邏輯,并揭示其本質(zhì).有鑒于此,本文立足于物理高端備課的視野,對(duì)“磁通量”的教學(xué)展開深入研究.物理高端備課是指以物理課程與教學(xué)理論為指導(dǎo),采用“備課”的形式,研究既符合物理學(xué)內(nèi)在邏釋,又符合物理教學(xué)規(guī)律,同時(shí)符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律并接受課堂教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì),體現(xiàn)“從物理知識(shí)傳授到物理方法教育,再到物理思想形成”的核心理念.由此,結(jié)合物理高端備課的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行“磁通量”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì),以期對(duì)“磁通量”的教學(xué)有所啟迪.

1 現(xiàn)行教材的分析與回顧

“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”在整個(gè)高中物理課程結(jié)構(gòu)中位于必修3“電磁場(chǎng)與電磁波初步”模塊.由于“磁通量”是學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的必備知識(shí),現(xiàn)行教材將該部分的內(nèi)容安排在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用”的前一節(jié),采取如圖1所示的“磁感應(yīng)強(qiáng)度—?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)—磁通量”的編寫順序.教材首先通過演示實(shí)驗(yàn),得出物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度,然后在磁感應(yīng)強(qiáng)度基礎(chǔ)上,引入勻強(qiáng)磁場(chǎng).隨后,引入磁通量的概念[2].仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),本節(jié)教材的編寫可能存在以下兩點(diǎn)需要改進(jìn)之處.

圖1 教材中磁通量的編寫順序

第一,教材沒有明確磁通量引入的必要性和意義.物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)講求邏輯,這不僅是因?yàn)槲锢韺W(xué)邏輯詮釋與彰顯的需要,還因?yàn)槲锢斫虒W(xué)所獨(dú)有的教育性與簡(jiǎn)約性要求[3].磁通量作為電磁場(chǎng)中的重要物理概念,在教材中的引入應(yīng)當(dāng)是順理成章的.研究發(fā)現(xiàn),教材對(duì)本節(jié)內(nèi)容的編排思路如圖1所示,在交代了“磁感應(yīng)強(qiáng)度”和“勻強(qiáng)磁場(chǎng)”后就開始敘述“磁通量”,并未明確引入的緣由.當(dāng)前教材編寫的這種知識(shí)模塊式的組織形式,的確是考慮到了傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)教學(xué)效率的要求,但是由于缺少了合適的導(dǎo)入方式,就難以達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力的目的.因此,合適的引入方式在磁通量的教學(xué)中至關(guān)重要.

第二,教材沒有揭示磁通量的來龍去脈.目前教材對(duì)磁通量的介紹首先用文字?jǐn)⑹?“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”,其次是數(shù)學(xué)表達(dá)式介紹:Φ=BS.我們認(rèn)為,要想揭示磁通量的本質(zhì),應(yīng)該從其上位概念“通量”出發(fā).因此,教材編寫應(yīng)該告訴學(xué)生為什么描述磁場(chǎng)引入了磁感應(yīng)強(qiáng)度以后,還要引入磁通量、磁通量與哪個(gè)量相對(duì)應(yīng).顯然,只有提綱挈領(lǐng)地回答學(xué)生的疑惑,才能使學(xué)生真正明白磁通量引入的必要性.

2 教學(xué)邏輯的重構(gòu)與設(shè)計(jì)

根據(jù)奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論,教師應(yīng)當(dāng)明確概念之間的關(guān)聯(lián),選擇合適的模式,將學(xué)生待學(xué)習(xí)的新知識(shí)與學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相融合,以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)有意義的學(xué)習(xí)[4].有鑒于此,我們遵從物理教學(xué)的邏輯和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,以顯化科學(xué)方法,注重邏輯思維訓(xùn)練為突破口,對(duì)磁通量的的教學(xué)進(jìn)行了高端備課的探索.為了達(dá)成這樣一種教學(xué)設(shè)計(jì)的思想,我們給出了磁通量的教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖,如圖2所示.

圖2 磁通量教學(xué)設(shè)計(jì)流程

本文首先借助物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)情景,確定教學(xué)的起點(diǎn),為概念的引入做好鋪墊.然后,利用探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象,再次強(qiáng)調(diào)磁通量概念引入的必要性,并運(yùn)用科學(xué)方法建立磁通量的概念.最后,從磁通量的上位概念通量出發(fā),結(jié)合環(huán)量的介紹,明確描述磁場(chǎng)必須引入的的兩個(gè)核心物理量,從而形成描述磁場(chǎng)的完整結(jié)構(gòu),同時(shí)詮釋了磁通量的物理意義.

2.1 借助物理學(xué)史 創(chuàng)設(shè)問題情境

物理概念教學(xué)的起點(diǎn),既要為學(xué)生提供感性認(rèn)識(shí)的材料,同時(shí)又要說明概念引入的必要性,從而有利于教學(xué)邏輯的順利展開.在教學(xué)設(shè)計(jì)的第一環(huán)節(jié),回顧物理學(xué)史,磁通量概念的建立是在法拉第提出電磁感應(yīng)定律之后,由麥克斯韋對(duì)電磁感應(yīng)進(jìn)行了定量化的總結(jié),才正式提出了磁通量的概念[5].由此可見,磁通量的概念在形成電磁感應(yīng)公式中起到了重要作用,所以磁通量的引入尤為必要.同時(shí)考慮到磁通量的引入不能直接傳授,需要結(jié)合直觀的素材,因此,以法拉第磁鐵線圈演示實(shí)驗(yàn)作為磁通量教學(xué)的引入環(huán)節(jié)是恰當(dāng)?shù)?

學(xué)生在學(xué)習(xí)該節(jié)內(nèi)容之前,已經(jīng)學(xué)習(xí)了電流的磁效應(yīng),知道了電可以生磁,對(duì)電與磁之間的聯(lián)系有了初步認(rèn)識(shí),在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行法拉第磁鐵線圈實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)是法拉第在完成鐵環(huán)線圈實(shí)驗(yàn)后,為了更深入、直觀地觀察電與磁之間聯(lián)系而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),如圖3所示[5].通過演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生能直觀地看到電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn),進(jìn)而讓學(xué)生回顧奧斯特的實(shí)驗(yàn),將該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與電流的磁效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比思考,學(xué)生能清楚地觀察到磁也可以生電,從而拓展了學(xué)生對(duì)電與磁之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí).然后引導(dǎo)學(xué)生思考演示實(shí)驗(yàn)中通過怎樣的操作產(chǎn)生了磁生電現(xiàn)象.至此,通過演示實(shí)驗(yàn)這一直觀素材,學(xué)生在頭腦中引起疑問并思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.此時(shí),教師還不能和盤托出磁通量這一概念,因?yàn)樵摥h(huán)節(jié)教學(xué)的目的是借助直觀的素材,說明磁通量概念引入的必要性,并為磁通量的引入做必要的鋪墊.

圖3 探究電與磁的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

2.2 運(yùn)用科學(xué)方法 建立磁通量概念

物理概念作為物理知識(shí),其獲得必然要借助科學(xué)方法.因此,在創(chuàng)設(shè)物理情境之后,需要沿尋物理概念獲得的邏輯路徑,運(yùn)用科學(xué)方法建立物理概念[3].因此,在磁通量引入之始,可以將電磁感應(yīng)這一節(jié)中的“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”內(nèi)容前置,以此作為磁通量引入的背景.在教學(xué)過程中,運(yùn)用控制變量法這一科學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究,探究過程如下:

(1)設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn),采用控制變量法.實(shí)驗(yàn)1展示的是:控制磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,當(dāng)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因在于面積的變化,如圖4所示.實(shí)驗(yàn)2展示的是:控制面積不變,閉合電路所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因指向磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,如圖5所示[6].

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。雖然通過學(xué)生直接開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以更好認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)規(guī)律，但是有許多的生命活動(dòng)現(xiàn)象與規(guī)律往往隱含在細(xì)微的難以觀察的生命活動(dòng)中，利用不同媒體的功能優(yōu)勢(shì)可以將教材靜態(tài)的圖像轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)的生命現(xiàn)象，將微觀的生命現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成可視化的直觀現(xiàn)象，有效達(dá)成優(yōu)良的效果。

(2)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后,教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,通過實(shí)驗(yàn)1,發(fā)現(xiàn)當(dāng)與磁場(chǎng)相關(guān)的面積發(fā)生改變時(shí),會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.通過實(shí)驗(yàn)2,發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí),也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.這樣進(jìn)行教學(xué),就使得“面積”和“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這兩個(gè)因素的得出,不是來自教師簡(jiǎn)單的傳授,而是通過學(xué)生的科學(xué)探究,從而充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的科學(xué)思維.

接下來再次強(qiáng)調(diào)磁通量引入的必要性.上述內(nèi)容圍繞“感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”展開,呼應(yīng)第一環(huán)節(jié)教學(xué)中提到的電流的磁效應(yīng)、電和磁之間存在聯(lián)系(電可以生磁),順勢(shì)利導(dǎo),教師可以讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論,回答“怎樣的操作產(chǎn)生了磁生電現(xiàn)象”.這時(shí)學(xué)生的關(guān)注重點(diǎn)就來到了磁場(chǎng),進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考:既然是磁場(chǎng)的變化導(dǎo)致了感應(yīng)電流的產(chǎn)生,那么是否可以引入一個(gè)物理量來描述磁場(chǎng)的這種性質(zhì).

為了能夠簡(jiǎn)潔地描述磁場(chǎng)的這種性質(zhì),磁通量概念的引入便顯得水到渠成.在磁通量概念建立時(shí),教師可以強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究中用到的科學(xué)方法——控制變量法,進(jìn)而得出磁通量的表達(dá)式Φ=BS.顯然,通過顯化科學(xué)方法,才能讓學(xué)生更容易、更深刻地理解磁通量的概念.

2.3 追本溯源 彰顯磁通量本質(zhì)

在引入磁通量概念之后,由于學(xué)生第一次接觸“通量”這個(gè)詞,往往會(huì)存在理解上的困惑,所以有必要對(duì)磁通量概念進(jìn)行詳盡的闡釋.

磁通量的上位概念是“通量”.通量的概念最初是在流體力學(xué)中引入的,流體力學(xué)中的速度v是一個(gè)矢量場(chǎng),然后在流體中取一面元dS,那么,單位時(shí)間內(nèi)流過面元dS的流體體積叫做面元dS的通量.然后對(duì)任一有限曲面S的通量Φ,就等于組成這一曲面的每個(gè)面元通量的代數(shù)和,用曲面積分表示為

Φ=?Sv·dS

并且通量的概念可以推廣到任意矢量場(chǎng)a,所以有限曲面S的a通量定義為

Φ=?Sa·dS

Φ=?SB·dS

即定義了磁通量[7].根據(jù)磁通量計(jì)算公式Φ=?SB·dS可知磁通量Φ是代數(shù)量,但同一面元可取兩個(gè)法向,因此磁通量Φ是存在“正、負(fù)”的.例如圖6所示的面元,既可取en1為法向,也可取en2為法向,且cosθ1= -cosθ2,所以兩種取法求得的磁通量Φ等值異號(hào)[7].

在中學(xué)物理教學(xué)中,考慮到中學(xué)生的知識(shí)水平與認(rèn)知水平,不能僅僅停留在上述數(shù)學(xué)描述.鑒于場(chǎng)線是一種描述矢量場(chǎng)的直觀方式,具體到本節(jié)課的內(nèi)容,磁場(chǎng)中的場(chǎng)線就是“磁感線”,而且學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁感線,知道磁場(chǎng)可以用磁感線來定性描述,即磁感線的切線方向表示磁場(chǎng)方向,磁感線的疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.此時(shí),可以借助生活中直觀的物理模型,加深學(xué)生對(duì)磁通量的理解.例如,以生活中常見的臺(tái)燈為例,一方面臺(tái)燈可以調(diào)節(jié)明暗程度,類比為改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B,另一方面將“光線”類比為“磁感線”,追問學(xué)生如何改變臺(tái)燈照亮桌面的亮度,如圖7所示.這時(shí)通過改變臺(tái)燈亮暗程度,即改變“照在桌面上光線的條數(shù)”,對(duì)應(yīng)改變了“穿過一定面積的磁感線的條數(shù)”.將教材對(duì)磁通量的描述由抽象的“穿過這個(gè)面積的磁通量”變?yōu)樾蜗蟮摹按┻^一定面積磁感線的條數(shù)”.

圖7 光線與磁感線類比

在揭示磁通量的本質(zhì)后,教學(xué)中還需要詮釋磁通量公式的物理意義,回歸到物理的本質(zhì)意義上,從而促進(jìn)學(xué)生形成認(rèn)知閉環(huán),同時(shí)促進(jìn)學(xué)生深刻理解和熟練應(yīng)用.對(duì)于磁通量的關(guān)系式Φ=BS,其基本意義可以解釋為:勻強(qiáng)磁場(chǎng)中穿過某平面的磁通量等于磁感應(yīng)強(qiáng)度與該平面面積的乘積.其中S為磁感線垂直通過部分的面積.

3 研究啟示

3.1 借助物理學(xué)史 遵循物理教學(xué)邏輯

物理概念教學(xué)的起點(diǎn)是創(chuàng)設(shè)物理情景,所以本節(jié)課在一開始從物理學(xué)史的視角出發(fā),借助物理學(xué)史中的法拉第磁鐵線圈演示實(shí)驗(yàn)作為引入環(huán)節(jié)的直觀素材.該實(shí)驗(yàn)是在當(dāng)時(shí)人們知道如何進(jìn)行“電生磁”但并未能實(shí)現(xiàn)“磁生電”的背景下,法拉第在其探究“磁生電”過程中設(shè)計(jì).之后法拉第基于直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,最終發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象.因此在教學(xué)中,不能忽視學(xué)生腦中已有“電生磁”的認(rèn)識(shí),所以教師借助該實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生的認(rèn)識(shí)從“電生磁”拓展到“磁生電”,引導(dǎo)學(xué)生重新審視電與磁之間的聯(lián)系,發(fā)散學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的可逆思維,形成電與磁之間聯(lián)系的完整認(rèn)識(shí).同時(shí)初步在學(xué)生頭腦中引起疑問,進(jìn)而帶動(dòng)學(xué)生思考什么現(xiàn)象導(dǎo)致了“磁生電”.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)就既符合物理概念教學(xué)的要求,又遵循物理概念教學(xué)的邏輯,從而訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維.

3.2 運(yùn)用科學(xué)方法 恰當(dāng)建立物理概念

在以往的磁通量教學(xué)中,磁通量作為一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)板塊,由于沒有合適的引入,僅僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)磁通量的表達(dá)式,導(dǎo)致學(xué)生不能理解磁通量的必要性,難免有灌輸之嫌,不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.而本文立足于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,將“探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象”作為磁通量的引入方式,學(xué)生通過探究認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)磁通量的必要性,隨后顯化科學(xué)方法來建立磁通量的概念,這樣便形成了完整的知識(shí)邏輯.進(jìn)而顯化科學(xué)方法,對(duì)磁通量進(jìn)行定義.科學(xué)方法的顯化不僅有利于學(xué)生更好地理解概念,而且能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的提高,以最大限度地發(fā)展學(xué)生的思維能力,讓他們的思維進(jìn)入更高層次的運(yùn)算階段,培養(yǎng)他們的邏輯推理能力[8].

3.3 搭建認(rèn)知框架 彰顯物理概念本質(zhì)

在對(duì)磁通量的本質(zhì)進(jìn)行闡述中,首先從其上位概念通量出發(fā)進(jìn)行教學(xué),在此基礎(chǔ)上,通過場(chǎng)線的形象描述方式,將抽象的場(chǎng)量幾何化,使物理模型具體直觀,促進(jìn)學(xué)生深入理解磁通量背后的原理,將數(shù)學(xué)概念和物理模型有機(jī)結(jié)合.如此,整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)從本質(zhì)入手又兼顧學(xué)生的認(rèn)知水平,使得教學(xué)過程“深入淺出”,讓學(xué)生形成了描述磁場(chǎng)的完整圖式,從而彰顯了物理概念建立的內(nèi)在價(jià)值.

物理概念教學(xué)不能僅限于孤立地給出概念,也不應(yīng)僅限于給出文字描述及數(shù)學(xué)表達(dá)式.對(duì)于本節(jié)的教學(xué)來說,理解好磁通量的物理意義尤為重要,對(duì)磁通量的公式進(jìn)行變形,并闡述公式變形后蘊(yùn)含的物理意義,便可說明磁感應(yīng)強(qiáng)度又被叫做磁通密度的原因.這樣的教學(xué)是立意高處、著眼整體、理解形象、認(rèn)知完整的教學(xué),為學(xué)生后續(xù)對(duì)矢量場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).