基于發展核心素養的探究性教學設計
——“磁場對運動電荷的作用”一課為例

吳 剛

(巴中市恩陽區恩陽中學，四川 巴中 636064)

1 導引

2017年教育部制定了《普通高中物理課程標準》,標準凝練了主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面的物理學科核心素養．[1]物理核心素養是學生接受物理教育過程中逐漸形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品質和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質,是學生科學素養的重要構成．核心素養的制定很好體現了物理學科的育人價值,是對三維課程目標的提煉和升華．[2]

圖1

皮亞杰的建構主義觀點認為,學習是學習者在一定的情景下,借助他人(教師、學生等)的幫助,利用必要的學習資源,通過學生主動的意義建構方式而獲得,學生從原有的認知結構轉化為新的認知結構．這就要求學生在學習過程中用探究的方法去建構知識的意義,將新、舊知識聯系起來,并對這種聯系加以認真思考．同時,在學習過程中與他人進行協作、交流,從而促進意義建構．[3]如何在物理課堂教學中更好地讓學生建構知識,實現對學生核心素養的培育和提升,筆者以教科版高中物理選修3-1第3章第4節“磁場對運動電荷的作用——洛倫茲力”一課為例,構建以啟迪教學激發學生思維,探究教學培育學生素養的教學設計．在深入研讀教材的基礎上,制定其課堂教學流程如圖1所示．

2 教學過程

2.1 課題引入

圖2

教師播放視頻短片“極光”,視頻截圖如圖2所示．提問:為什么極光只出現在地球兩極?指出極光的出現與帶電粒子受磁場力的作用有關,激發學生對自然現象的好奇和思考,調動學習的積極性,初步建立磁場、電荷、運動及其相互作用的物理觀念和從物理學視覺解釋自然現象的意識．

2.2 復習導引

教師引導學生復習回憶電流是大量自由電荷定向運動形成的,金屬導線中自由移動的電荷是電子,并且規定正電荷的定向運動方向即自由電子定向運動的反方向為電流方向,垂直放置在磁場中的通電導線(電流)要受到安培力作用．結合這兩點啟迪學生思考,磁場對運動電荷是否有力的作用?安培力是否是磁場對大量定向運動電荷作用的宏觀表現?引導學生在已有知識儲備的基礎上去發現問題并能提出合理的猜想,培養學生科學探究意識．

2.3 實驗驗證磁場對運動電荷是否有力的作用

教師簡介電子束演示器的主要構造和原理,如圖3所示．指導學生使用演示器和用條形磁鐵N極靠近玻璃管,觀察實驗現象,發現電子束徑跡發生偏轉,如圖4所示．啟迪學生從物體做曲線運動的條件分析得出運動的電荷受到一個與運動方向存在夾角的力,這個力就是磁場對運動電荷的作用力,我們稱這種力叫做洛倫茲力．從復習舊知識中提出問題,大膽作出猜想與假設,并用演示實驗得以驗證,較為完整地呈現科學探究的一般環節．通過這一探究環節的設計,讓學生積極參與、體驗,感知新知源于探索．

圖3

2.4 實驗探究洛倫茲力的方向

圖5

教師啟迪學生思考:磁場對通電導線(電流)的安培力方向可以由左手定則判斷,而電流是大量自由電荷定向移動形成的．磁場對運動電荷的洛倫茲力方向是否也可以用左手定則判斷?學生借助電子束演示器、條形磁鐵去探究洛倫茲力的方向．為便于學生在實驗探究過程中觀察,表達磁場方向、電子運動方向和洛倫茲力方向,最終驗證3者方向是否滿足左手定則,教師有必要引導學生建立空間直角坐標系．例如建立以電子束出射點為坐標原點,電子束出射方向為x軸正向,豎直向上為y軸正向,垂直于實驗觀察者方向為z軸正向的空間直角坐標系,如圖5所示．條形磁鐵分別沿平行于坐標軸放置,使磁場方向與電子運動方向平行或垂直,N極靠近演示器玻璃管,分別指向+x、-x、+y、-y、+z、-z6個方向,觀察電子束在條形磁鐵N極不同取向下的徑跡偏轉方向．

教師指導學生分析實驗觀察到的現象,循序漸誘學生得出結論:

(1) 電子束徑跡偏轉方向是電子所受到的洛倫茲力方向;

(2) 電子束不發生偏轉,說明電子不受洛倫茲力作用,而電荷在電場中一定受到電場力,運動的電荷在磁場中卻不一定受洛倫茲力;

(3) 用伸直的左手判斷洛倫茲力方向時,發現當磁場方向垂直穿過手心,四指指向電子運動方向,大拇指所指的方向卻是徑跡偏轉的相反方向．問題出在哪兒呢?引導學生回憶正電荷定向運動的方向規定為電流方向,電子帶負電荷,用左手去判斷帶負電的電子所受的洛倫茲力方向,應該將四指指向電子運動的相反方向,那么大拇指所指的方向就是徑跡的偏轉方向．

通過教師的指導、點撥,學生的探究、分析,帶電粒子在垂直于磁場運動時,所受洛倫茲力的方向可由左手定則判斷,但要注意電荷的電性．

2.5 理論探究洛倫茲力的大小

教師啟迪學生思考如何計算洛倫茲力的大小,讓學生結合已學的知識和方法闡述自己的思路．

問題2:如何選擇研究對象?怎樣建立物理模型?導體內大量自由電子在兩端加電勢差后做定向運動,形成電子流．對于這種介質流我們可以在流體流動方向選取一段“圓柱體”,以“圓柱體”內定向運動的電子作為研究對象,如圖6所示．

圖6

問題3:如何計算“圓柱體”內運動電荷的數目?設單位體積內電子數目為n,“柱體”橫切面積為S,電子定向運動的速率為v,在時間t內電子定向運動的長度為L,則L=vt,柱體體積V=LS,柱體內電子數目N=nV=nLS=nvtS.

問題5:如何計算電流的安培力?由安培力公式F=BIL,則每一個電子受到的洛倫茲力

對于電荷量為q的電荷,洛倫茲力大小為f=qvB.

教師通過緩緩誘導,學生思維漸漸洞開,推導出洛倫茲力公式就水到渠成．在該環節,教師先讓學生獨立思考尋找解決問題的思路、與同伴合作交流分享觀點、面向全體發表個人見解,使學生樹立良好的科學態度．教師再搭梯引橋,將目標問題層層分解為學生思維能力可及的一個個小問題,循序漸誘學生去思考．通過建立理想物理模型、進行科學的理論推理論證,達到培養學生動腦想問題的習慣,發展學生物理科學思維和科學探究能力．

2.6 科學探究帶點粒子在磁場中的運動

圖7

教師試探地問學生:帶電粒子在磁場中可能做勻速直線運動嗎?可能做類平拋運動嗎?可能做勻速圓周運動嗎?還是一般的曲線運動?帶電粒子在磁場中究竟做什么性質的運動．結合實驗演示,如圖7所示．引導學生從觀察到的現象出發,從力與運動關系角度思考并表達自己的觀點．粒子具體做何種運動形態,取決于磁場特點(是否為勻強磁場、方向)與帶電粒子的速度方向．為何將條形磁鐵靠近電子束演示器時,沒有觀察到電子做圓周運動?是圓周不完整,還是根本就不是圓周運動?讓學生去思考．

3 結束語

整個教學設計從猜想、驗證電荷是否受到磁場力的作用,到實驗探究洛倫茲力的方向．從理論探究洛倫茲力的大小,到理論、實驗兩方面探究帶電粒子在磁場中的運動性質．通過討論交流、自主探究、合作學習等多種形式,讓科學探究始終貫穿整個教學活動．整堂課以傳授洛倫茲力這一知識點為載體,以培育學生科學探究能力,發展學生物理核心素養為目的,將傳遞知識、培養能力、發展素養做到水乳交融,把發展物理學科核心素養真正落地生花,最終實現育人目標．