芻議教師在高中物理課堂教學中的主導作用

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（２０１０－２０２０）》指出：要以學生為主體，以教師為主導，充分發揮學生的主動性，把促進學生健康成長作為學校一切工作的出發點和落腳點。高中物理課堂教學作為學校工作的重要組成部分，如何發揮教師的主導作用，值得我們思考與研究。本人在剛結束的福州一中２０１１－２０１２學年面向全省公開的教學公開周中執教了一節《探究磁場對電流的作用》，受到好評。筆者想結合這節課教學，就教師的主導作用談一些看法，以就教于同仁。

一、教學過程簡介

1.引入新課

教師先播放一段有關天宮一號與神舟八號對接的視頻資料。

師：這是前幾天剛進行過的我國天宮一號與神舟八號對接的視頻。這一事件使我國成為繼美國和前蘇聯后第三個掌握在外太空實現航天器對接技術的國家，我國許多科技愛好者對這項技術很感興趣，同學們也一定對如何實現對接感興趣吧，但由于保密等原因，我們無從知道。在今天這節課的最后，老師會給出一個對接設想，請同學們來評判。探究磁場對電流的作用（板書）。

2.新課教學

（1）奧斯特電流磁效應實驗介紹及安培力的定義

師：１８２０年４月，丹麥物理學家奧斯特在哥本哈根大學的一間教室講課。在做實驗時，他將導線平行放置在磁針的上方，接上電源，磁針竟然偏轉了。當時學生末意識到這個小小偏轉的含義，而奧斯特卻為此激動萬分。他繼續深入研究，３個月后，他發表了研究結論：不僅磁鐵能產生磁場，電流也能產生磁場。奧斯特的發現也引起了法國物理學家安培的重視并開始相關的研究。安培認為，既然磁鐵之間存在力的相互作用，通電導線對磁鐵也有力的作用，那么通電導線之間也一定存在相互作用。經過研究，安培還得出兩通電導線之間相互作用力的定量表達式，并指出它們之間的相互作用原因是通電導線處在對方導線所形成的磁場中，因此作用的實質是磁場對電流的作用。后人為了紀念安培在這面對人類的貢獻，將磁場對電流的作用力稱為安培力。板書：將磁場對電流的作用力稱為安培力

（2）安培力方向的判定方法

師：通過高一的學習，同學們知道，要完整把握一個力，必須知道力產生的原因、力的方向及力的大小。安培力產生的原因是磁場對電流的作用力，那安培力的方向如何確定呢？緊接著教師用自制儀器讓學生認識安培力并用此來歸納安培力方向。

用二大塊磁鐵構成豎直方向的均強磁場，在其中安放一對金屬導軌，使導軌平面處于水平面，將一輕質鋁棒垂直于導軌放置。導軌通過導線和開關與J1209高中教學電源相連，采用的檔是40A（8s）。（注：采用這一檔位接通開關時，電源可提供40A的直流電，時間持續8s），使得鋁棒、導軌、開關和電源組成一個閉合回路。如圖1所示為該裝置的剖面圖。當末閉合開關時，導體棒靜止不動，當閉合開關時，導體棒朝某個方向運動，通過分析，很容易得出使金屬棒運動狀態發生改變的力就是我們上面提到的安培力，由鋁棒的啟動方向可以判定確定安培力的方向。教師通過調換電流方向及磁場方向，共得出4幅電流方向、磁場方向及安培力方向結構圖，這些結構圖都體現電流方向、磁場方向與安培力方向是相互垂直的。教師先用三根不同顏色的鉛筆將第一幅結構圖表示出來，然后請9位同學分三組也用三種不同顏色的鉛筆模仿老師把余下的3幅結構圖表示出來。最后讓9位參與的同學互相觀察各個手中的結構圖并參考教師手中的結構圖，在教師引導下，都能順利通過整體旋轉，變成同一幅結構圖。

師：由此可見，當電流方向與磁場垂直時，安培力的方向與電流方向及磁場方向都垂直，也就是安培力的方向垂直于電流方向與磁場方向組成的平面。但我們總不能每次都用鉛筆來比劃安培力的方向吧！人們想到能否用身體的已有結構歸納一種簡易的判定安培力方向的方法呢？人們普遍認可的是左手定則。板書：安培力方向由左手定則判定。

教師播放左手定則動畫，和學習一起理解左手定則內容并學會使用左手定則判定。

（3）安培力的大小

師：我們知道了安培力的方向可由左手定則判定，現在我們要一起來研究安培力的大小與哪些因素有關，它的表達式應該是怎樣的。前人在研究安培力大小時首先碰到一個問題，請同學們先看一個演示實驗。

在該實驗中，教師在長10cm、寬2cm、厚0，5cm的木塊兩端用兩個金屬螺帽固定一條長14cm、寬2cm的錫箔紙（有大約4cm長的錫箔紙是被折疊壓在木塊上），教師在實驗的前個晚上用十幾本厚實的書壓折疊好的錫箔紙達數小時，使其安裝在木塊后與木塊貼平。通過兩端螺帽接觸點、導線和開關與J1209高中教學電源［采用40A（8s）］組成閉合回路。在閉合開關后，教師手執木塊緩慢轉動木塊，讓通過錫箔紙電流方向由與磁場平行方向轉到與磁場垂直方向，實驗結果很明顯發現，開始時（即電流與磁場垂直時），錫箔紙依然貼平在木塊上，隨著轉動，錫箔紙張開，當木塊轉到與磁場垂直時，錫箔紙張開最大，并伴有相當清脆的響聲，這個實驗很容易說明一個問題，安培力的大小與電流與磁場的方向有關，當電流方向與磁場方向垂直時，安培力最大，當電流方向與磁場方向平行時，不受安培力。

師：既然是當電流方向與磁場方向垂直時，通電導線所受的安培力最大，物理學家就先從研究電流方向與磁場方向垂直的情形開始研究安培力的大小與哪些因素有關。今天我想用傳感器設備在比較高精度下與同學們一起探究這個問題。

教師首先介紹實驗設備。設備主要由一個U型磁鐵（能供長、寬、高約為20cm、3cm、3cm的增強磁場）、長寬為20cm和10cm的矩形線框（共200匝，總電阻約40Ω）、力傳感器、電流傳感器、數據采集器、電腦、電源［J1209高中教學電源（穩壓24V）］、總阻值為300Ω的滑動變阻器、開關及導線若干。用導線將電源、線框、開關、滑動變阻器（采用限流式接法）及電流傳感器組成閉合回路，通過改變滑動變阻器測得不同電流值時線框（即200根通電導線）所受安培力的大小。第一次將線框20cm長邊置于U型磁鐵中進行實驗，第二次將線框10cm短邊置于U型磁鐵中進行實驗。上述兩次實驗中電流方向均與磁場方向垂直，且均放置在磁場的同一位置。在介紹完實驗原理和操作方法后，教師請一位同學上臺幫助教師填寫實驗記錄表格（為節省時間，教師在課前已把兩個實驗表格畫在黑板上），同時提醒同學們觀察教師操作并實時觀測投影到大屏幕上的實驗數據，并監督在講臺上板書實驗數據的同學記錄是否有誤。實驗結果得到的數據見表1：

表1

實驗二：在磁場中導線的長度l=0.2m

實驗二：在磁場中導線的長度l=0.1m

師：我們真的很幸福，今天我們能夠在如此高的精度上重溫100多年前物理學家的科學實驗。我們不難得出一個結論，當在磁場中的導線長度不變時，安培力的大小與電流強度的大小成正比。請同學們將兩張數據表再對比看看，能得出另外什么結論？

由于教師在原來實驗操作時特意地安排測出兩種長度下在電流分別是0.12A、0.24A、0.36A、0.48A時受到安培力的大小值，在教師的引導下，學生通過比較這4個電流值所對應的8個安培力的值，也會發現：當電流大小不變時，安培力的大小與在磁場中的通電導線的長度成正比。

正當同學們都滿足于取得實驗結論時，教師又拋出一個議題。

師：同學們有沒有看到，老師在每個表格中還有一行都沒有實驗數據呢，知道它留著什么用嗎？

學生一片茫然。過一會兒，教師接著說。

師：通過上面數據我們發現，安培力大小與處在磁場中的通電導線的長度及電流大小有關，長度越長，電流越大，則所受的安培力也越大。它們之間還有什么內在的聯系呢？我現在請同學用計算器算出每一個實驗數據下安培力大小與電流強度大小和導線長度大小乘積的比值，即，并將計算后的數值填寫在第三行中。

結果得到的數據見表2、表3：

表2

實驗一：在磁場中導線的長度l=0.2m

表3

實驗二：在磁場中導線的長度l=0.1m

同學們高興極了。

師：同學們又發現什么？

學生：比值都相等。

師：實驗多少都存在誤差，應該說，在誤差允許的范圍內，它們的比值是相等的。這說明在磁場的同一位置，不同長度、通以大小不同的電流，受到的安培力不同，但安培力與電流大小和導線長度的乘積的比值是個定值，說明這個比值反映了磁場的客觀存在，正像科學家定義電場強度一樣，物理學家將這一比值定義為磁場的磁感應場強度，用B表示，即：

B=（板書）

即：F=IlB（此式為安培力大小的表達式）

師：同學們還記得，我們當初學習電場知識時，引入電場強度的定義E=，并說明電場強度的國際單位是N/C，按同樣道理我們今天磁場的磁感應強度的國際單位應該是N/(Am)，但物理中卻定義1N/（Am）為1T，即1特斯拉。而特斯拉是很大的一個單位，我們目前知道地磁場的磁感應強度只有十萬分之五的特斯拉，這又是為什么呢？

教師在投影屏上打出一張有關美國科學家特斯拉生平介紹的PPT，并闡述。

師：尼古拉·特斯拉是世界知名的發明家，共獲得112項美國專利。特斯拉被認為是歷史上一位重要的發明家。他在19世紀末和20世紀初對電和磁的貢獻也是知名的。他毅然不顧愛迪生的反對，倡導人類使用交流電。特斯拉的專利和理論工作形成了現代的交流電電力系統，其中包括交流電動機，他以此幫助推動了第二次工業革命。由于晚年他在經濟上經常處于困境，1943年1月7日，孤獨地死在旅館里。在他百年紀念時（1956年），國際電氣技術協會將國際單位制系統中磁感應強度的單位命名為“特斯拉”以紀念他對人類的偉大貢獻。

3.與課前引入呼應

師：到此我們已經較完整認識了安培力，那學完安培力后，在實踐中有何應用？現在老師要向同學們展現老師對天宮一號與神舟八號對接的設想。

在此環節，教師用自制的設備進行演示。將一個磁鐵較強的小條形磁鐵用白色塑料泡沫包裝（實驗前要預先充磁）用以代表神舟八號，將一多匝線圈（原先是用于演示通電螺線管磁場的方向的）也用白色泡沫塑料包裝用以代表天宮一號。用細線把線圈和磁鐵吊掛在鐵架臺上，讓條型磁鐵的軸線與線圈的軸線在同一直線上并保持恰當的距離（如圖2所示），線圈與J1209高中教學電源［采用40A（8s）］相連，這次教師為了讓實驗更有感染力，用亞聲遙控開關來控制線圈與電源接通與斷開。教師離開講臺走到學生中，與學生一起倒數5個數，按下遙控開關，清晰看到兩者相互吸引，磁鐵被吸入線圈中。學生自發地報以熱烈的掌聲。

師：我個人認為天宮一號與神舟八號的對接是通過這樣原理來實現的，因為我們國家研究電磁鐵和永磁體的水平是國際一流的。

此時屏幕顯示的一張介紹華裔美籍物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授研制阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer）的PPT。

二、幾點思考

本節課受到學生的喜歡，也受到觀摩教師的好評。由此引發了筆者對教師在高中物理課堂教學中主導作用的思考。

現在的高中教育有80%的時間是在課堂上進行的，因此課堂教學的質量在很大程度上決定了教育的質量。高中物理教育是高中教育的重要組成部分，由于其學科的特殊性，高中學生普遍認為物理不好學，都畏懼物理學科。為了樹立學生學習物理的信心，培養學生對物理學科的興趣，教師要明確自身在課堂教學中的主導作用。通過不斷學習、研究和自我完善，在物理課堂教學中展現物理學科的魅力，讓學生認識到知識的來龍去脈，在體驗科學探究過程，了解科學研究方法，掌握物理知識的同時，也能確實感受到物理人文給他們帶來的思想升華。

1.教師的主導作用體現在教師能否創造性地精心設計演示實驗

物理是一門實驗科學，由于物理學科的特點，決定了物理實驗在物理教學中的重要作用。教師在課堂教學中的主導作用體現在教師要用通過精心設計演示實驗，展現物理學科的特有魅力，化解學生學習的難點，增強學生對物理學科的喜愛。

本節課是許多教學比賽常用到的課題，已基本形成了固定的教學模式。筆者在準備這節公開課時進行了一系列的研究，包括磁感應強度定義、磁感應強度單位的由來及相關的研究文章等。在此基礎上大膽地改變原有已基本定型的教學模式，使教學取得成功。反思這節課教學過程，本人認為有兩個演示實驗是本節的課的亮點。其中一個演示實驗是安培力大小與電流方向跟磁場方向之間夾角有關的實驗。在準備這節課時，我通過向老教師求教，得知以前有人用水銀槽做過類似的實驗，但水銀是巨毒的，現在不適合再做這個實驗。經本人長時間的思考與摸索，最終才發明這個演示實驗，在研究過程中，好幾次都曾產生放棄設計這個實驗的念頭。由此可知設計演示實驗之艱難。另外一個就是最后結束時做的神舟八號與天宮一號對接的演示實驗，那個演示實驗既讓課堂上師生互動氛圍達到比較完美的程度，同時又起到頭尾呼應的作用。筆者自認為，那個演示實驗一定會在學生腦海里永久保存的，每當想起這些，就會感到由衷的自豪與高興。

2.教師的主導作用體現在教師能否讓學生明晰每個知識點的由來及研究相關知識點所采用的研究方法

以前很多學生學習過這節內容后，當被問及“在磁場中，通電導線長度越長、電流強度越大，磁場磁感應強度越大，所受的安培力就越大”是否正確時，都認為根據公式F=IlB，以上說法是正確的。殊不知這公式是僅在電流方向與磁場方向垂直時才成立的。在本節課教學中，筆者通過設計一些過渡的小實驗，讓學生真切感受到這個公式是在磁場方向與電流方向垂直前提下，通過一系列的研究得出的，從而就能對該公式的物理意義有較全面的理解。

在探究安培力大小環節，筆者并末提出控制變量法等字眼，但通過巧妙的實驗設計，將控制變量法滲透到具體的實驗研究中。另外，筆者所用的這傳感器設備，在測量出安培力大小與電流強度大小數據后，可以用電腦直線擬合功能畫出長度一定時，安培力大小與電流強度大小的線性關系圖線，但筆者沒有采用這種方法，而是讓學生觀察眾多的原始記錄數據，發現這些數據之間的關聯性，從而發現數據后面所隱含的物理規律。通過這樣的互動教學，讓學生感悟如何用已有設備進行相關的實驗，采集實驗數據，學習科學研究的方法。

3.教師的主導作用體現在教師能否挖掘物理教學的背景資料，適時地給學生以情感教育，提升學生的思想境界

在本節課教學中，教師在電磁感應強度單位教學那個環節，能緊扣教學主題，用幾句精煉的語言，描述為什么要用特斯拉作為磁感應強度的國際單位。由于本人在備課時精心準備這一環節，在教學中我很注意觀察學生聽完教師描述后的表現。他們的面部表情告訴我，他們的心靈受到振憾。

參考文獻：

［1］中小學物理教材編寫組.普通高中物理課程標準實驗教科書物理（選修3-1）［M］.濟南：山東科學技術出版社，2010.

［2］中華人民共和國教育部.國家中長期教育改革和發展綱要（2010-2020年）［M］北京：人民出版社，2010.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準［S］.北京：人民教育出版社，2006.