善用科學猜想培養核心素養

黃利華

摘 要： 因授課對象是沒有電學基礎的高一學生，故本節課突破了傳統的電場類比法教學模式.本節課采用大量的科學猜想和實驗探究，逐步建立起磁感應強度概念，同時注重培養高中學生的學科核心素養，落實了立德樹人的根本任務[1].

關鍵詞： 磁感應強度；科學猜想；核心素養；立德樹人

培養學生的核心素養是當前教育界的熱點，落實到學科上就是要培養學生的學科核心素養.[2]

1 高中物理學科核心素養

高中物理學科核心素養是指學生在接受物理過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，主要由物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度與責任四個要素構成.其中 “物理觀念”包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素.“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素；“實驗探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素；“科學態度與責任”主要包括科學本質、科學態度、科學倫理、環境（STSE）等要素.

2 基于物理學科核心素養提升的教學案例

本文以人教版選修3-1第三章第二節“磁感應強度”為例，討論如何基于物理學科核心素養的提升來實施課堂教育.

2.1 教材內容簡析

教材從不同磁鐵能吸起成噸的鋼鐵或幾枚鐵釘說起，引出磁體的磁性有強弱之分，并用磁感應強度來描述這個物理量，然后從方向和大小兩個角度描述磁感應強度.在描述磁感應強度大小的環節中有一個“探究影響通電導線受力的因素”演示實驗.最后介紹一些磁場的磁感應強度和“地球磁場與古地質學”.[3]

教材從學生的生活經驗出發，實驗和理論相結合，形象生動地再現了磁感應強度概念建立的過程.筆者認為本節教材的部分內容存在以下不足：一是“探究影響通電導線受力的因素” 這個實驗裝置開放性不夠，不利于學生開展探究活動，不能很好地培養學生的實驗探究素養；二是“一些磁場的磁感應強度”這個表格和旁邊的特斯拉頭像是想拉近學生與“特斯拉”這個單位和科學家之間的距離，讓學生對這個單位有一個具體化生活化的感受.但表中提及的場景（除地磁場外）學生平時根本接觸不到，學生無法聯系實際去感受，不能讓“物理走向生活”，不利于培養學生的物理觀念和科學態度與責任素養.

2.2 教學設計思路

基于上面的分析，筆者借助朗威DISLib重新設計了一個實驗裝置（圖1），擴大了實驗的開放性，讓學生在操作、觀察、記錄、分析和交流的過程中不知不覺地提升了“實驗探究”的素養，在學生分析實驗數據時潛移默化地培養學生的“科學思維”素養；筆者創新應用數字式特斯拉計（圖2）直接測量一些磁場的磁感應強度，再結合教材中的數據讓學生真切體會常見磁場的磁感應強度，形成磁場的物質觀，培養學生的“物理觀念”素養；最后介紹特斯拉的成就和社會責任，提升學生的“科學態度與責任”素養.

2.3 教學目標定位

（1）物理觀念：知道磁感應強度的方向、大小、定義式和單位，形成磁場的物質觀.

（2）科學思維：掌握比值法定義法，提高分析和推理能力.

（3）實驗探究：理解教材實驗方案并能做出解釋和改良.

（4）科學態度和責任：體會科學家的偉大貢獻和崇高品質.

2.4 教學片斷賞析

片段1

師：無法測出小磁針N極所受磁場力的情況下，用什么東西放入磁場中也會受到磁場力？

生：通電導線放入磁場中也會受磁場力.

師：可以試試.但通電導線是一種“線模型”，它有別于“點模型”，會涉及到放置的方向問題.

生：老師是指通電導線與磁場可以有不同的夾角嗎？

師：對.通電導線受到的磁場力方向與導線會不會也有一個夾角問題呢？

生：應該也有夾角問題，我猜這個力可能沿著導線方向.

師：有可能.這就是科學猜想.

生：我猜這個力可能垂直導線方向.

師：也有可能.通過實驗可以驗證到底哪種猜想正確，同時注意磁場力的大小是怎么變化的？

設計意圖 通過分組實驗的探究使學生對磁場力的方向和大小有定性的了解，但受實驗裝置所限，學生無法得到定量的數據，也無法調整磁場和通電導線平行. 為了克服上述裝置的不足，筆者重新設計了實驗裝置，用細漆包線繞制多抽頭的線圈，線圈固定在力傳感器的鉤子上，將它的下邊放入磁場中.選用的蹄形磁鐵比較大，可以確保蹄形磁鐵的磁場能和通電導線轉到任意夾角位置.用朗威DISLib7.0系統可以定量測出通電導線與磁場所成夾角由0°到360°變化過程中磁場力的大小和方向.分析定量數據，使學生對磁場的“性質”有了更深刻的認識.本環節側重于訓練學生的動手能力，培養學生的質疑創新，實驗探究等素養.

片段2

師：上述磁場力是一個變力，用什么情況下的磁場力大小來反映磁感應強度呢？

生：用通電導線與磁場垂直時所受力的大小反映磁感應強度的大小.

師：能不能用此時的磁場力大小直接反映磁感應強度的大小呢？

生：應該可以吧.

師：在同一磁場中，如果保持導線中電流不變，改變導線的長度，磁場力會變嗎？

生：我猜想會變的，那就不能用磁場力的大小直接反映磁感應強度的大小了.

師：在同一磁場中，如果導線長度不變，改變電流大小，磁場力會變嗎？

生：我猜想也會變.endprint

師：科學的猜想需要實驗的驗證，還是來做實驗吧.

使用朗威DISLib7.0系統，測出新裝置中當導線中電流（I=0.3A）一定時，通電導線受到的作用力F與導線長度L的數值.導線的長度可以取不同的匝數來改變.得到如表1所示的數據，并求出F與L的比值.

同樣道理，測出當導線的長度（L=7m）一定時，通電導線受到的作用力F與導線中的電流I的數值.導線中的電流由外電路控制.得到如表2所示的數據，并求出F與I的比值.

設計意圖 實驗說明通電導線所受磁場力的大小不能直接用來反映磁感應強度的大小.但卻有一個意外發現：在誤差允許范圍內，磁場力F與電流I成正比，與導線長度L成正比，也即與IL的乘積成正比，寫成等式即F=BIL.這個環節由幾個學生配合完成實驗的操作和數據的測量，并對數據做出分析，教師僅做少量的點撥.通過這個環節的訓練大大提高了學生的實驗探究、數據分析、科學推理和科學論證等多方面能力.

片段3

師：根據磁感應強度的定義式，用表1和表2中的數據分別算出B的平均值分別是多少？

生：根據表1和表2分別得到磁感應強度的平均值為B1=110mT，B2=108mT.

師：通過兩種不同的實驗條件算到的結果在誤差允許范圍內是相等的，科學真迷人.

生：（微笑）

師：如果有一種儀器能夠直接測出磁感應強度，那就更棒了.（拿出特斯拉計，并介紹使用方法.）大家期望用特斯拉計直接測出的磁感應強度大小為多少？

生：約110 mT.

接著請兩位學生使用特斯拉計測量上述實驗中的磁感應強度，結果為111mT，實驗結果令人興奮.

設計意圖 本環節不同于教材上枯燥的說教，而是用具體的數值計算，再用特斯拉計的實測數據做檢驗.通過三種不同實驗條件得到了相同的結果，足以說明這個結果的正確性，同時也體現了科學研究的嚴謹性，更重要的是讓學生感受到探究成功后的喜悅和物理學的魅力.

片段4

師：請學生用特斯拉計測釹鐵硼強磁鐵和普通磁鐵附近的磁感應強度大小.

生：分別是280 mT和98 mT.

師：常見的磁感應強度是0.1T這個數量級，再細細體會教材上“一些磁場的磁感應強度”表中數據.

……

師：最后介紹一下特斯拉，他是一個大發明家.一生的專利有上千個，但他把專利的收入全都捐給了世界上貧窮的國家和人民.交流電就是他發明的，如果他申請交流電專利的話，只要過兩三年就可以成為世界首富，但他放棄了交流電的專利而是供世人無償使用.他在諾貝爾獎最初的三十年里被評選出11次，但他全部讓賢了.

設計意圖 通過實測磁感應強度數據與教材表中數據相比較的方法，學生能更真切地體會不同磁場的強弱之分.介紹特斯拉的事跡，除了讓學生感受科學家的偉大貢獻外，也讓學生感受到科學家的人格魅力和社會責任感，旨在培養學生的科學態度與責任，很好地落實立德樹人的根本任務.課后筆者做過調查問卷，絕大多數的學生都被特斯拉這個人震撼了，留下了深刻的印象.

參考文獻：

[1]教育部.關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見[Z].2014-3-30.

[2]彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理，2016，34（03）：1-2.

[3]人民教育出版社.物理 選修3-1[M]. 第3版.北京：人民教育出版社，2010：83-86.endprint