讓學生在體驗中構建物理核心概念

耿玉盛

(揚州市邗江區教研室，江蘇 揚州 225000)

讓學生在體驗中構建物理核心概念

耿玉盛

(揚州市邗江區教研室，江蘇 揚州 225000)

物理概念的教學是高中物理教學的重要組成部分,使學生形成概念,掌握規律,并使他們的核心素養在形成概念、掌握規律的過程中得到充分發展,是高中物理教學的核心問題．要做好物理核心概念的教學,必須整體把握教學要求,形成物理核心概念的教學設計;創設學生體驗的教學情境,形成對物理核心概念的初步認識;以問題為導引設置認知平臺,讓學生在討論交流中理解構建物理核心概念的內涵．

體驗； 構建； 核心概念

《普通高中物理課程標準(征求意見稿)》中提出,物理觀念是高中物理核心素養的重要組成部分,物理觀念的形成和發展并不簡單,學生需要通過物理概念、物理規律等內容的學習才能形成．學習概念或規律的每一節課都是形成物理觀念的有機組成部分．物理概念的教學是高中物理教學的重要組成部分,在高中物理中有許多重要的核心概念,如運動和力、功和能關系、穩定的電磁場、變化的電磁場、分子動理論、熱力學定律等．高中物理教學中,使學生形成概念,掌握規律,并使他們的核心素養在形成概念、掌握規律的過程中得到充分發展,是高中物理教學的核心問題．物理概念教學的效果如何,直接關系到學生對于物理知識的認知程度,進而影響到學生整體知識網絡的構建與拓展,可以說學好物理概念是學好物理的關鍵．要做好物理核心概念的教學,學生在親身體驗中主動構建是重要的環節．

1 整體把握教學要求,形成物理核心概念的教學設計

物理核心概念是指已經經過檢驗且位于物理學科中心位置的概念性知識,對廣泛的自然事物和現象具有解釋力,且具有高度的抽象與概括程度,能組織、整合物理學科的許多關鍵性概念．在《普通高中物理課程標準(征求意見稿)》中,對物理核心概念和規律的學業質量標準提出了5級水平．水平1: 能將一些重要的物理概念和規律與相關的自然現象聯系起來; 水平2: 能用重要的物理概念和規律解釋一些自然現象,解決簡單的物理問題; 水平3: 能說明重要的物理概念和規律的內涵、適用范圍和條件,能描述和解釋自然現象,解釋一些物理問題; 水平4: 能理解重要的物理概念和規律及其相互關系,能正確描述和解釋自然現象,綜合運用所學的物理知識解決實際問題; 水平5: 能清晰、系統地理解重要的物理概念和規律,能正確描述和解釋自然現象,靈活解決實際問題．

在教學活動中,教師要準確把握學業質量標準,結合教學內容,合理設計教學目標,并通過實施教學,促進學生核心素養的提升及相關水平的達成．例如在“磁感應強度”一節的教學中,磁感應強度是高中物理中的一個核心概念,教師首先要從整體上進行教學設計.

(1) “磁感應強度”的內容及其教育價值是什么?

磁感應強度是電磁學的核心概念之一,它對于“磁場”及其后續知識的學習,都有著關鍵性的作用．磁感應強度概念的學習過程,也是一個典型的物理知識的建構過程,其中蘊含著豐富的物理思想和方法．讓學生經歷這樣的過程,將有助于提高他們的物理素養．

(2) “磁感應強度”與其他教學內容的聯系是什么?

知識內容： 承上啟下，結構圖如圖1.

圖1

思想方法： 一脈相承，物理量的“比值定義”;多因素的 “變量控制”;以勻代變“極限思想”．

(3) 學生學習磁感應強度概念時可能的困難是什么?

學生的困難主要集中在兩個方面:概念的抽象性——學生對“場”這種物質形態,看不見、摸不著, 缺乏相應的直接經驗與感受;知識的綜合性——磁場對電流的作用遠比電場對電荷的作用復雜,與磁感應強度概念相關聯的知識也更多．這些都對學習者的抽象思維能力和邏輯推理能力提出了更高的要求．

(4) 幫助學生理解磁感應強度概念的教學策略有哪些?

教學思路： 類比遷移，和電場類比思路如圖2.

圖2

(5) 幫助學生理解磁感應強度概念的教學策略有哪些?

教學方式： 探究學習.

策略1： 實驗感知,豐富物理表象.

策略2： 問題導引,設置認知臺階.

教學手段： 多元整合—— 傳統實驗的改進;現代技術的運用.

2 創設學生體驗的教學情境,形成對物理核心概念的初步認識

學生在學習物理概念之前,基于生活經驗形成了大量的日常概念,要在此基礎上構建物理概念,必須對所觀察的現象重新加工,在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性,抽象事物的本質特征,完成從日常概念向物理概念的轉變,由此可知物理概念的建立需要創設情境．同時物理規律的探究也需要創設問題情境,學生從情境中發現和提煉問題,對問題的可能答案作出假設,并根據問題情境運用已有的知識制訂探究計劃,選擇符合情景要求的實驗裝置進行實驗,獲取客觀、真實的數據,通過對數據的分析形成關于物理規律的結論．

物理核心概念的教學過程中,教師在教學設計和教學實施過程中要重視情境的創設,教師要根據學生的認知特點和規律,創造實際的或重復經歷的情境和機會,呈現或再現、還原教學內容,讓學生在情境中體驗,在體驗中構建核心概念．

圖3

例如“磁感應強度”一節的教學中,教師可以創設情境引入課題、通過演示實驗觀察現象、分組實驗進行探究．

實驗感知： 感受磁場的強弱(“磁不可貌相”).

學生實驗： 學生自己動手操作并觀察實驗現象，如圖3,通電電磁鐵吸引別針,改變電磁鐵中電流的大小,可以看到,吸引別針的多少不同,引導學生在觀察現象的基礎上思考:這一現象說明什么問題?

結論:實驗現象說明兩種情況中磁場強弱不同．

師:用哪個物理量來描述電場的強弱和方向?

生:用電場強度來描述電場的強弱和方向．

師:我們今天這節課就來學習如何描述磁場的強弱．在前面我們學習電場的時候,也學習了描述電場強弱的物理量——電場強度．如果按照這個思路,描述磁場強弱的物理量我們該叫它什么?

生:磁場強度.

還須注意收集與CPP病因有關的病史，如感染、中樞神經系統病變等相關癥狀；對所有確診為CPP的患兒應排除腫瘤，需作頭顱鞍區的MRI檢查。

師:可惜的是,磁場強度這個名字被別人用于表示別的物理量了．為了避免重復,我們只能叫其他名字——磁感應強度．

圖4

觀察體驗： 磁感應強度的方向.

演示： 實物投影儀演示小磁針在磁鐵周圍的不同位置指向不同,說明小磁針受力方向不同,磁場方向不同，如圖4．

類比:電場和磁場都是客觀存在的．電場有強弱和方向,磁場也有強弱和方向．

師:電場強度的方向是如何規定的?對研究磁感應強度的方向有何啟發?

思考領悟： 規定正電荷所受電場力的方向為該點的電場強度的方向．場強的方向是從電荷受力的角度規定的．小磁針放入磁場中會受到磁場力的作用,因此,磁場的方向可以從小磁針受力的角度規定．

結論： 在磁場中的任一點,小磁針北極受力的方向,即小磁針靜止時北極所指的方向,就是該點的磁場方向,即磁感應強度的方向．

實驗探究： 磁感強度的大小.

師:磁感應強度的大小能否從小磁針受力的情況來研究?(引導學生思考回答)

生:不能．因為小磁針不會單獨存在一個磁極,小磁針靜止時,兩個磁極所受合力為0,因此無法從小磁針受力的角度確定磁場的強弱,即無法定義磁感應強度的大小．

師:既然磁場對磁體的作用力不能研究磁場的強弱,那么我們讓誰來檢驗磁場的強弱呢?

生:(思考后應該能想到)通電導線.

師:研究電場強度是檢驗電荷量是越大越好還是越小越好呢?電流是越大越好還是越小越好?

生:(應該回答小好,如果回答大好,教師則指出大的話不能測出某點的磁場強弱,電流太大則電流產生的磁場影響原有磁場．)

師:物理學中,把很短的一段通電導線中電流I與導線長度L的乘積叫做電流元．但要使導線中有電流,就要把它連到電源上,所以孤立的電流元是不存在的．不過如果做實驗的那部分磁場的強弱、方向都是一樣的,也就是說磁場是勻強磁場,我們也可以用比較長的通電導線進行實驗．

師:請大家猜想一下,一段通電導線在磁場中受力的大小與什么有關?

生:(可能答案電流I,長度L,磁場的強度,擺放角度等.)

師:請大家設計一個實驗來定性地驗證猜想.

學生分小組進行討論,教師對學生的方案肯定和點評后,介紹實驗器材.

圖5

分組實驗： 如圖5所示，4塊相同的蹄形磁鐵并列放置,可以認為磁極間的磁場是均勻的,將一根直導線懸掛在磁鐵的兩極間,有電流通過時導線將擺動一個角度,通過這個角度我們可以比較磁場力的大小,分別接通“2、3”和“1、4”可以改變導線通電部分的長度,電流強度由外部電路控制．

(1) 先保持導線通電部分的長度不變,改變電流的大小．

學生分析得出結論:通電導線長度一定時,電流越大,導線所受磁場力就越大．

(2) 保持電流不變,改變導線通電部分的長度．

學生分析得出結論:電流一定時,通電導線越長,磁場力越大．

實驗結束后,請學生上講臺說明探究的結論.

通過實驗,再類比電場強度的定義方式,給出了磁感應強度的定義．

3 以問題為導引設置認知平臺,讓學生在討論交流中理解構建物理核心概念的內涵

現代教學論研究指出,從本質上講,感知不是學習產生的根本原因(盡管學生學習是需要感知的),產生學習的根本原因是問題．沒有問題也就難以誘發和激起求知欲;沒有問題,學生也就不會去深入思考,那么學習也就只能是表層和形式的．因此，一方面強調通過問題來進行學習,把問題看做是學習的動力、起點和貫穿學習過程中的主線;另一方面通過學習來生成問題,把學習過程看成是發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程．課程標準中明確提出:“教師要善于引導學生從真實的情境中發現問題,有針對性地展開討論,提出解決問題的思路,使學生的認識逐步得到發展．”問題的發現既可以由教學內容引起,也可以由觀察大量的現象引起．

例如“磁感應強度”一節的教學中,通過演示實驗觀察現象、分組實驗進行探究,得出了磁感應強度的定義．學生基本上可以從文字語言和數學語言描述磁感應強度;但由于學生所具有的物理知識不足和思維的局限性,所下的定義不一定完整,甚至下出錯誤的定義．這時,教師不必急于糾正,而是讓學生展示自己的思維過程,通過設置一些問題引導學生進行討論,深刻領悟物理核心概念的內涵．

為什么用比值(F/IL)來定義磁感應強度?這是本節課的關鍵所在．教師在教學中要適時地提出問題,為學生設置必要的認知臺階,讓他們去經歷并完成新概念的建構過程．

問題1:在F、IL、B3者中,你認為哪個物理量可用來描述磁場的性質?為什么?

在學生思考的基礎上,通過實驗數據分析得出，在同一(勻強) 磁場中F/IL是個定值 ——比值反映規律性.

問題2:在不同的(勻強)磁場中,仍能用F/IL描述它的性質嗎?為什么?

分析實驗數據可見，在不同(勻強)磁場中,F/IL為另一個確定 的比值,且比值大小與磁場的強弱相關——比值具有客觀性．

問題3:在一般的(非勻強)磁場中,還能用F/IL描述它的性質嗎?為什么?

啟發學生用“無限分割、以勻代變”的極限思想進行推理分析．

在討論中使學生相互啟發,不斷糾正錯誤,直至得出完整、準確的定義．對學生的討論交流,教師適當點撥,使學生抓住概念中的關鍵字、詞、句,更準確地理解概念．所以在課堂教學中要盡量多地給予學生自己思考、討論、分析的時間與機會,使他們逐步學會思考．

在物理核心概念教學過程中,需要把握不同概念的特點,選用不同的適用于該概念的教學方法,讓學生主動參與到教學的全過程.教師把學習的主動權還給學生,通過學生的親身體驗,讓學生在有限的時間里擁有多種形式的活動、思維的時間和空間,引導學生積極探索,使學生在探索過程中形成概念、掌握概念,發展學生的多種能力.只有這樣，才能最大限度地讓學生充分理解概念的內涵,把握概念的實質,為靈活運用概念打下堅實的基礎．

1 耿玉盛.以問題引領物理課堂中學生的自主學習[J].湖南中學物理，2014(10)： 26-28.

2017-08-01)