研讀不同版本教材 提升學(xué)生核心素養(yǎng)
——以“磁場對運動電荷的作用”一課為例

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

研讀不同版本教材提升學(xué)生核心素養(yǎng)
——以“磁場對運動電荷的作用”一課為例

張連之

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)是中學(xué)物理教學(xué)之價值所在，在目前與“提升學(xué)生核心素養(yǎng)”相匹配的“新教材”還未出版的情況下，研讀不同版本的現(xiàn)行教材，集眾家之長，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計學(xué)習(xí)活動是全面提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑。

高中物理教學(xué)；核心素養(yǎng)；多版本教材

經(jīng)過多年教育改革，素質(zhì)教育成效顯著，但與立德樹人的要求還存在一定差距[1]。北京師范大學(xué)等多所高校的近百名研究人員，通過基礎(chǔ)理論研究、國際比較研究、傳統(tǒng)文化分析等途徑構(gòu)建了“中國學(xué)生的核心素養(yǎng)體系”，從頂層設(shè)計上試圖解決這些難題。學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，最終要落在學(xué)科核心素養(yǎng)的培育上。目前基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的“新教材”正在編寫之中，作為教育的“行為者”和課程的“實施者”的教師在現(xiàn)實情景下，如何實施有效教學(xué)，履行“提升學(xué)生核心素養(yǎng)”的職責(zé)，是當(dāng)前亟待解決的問題。

自2003年課程標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，高中物理教材出現(xiàn)“一標(biāo)多本”的局面。對教師而言，如能對不同教材進(jìn)行認(rèn)真的分析、比較，汲取精華，無疑將有助于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)活動的有效開展。筆者通過對人教版、魯科版、教科版教材中“磁場對運動電荷的作用”章節(jié)內(nèi)容的研讀，精心設(shè)計教學(xué)案例，希望能給同行提供參考。

1 學(xué)生物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個方面的要素構(gòu)成。

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動、能量和相互作用的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華；是運用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力。

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。

科學(xué)探究要求學(xué)生具有科學(xué)探究的意識，能在真實情境中提出物理問題，形成猜測和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取信息并處理信息，形成結(jié)論，對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)、理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上形成的對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心。

2 研讀不同版本教材，提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)案例

2.1 增加導(dǎo)入環(huán)節(jié)的魔術(shù)色彩，激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，點燃學(xué)生對科學(xué)探究的熱情

興趣是最好的老師。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，人教版教材提出了兩個問題：電視顯像管中的電子為什么能使整個屏幕發(fā)光？從宇宙深處射來的帶電粒子為什么只在地球的兩極引起激光？魯科版教材在人教版教材的兩個問題基礎(chǔ)上，又用“電視給人們的生活帶來巨大變化”“震撼人心的極光”兩幅圖片強化視覺效果。教科版教材則單刀直入地進(jìn)行“觀察和思考”。

圖1

特級教師于漪說：“在課堂教學(xué)中要培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的興趣，首先應(yīng)抓住導(dǎo)入新課的環(huán)節(jié)。一開始就把學(xué)生牢牢地吸引住。”通過比較三種教材的引入環(huán)節(jié)，筆者認(rèn)為極光現(xiàn)象雖然“美不勝收”，但離學(xué)生生活太遠(yuǎn)，學(xué)生缺少感性認(rèn)識，可在“電視顯像管中的電子為什么能使整個屏幕發(fā)光”這一問題上做文章。教學(xué)中筆者設(shè)計了一個“舞動屏幕”的實驗，增加導(dǎo)入環(huán)節(jié)的魔術(shù)色彩。實驗時教師手持一塊磁鐵伴隨著音樂的節(jié)拍在廢舊電視機(jī)顯示屏(CRT屏)前晃動(如圖1)，可見電視機(jī)的圖像“踏著”音樂節(jié)拍在不停地“舞動”。極大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，點燃了學(xué)生對科學(xué)研究的熱情。

2.2 賦予演示實驗以探索的思想內(nèi)涵，形成物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

洛倫茲力的方向是本節(jié)教學(xué)的重點和難點。人教版教材通過“觀察陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)”的演示實驗，結(jié)合“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”推斷出：洛倫茲力的方向可以用左手定則判定。魯科版教材通過“實驗與探究”活動，探究磁場對靜止、運動的電荷是否有作用，洛倫茲力方向的判定方法則在理論推導(dǎo)出洛倫茲力大小的基礎(chǔ)上直接給出。教科版教材通過“帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)”的演示實驗說明磁場對運動電荷有作用力，洛倫茲力方向的判定方法與魯科版教材相同。

圖2

通過研讀三種教材，筆者認(rèn)為應(yīng)該賦予演示實驗以探索的思想內(nèi)涵，設(shè)計探究活動。通過該活動不僅僅要探究出判斷洛倫茲力方向的方法，更重要的是通過該活動，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程，形成物理觀念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的思維品質(zhì)。筆者在執(zhí)教“洛倫茲力的方向”時的教學(xué)片斷如下。

(1) 提出問題

觀察如圖2所示的演示實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：沒有磁場時，電子沿直線運動；加上磁場時，電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。改變磁場方向時，電子束的徑跡會受到影響。怎樣確定運動電子的受力方向？磁場方向、電子的運動方向與其受力方向有什么關(guān)系？

(2) 猜想與假設(shè)

磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，磁場對電流作用力的實質(zhì)可能是磁場對運動電荷的作用力。

(3) 進(jìn)行實驗

介紹陰極射線管，演示陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)。改變磁場方向，設(shè)計表格讓學(xué)生記錄電子束偏轉(zhuǎn)的情況，并分析其受力的方向。讓學(xué)生利用帶有箭頭的三根硬導(dǎo)線(分別表示磁場的方向、電子受力的方向、電子運動的方向)，按照實驗結(jié)果插在泡沫球上，制作“洛倫茲力方向”模型進(jìn)行交流和展示。

(4) 分析論證

根據(jù)前面對安培力實質(zhì)的猜想和安培力方向的判斷法則，結(jié)合實驗記錄，特別是“洛倫茲力方向”的模型，概括得到：洛倫茲力方向應(yīng)垂直于電荷運動方向和磁場方向，并用左手進(jìn)行判斷(注意：電子束的運動方向與電流方向是相反的)。

(5) 歸納總結(jié)

歸納洛倫茲力的方向，說明安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

“洛倫茲力方向”的探究活動不僅能夠讓學(xué)生確信洛倫茲力的存在，得到判斷洛倫茲力方向的方法，而且洛倫茲力與磁場和電荷運動方向之間的關(guān)系是“安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”的一個有力的佐證。通過這一探究活動的體驗，使學(xué)生形成正確的物理觀念，提高其科學(xué)探究能力。

2.3 精設(shè)問題，引領(lǐng)理論探究，鋪設(shè)臺階，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

洛倫茲力的大小是本節(jié)教學(xué)的另一個重點和難點。人教版教材結(jié)合立體模型圖(如圖3)，通過3個問題引領(lǐng)學(xué)生嘗試，由安培力的表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式。魯科版教材結(jié)合平面模型圖(如圖4)，直接導(dǎo)出電流的微觀表達(dá)式及安培力和洛倫茲力數(shù)值關(guān)系后，將剩余下的推導(dǎo)過程，以填空的形式讓學(xué)生完成。教科版教材則是給出了由安培力表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力表達(dá)式的整個過程。

圖3

圖4

由安培力推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式的過程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，特別是邏輯思維能力的好機(jī)會，應(yīng)該盡可能地讓全體學(xué)生都參與到這一過程。相比較而言，人教版教材的處理方式比較好。由于學(xué)生構(gòu)建模型的能力比較弱，一段時間內(nèi)通過某一橫截面的粒子數(shù)和電流微觀表達(dá)式的推導(dǎo)應(yīng)是教學(xué)難點。因此筆者在教學(xué)中在人教版教材的基礎(chǔ)上設(shè)計了4個問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推導(dǎo)、論證。

電荷定向移動時所受洛倫茲力的矢量和，在宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)線所受的安培力。請學(xué)生嘗試由安培力表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式(這里只討論簡單的情況：導(dǎo)線的方向與磁場方向垂直)，建議學(xué)生沿以下邏輯線索思考。

(1) 如圖3所示，設(shè)導(dǎo)線中每個帶電粒子定向運動的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出圖中一段導(dǎo)線中的粒子數(shù)，這就是在t時間內(nèi)通過橫截面a的粒子數(shù)N。

(3) 寫出這段長為vt的導(dǎo)線所受的安培力F安。

(4) 求出每個粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。

學(xué)生結(jié)合4個問題進(jìn)行推導(dǎo)和討論，學(xué)生能夠感悟到推導(dǎo)的思維線索和邏輯過程。不僅知道了“要這樣做”，更知道了“為什么這樣做”，通過科學(xué)推理，形成物理規(guī)律，從而培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)能力和科學(xué)推理、論證能力。

2.4 開發(fā)傳統(tǒng)器材的新功能，增強學(xué)生的證據(jù)意識，提升學(xué)生的實驗探究能力

由安培力表達(dá)式導(dǎo)出的洛倫茲力表達(dá)式是否正確，學(xué)生很渴望能夠用實驗進(jìn)行驗證。無論是人教版、魯科版還是教科版教材都沒有給出驗證方法。若能設(shè)計出實驗方案，驗證洛倫茲力的表達(dá)式是否正確，必將極大的激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究的熱情。教科版教材通過理論推導(dǎo)的方式推理出：帶電粒子垂直進(jìn)入勻強磁場中將做勻速圓周運動。人教版教材在下一節(jié)介紹了“洛倫茲力演示儀”的工作原理(如圖5)，并用它來說明：“帶電粒子垂直進(jìn)入勻強磁場中將做勻速圓周運動”。筆者在教學(xué)中將兩者相結(jié)合，引領(lǐng)學(xué)生設(shè)計方案驗證洛倫茲力的表達(dá)式，具體實驗步驟如下。

圖5

(2) 測量磁感應(yīng)強度。通電勵磁線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強度的大小可用磁傳感器直接測量，磁傳感器輸出的電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入計算機(jī)，磁感應(yīng)強度的大小可以直接讀出。

(4) 比較洛倫茲力F大小和evB大小是否相等。

(5) 改變加速電壓U和勵磁電流I，重復(fù)實驗3次。

利用“洛倫茲力演示儀”來驗證洛倫茲力的表達(dá)式是否正確，是一個創(chuàng)新，學(xué)生對此很感興趣。通過本實驗的開發(fā)，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計實驗探究方案和獲取證據(jù)的能力，課堂上筆者引領(lǐng)學(xué)生使用Excel表格進(jìn)行處理，凸顯了信息技術(shù)與物理實驗相整合的優(yōu)勢，培養(yǎng)了學(xué)生使用不同方法和手段分析、處理信息的能力。

提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)是中學(xué)物理教學(xué)之價值所在[2]。物理教師應(yīng)該依托現(xiàn)有教材，研讀不同版本教材，取其精華，以學(xué)生核心素養(yǎng)的提升為目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的學(xué)習(xí)情境，精心設(shè)計學(xué)習(xí)活動，關(guān)注學(xué)生個體知識的建構(gòu)，形成物理觀念，提升全體學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，進(jìn)而為學(xué)生今后的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

[1] 林崇德．21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2016：1-70．

[2] 蔣天林．基于學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升的教學(xué)實踐[J]．物理教師，2017，(1)：7-9．