淺談核心素養(yǎng)視角下科學(xué)探究能力的培養(yǎng)
——以“探究安培力的大小”教學(xué)為例

顧夢婷 呂華平

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116)

“安培力的大小”是人教版選修3-1第三章第4節(jié)“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”這一節(jié)中的教學(xué)內(nèi)容，在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中，對這一節(jié)的要求是：通過實驗，了解通電導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用，知道力的方向與哪些因素有關(guān).而在最新的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中，對這一節(jié)的要求是：通過實驗，認識安培力，能判斷安培力的方向，會計算安培力的大小，了解安培力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.并指出可以利用電流天平等簡易裝置測量安培力.可見，“安培力的大小”這一內(nèi)容的重要性有所提升.并且對于“安培力的大小”這一內(nèi)容，在以往的教學(xué)中，大多數(shù)教師會基于課本內(nèi)容進行理論分析，得出一般情況下安培力的計算公式.

基于新課改的教學(xué)理念，人教版選修3-1對于“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容的編排有以下兩點不足.其一，教材指出在學(xué)習(xí)“磁感應(yīng)強度的大小”時，通過“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”這個實驗，已經(jīng)得到了“通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時，導(dǎo)線所受安培力大小為F=ILB”這一結(jié)論.但事實上該實驗為定性實驗，是通過觀察位于磁場中的導(dǎo)線擺動角度的大小來比較導(dǎo)線受力的大小，故而得出“安培力大小與電流強度、導(dǎo)線長度成正比”顯然不妥，有失嚴(yán)謹性；其二，教材直接給出了“當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)線方向平行時，導(dǎo)線受力為零”這一結(jié)論，并未給出任何探究過程或解釋.事實上，這是教師“傳授知識，強調(diào)結(jié)果”的越位現(xiàn)象，顯然不符合新課標(biāo)倡導(dǎo)的自主性學(xué)習(xí)、體驗性學(xué)習(xí)與研究性學(xué)習(xí).

物理新課標(biāo)指出物理核心素養(yǎng)包括：物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任、科學(xué)思維這4個方面.因此，為了契合新課標(biāo)的理念以及使學(xué)生更深刻地理解和掌握“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容，我們以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力為目標(biāo)，設(shè)計了使用電子秤測量安培力，并結(jié)合實驗探究結(jié)果進行理論分析的創(chuàng)新性教學(xué)方案.

1 實驗原理與裝置

1.1 實驗原理

安培力的大小一般都較小，要精確測量具有一定的難度，因此可以利用電子秤測量安培力，從而可以精確到10-2～10-3N.將線圈放置在電子秤上，使其上邊框?qū)Ь€處于勻強磁場區(qū)域內(nèi)，打開電子秤，由于線圈對電子秤有壓力，電子秤上會顯示線圈的質(zhì)量，將示數(shù)調(diào)零.再在線圈中通入電流，此時通電線圈對電子秤的壓力大小即為線圈所受安培力的大小.且當(dāng)安培力的方向向下時，電子秤上的示數(shù)為正值,如圖1所示；當(dāng)安培力的方向向上時，電子秤上的示數(shù)為負值,如圖2所示.

圖1 安培力方向向下時，電子秤示數(shù)為正值

圖2 安培力方向向上時，電子秤示數(shù)為負值

1.2 實驗裝置

根據(jù)以上思路，設(shè)計了如圖3所示的實驗原理圖，實物裝置圖如圖4所示.

圖3 實驗原理圖

圖4 實物裝置圖

實驗裝置包括:(1)安培力演示儀,由電子秤、大號槽型磁鐵、磁極固定架、線圈、刻度圓環(huán)組成.其中,電子秤精確度為0.1 g；大號槽型磁鐵利用磁鐵的兩極提供勻強磁場；磁極固定架由透明亞克力板材制作而成，在磁極固定架上方放置磁鐵，在磁極固定架內(nèi)部放置電子秤；多匝線圈如圖5所示，由0.3 mm的漆包線在長為6.5 cm、寬為3.5 cm的塑料矩形線圈骨架上繞制而成，分別為1個100匝線圈、2個200匝線圈、1個300匝線圈，可以通過改變線圈匝數(shù)來改變處于磁場中的導(dǎo)線長度，并沿線圈下邊框固定一紅色箭頭來標(biāo)示線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向；刻度圓環(huán)如圖6所示，以15°為單位，共360°，并用透明膠粘于電子秤的轉(zhuǎn)盤下方，這樣紅色箭頭在刻度圓環(huán)上所指的角度即電流方向與磁場方向之間的夾角；(2)電流表；(3)學(xué)生電源；(4)滑動變阻器；(5)顯示屏,從電子秤上引出數(shù)據(jù)線到自制的顯示屏上，把電子秤上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上，方便學(xué)生觀察電子秤上的數(shù)據(jù).

圖5 線圈

圖6 刻度圓環(huán)

在實驗中，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來改變線圈中的電流，通過改變線圈的匝數(shù)來改變在磁場中的導(dǎo)線長度，通過改變上邊框?qū)Ь€與磁場的夾角來改變電流與磁場方向之間的夾角，從而達到改變安培力大小的目的.

2 科學(xué)探究

在課堂之初，教師首先引導(dǎo)學(xué)生進行猜想，安培力的大小與什么因素有關(guān)，學(xué)生根據(jù)第二節(jié)所學(xué)知識猜想安培力的大小與電流強度、導(dǎo)線長度等因素有關(guān).

2.1 探究實驗一：當(dāng)磁場B與電流I垂直時 安培力的大小與電流I和導(dǎo)線長度L的關(guān)系

2.1.1 研究安培力與電流強度的關(guān)系

教師向?qū)W生提出問題：如何改變電路中電流的大小？學(xué)生進行思考后，各抒己見：通過調(diào)節(jié)滑動變阻器或通過改變電源電壓大小，并且經(jīng)過討論分析后發(fā)現(xiàn)采用調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)電流大小更為方便.通過學(xué)生的思考交流，不僅活躍了課堂氛圍，而且培養(yǎng)了學(xué)生積極思考問題和合作交流的能力.

教師向?qū)W生呈現(xiàn)設(shè)計好的實驗方案：將一個100匝線圈置于電子秤轉(zhuǎn)盤中央且使線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向與磁場方向垂直(如圖7和圖8所示)，并接入串聯(lián)電路之中，閉合開關(guān)后，在保持磁感應(yīng)強度B與導(dǎo)線長度L均不變的情況下，改變電路中電流I的大小若干次，觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上的示數(shù).

圖7 磁場方向與電流方向垂直示意圖

圖8 磁場方向與電流方向垂直實物圖

接著，師生合作進行實驗.值得注意的是，在連通電路之前需將電子秤上示數(shù)調(diào)零.在實驗過程中，引導(dǎo)學(xué)生仔細觀察實驗現(xiàn)象，及時記錄下實驗數(shù)據(jù).并且引導(dǎo)學(xué)生思考討論安培力的大小與電子秤上示數(shù)之間的關(guān)系，最終得出結(jié)論.例如,當(dāng)測得的示數(shù)為0.9 g時，意味著此時導(dǎo)線所受安培力的大小等于一個0.9 g的重物對電子秤的壓力大小，即安培力的大小為9×10-3N.

對于記錄下來的實驗數(shù)據(jù),如表1所示，教師請學(xué)生在坐標(biāo)紙上進行描點、連線，并提出問題：安培力的大小與電流強度是什么關(guān)系？

表1 安培力與電流關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計

如圖9所示，學(xué)生通過分析圖像,得出結(jié)論：安培力的大小與電流強度I成正比.在這一過程中，提高了學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)的能力和表達能力.

圖9 安培力與電流關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

2.1.2 研究安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系

對于如何研究安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系這一問題，教師給學(xué)生一定的思考時間，并在進行交流討論后，設(shè)計得出較為完善的實驗方案：在電路中分別接入或串聯(lián)接入不同匝數(shù)的線圈，便可以改變位于磁場中的線圈上邊框?qū)Ь€的長度，保持磁感應(yīng)強度B與電流強度I為0.2 A不變，觀察并記錄顯示屏(電子秤)上的示數(shù).

記錄數(shù)據(jù)后,如表2所示，教師給學(xué)生充足的時間進行數(shù)據(jù)處理(如圖10所示)、思考交流，最終得出結(jié)論：安培力的大小與導(dǎo)線長度L成正比.

表2 安培力與導(dǎo)線長度關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖10 安培力與導(dǎo)線長度(匝數(shù))關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

2.2 探究實驗二：當(dāng)磁場B與電流I平行時 安培力的大小為零

教師提出問題：當(dāng)磁場B與電流I平行時，安培力的大小為多少？引導(dǎo)學(xué)生進行猜想和假設(shè).教師轉(zhuǎn)動電子秤的轉(zhuǎn)盤，使線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向與磁場方向平行(如圖11和圖12所示)，閉合開關(guān)后，觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上示數(shù)為零.

圖11 磁場方向與電流方向平行示意圖

圖12 磁場方向與電流方向平行實物圖

學(xué)生思考后得出結(jié)論：當(dāng)磁場B與電流I平行時，安培力的大小為零.

2.3 探究活動三：當(dāng)磁場B與電流I成任意夾角θ時 安培力F∝sin θ

遵循從特殊到一般的研究思路，教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題：當(dāng)磁場B與電流I成任意夾角θ時，安培力的大小與夾角θ的關(guān)系是什么？如何通過實驗探究安培力的大小與夾角θ的關(guān)系？

教師啟發(fā)學(xué)生結(jié)合之前的探究經(jīng)驗，以小組為單位討論設(shè)計出實驗方案進行進一步探究.小組討論完畢后，請各小組派出代表介紹本組的實驗方案.最后結(jié)合各組的方案，最終得出最佳方案：保持磁感應(yīng)強度B以及電流I為0.2 A不變，通過轉(zhuǎn)動電子秤的轉(zhuǎn)盤來改變線圈中電流方向與磁場方向之間的夾角，每隔15°觀察并記錄一次數(shù)據(jù)，直到360°為止.通過這一過程，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，而且提高了學(xué)生的合作意識和表達能力.

記錄數(shù)據(jù)如表3所示，學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理.經(jīng)過描點、連線后，學(xué)生在一片驚呼中發(fā)現(xiàn)，該圖像就是正弦函數(shù)的圖像,如圖13所示.由此得出結(jié)論：安培力的大小與sinθ成正比.

表3 安培力與夾角關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜合以上3組探究實驗，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下經(jīng)過討論分析得出，安培力的計算公式即為F=ILBsinθ.并且值得注意的是，在進行3組探究實驗的過程中，教師盡量給學(xué)生足夠的時間思考實驗中可能出現(xiàn)的問題，在學(xué)生得出實驗數(shù)據(jù)后進一步引發(fā)學(xué)生的反思和質(zhì)疑：實驗結(jié)果的誤差是由什么原因造成的？實驗中有哪些地方值得改進？目的在于強調(diào)讓學(xué)生在具體情境中像“科學(xué)家”一樣主動參與，積極地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題.這樣，不僅獲取了知識，還發(fā)展了技能，培養(yǎng)了綜合能力，形成了初步的物理核心素養(yǎng).

圖13 安培力與夾角關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

3 理論分析

在實驗探究完成之后，教師應(yīng)趁熱打鐵從理論角度出發(fā)，運用“從特殊到一般”的科學(xué)方法帶領(lǐng)學(xué)生重新研究安培力的大小.

教師向?qū)W生展示電流I與磁場B成θ角的示意圖，提出問題：如何對位于磁場中的導(dǎo)線進行受力分析？給學(xué)生充足的時間進行思考與交流討論.并引導(dǎo)學(xué)生類比力的正交分解，將同為矢量的磁感應(yīng)強度B進行分解如圖14所示，分解為垂直于導(dǎo)線的分量B⊥和平行于導(dǎo)線的分量B‖.

圖14 B與導(dǎo)線夾角為θ時B的分解示意圖

結(jié)合剛才探究實驗一和二的結(jié)論，學(xué)生在思考后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)線處于B⊥這個磁場中時，導(dǎo)線所受的安培力為F=ILB⊥，即ILBsinθ；當(dāng)導(dǎo)線處于B‖這個磁場中時，導(dǎo)線所受的安培力為零.

最后，根據(jù)合力是分力的等效替換，學(xué)生通過計算得出導(dǎo)線所受的合力F為ILBsinθ.這與實驗探究的結(jié)果相一致.

4 教學(xué)效果

4.1 培養(yǎng)學(xué)生的問題意識

愛因斯坦曾說過：提出一個問題往往比解決一個問題更重要.教師要善于引導(dǎo)學(xué)生在觀察后有所發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)出有價值的物理問題.如當(dāng)連通電路后，學(xué)生觀察到電子秤上有示數(shù)時，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生思考電子秤上的示數(shù)與安培力大小之間的關(guān)系.教師還可以在創(chuàng)設(shè)一些任務(wù)后，如在探究完電流與磁場平行時安培力為多少以后，隨即讓學(xué)生運用科學(xué)思維，提煉出接下來要探究的問題，即電流與磁場成任意夾角時，安培力又為多少.通過鼓勵學(xué)生大膽提問、學(xué)會提問，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，也為進一步開展科學(xué)探究奠定了基礎(chǔ).

4.2 培養(yǎng)學(xué)生的探究能力

教師要盡量將課堂交還給學(xué)生，以一個探究者的身份參與到活動中去，在重要環(huán)節(jié)可以進行適當(dāng)提示，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力.例如，在探究安培力的大小時，可以提出以下問題進行引導(dǎo)：安培力的大小與什么因素有關(guān)呢？如何通過實驗測出這些因素對安培力的影響？怎樣改變電路中電流的大小呢？如何對實驗數(shù)據(jù)進行處理呢？等等.但不要急于干涉學(xué)生的探究活動.教師可以在學(xué)生思考、交流時進行觀察，去傾聽學(xué)生的問題和想法，教授學(xué)生一些科學(xué)思維和研究方法，例如：控制變量法、等效替代法等，真正做到“授漁”而非“授魚”.在教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)下，通過分步探究，步步深入，可以讓學(xué)生像科學(xué)家做研究一樣去經(jīng)歷探索和發(fā)現(xiàn)的過程，思維也經(jīng)歷了由淺入深、由表及里的深化過程.

4.3 培養(yǎng)學(xué)生的小組合作精神

在探究活動中，學(xué)生往往會基于自己的知識與經(jīng)驗來建構(gòu)對事物的理解.但是由于每個學(xué)生已有的經(jīng)驗、知識背景、思考問題的角度不同，因此對事物的理解和解決方式也會不盡相同，例如，對于“如何探究當(dāng)磁場B與電流I成θ角時，安培力的大小與夾角θ的關(guān)系”這個問題，每個學(xué)生會對實驗方案有不同的想法，有的學(xué)生認為可以轉(zhuǎn)動線圈來改變B與I之間的夾角，也有學(xué)生認為可以轉(zhuǎn)動磁鐵來改變夾角.此時教師如果引導(dǎo)學(xué)生進行小組合作與交流，就可以使學(xué)生取長補短，制定出更為完善、更為有效方便的實驗方案.這樣不僅提高了學(xué)生的交流表達能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生的小組合作意識.

4.4 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

在學(xué)習(xí)“安培力的大小”這一節(jié)時，在實驗探究后，再從理論角度出發(fā)，通過“由特殊到一般”的科學(xué)研究方法，將導(dǎo)線放置于特殊的磁場(與導(dǎo)線垂直或平行的磁場)中進行受力分析.最后運用合力是分力的等效替換這一結(jié)論，從而得出導(dǎo)線所受的合力，也即一般情況下安培力的計算公式.在這一過程中，引導(dǎo)學(xué)生使用探究實驗一和二的結(jié)果進行進一步的理論分析，從而得出與實驗探究相一致的結(jié)果.通過這一探究過程，讓學(xué)生在思維上碰撞出了智慧與創(chuàng)新的火花，這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

5 教學(xué)反思

科學(xué)探究的7個步驟是：提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與搜集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作.為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣，在日常教學(xué)活動中，教師要善于挖掘和提高學(xué)生的科學(xué)探究能力.正如在“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容中，通過使用電子秤測量安培力，并結(jié)合實驗探究結(jié)果進行理論分析的創(chuàng)新性教學(xué)方案，我們將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的任務(wù)完美地融入到教學(xué)之中，培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識、探究能力、小組合作精神以及創(chuàng)新能力.此外，通過讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，還激發(fā)了學(xué)生對物理學(xué)科的興趣，從而產(chǎn)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”以及從“學(xué)會”到“會學(xué)”的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到了提升.