運用“NB物理實驗”軟件，提升學科核心素養——以“帶電粒子在勻強磁場中的運動”的教學設計為例

樂露露 元 瑤 廖湘萍* 王詩龍

（1.湖南工業大學理學院，湖南 株洲 412007；2.株洲市八中，湖南 株洲 412000）

當前基礎教育理論伴隨著信息化建設水平的不斷更新與提高，對中學物理教學相應也提出了更高的要求：物理課程要始終以提升學生的物理核心素養為目標，并且作為一門以實驗為依托的基礎性學科，提倡讓學生在充分經歷科學探究的過程中學習科學研究方法，鍛煉實踐能力和創新能力，養成科學態度與精神.［1］因此，教師在物理教學的過程中，既要重視培養學生的能力，又要注重信息技術與課堂融合以提高教學質量.虛擬仿真實驗是一種新興實驗手段，能為我們的物理實驗教學提供新的選擇，也是教育信息化服務于教學的重要應用.筆者以“帶電粒子在勻強磁場中的運動”教學設計為例，探討如何運用“NB物理實驗”仿真軟件，優化課堂教學，提升學生核心素養.

1 “NB物理實驗”軟件的特點

NOBOOK虛擬實驗軟件（NB物理實驗）中包含力、熱、電、磁、光和聲學6個獨立應用APP，是專門為初高中教師打造的物理實驗操作與演示工具.其優點在于：學生可自主在平臺上設計實驗探究方案；能任意選擇并組裝相應實驗儀器、不受實驗步驟限制地完成實驗并記錄實驗數據與結果；不受時空限制，充分利用碎片化時間自主學習，以達到加深對實驗的理解，提高實驗教學效率的目的.虛擬仿真實驗運用于教學之中的形式多樣，需要教師根據多角度多因素來精心設計.

2 教學設計

筆者選擇以最新高中物理教材選擇性必修2“帶電粒子在勻強磁場中的運動”為例，融合仿真實驗輔助教學，以提升學生的學科核心素養.仔細研讀新教材后，制定如圖1所示的課堂教學流程.

圖1 課堂教學流程圖

2.1 情景引入

（1）情景引入，激趣設疑.

教師播放一段我國最北部漠河上空的北極光短視頻，提問“同學們知道極具炫目的極光現象是怎樣形成的嗎？極光的運動軌跡為什么是曲線呢？在我們株洲上空怎么就沒有？”（由于太陽風暴粒子被地球磁場捕獲，與地球大氣摩擦碰撞發光而形成，指出帶電粒子的運動情況與它所受到的力有關），由此拋出今天的課題.

（2）回顧舊知，形成物理觀念.

讓學生回顧：什么是洛倫茲力？怎樣確定它的方向和大小？然后啟迪學生思考：在洛倫茲力作用下，帶電粒子在勻強磁場中究竟會做什么性質的運動？教師試探性地提問：做勻速直線運動還是曲線運動？平拋運動還是勻速圓周運動？（粒子考慮重力／不考慮重力、垂直入射／平行入射）不管學生做怎樣回答，都立即追加他所判斷的依據：為什么呢？步步引導學生，直到他們有理有據、相對完整的闡述自己的觀點.

設計意圖：（1）通過播放實際生活中的漠河極光短視頻為學生創設一個良好的物理情境，以調動他們主動參與課堂新知探究的積極性；再通過不斷啟發式的提問與質疑為學生開啟思考按鍵，培養學生利用初步建立起來的磁場、運動電荷以及相互作用等物理觀念，從物理學視覺角度解釋自然現象的意識.［2］

（2）復習鞏固上一節課的知識：啟發學生從已有的知識（運動的粒子在磁場中受到“洛倫茲力”）進入本節課的研究：這個“力”對帶電粒子在勻強磁場中運動的影響.使學生明白兩節課之間的內在聯系，一舉突破（不計重力）垂直入射的帶電粒子為什么會做勻速圓周運動的難點.

2.2 實驗探究

（1）科學推理，拋出問題.

經過剛才學生們的推理與假設，多數認為：“若忽略重力，帶電粒子垂直入射某一勻強磁場，依據左手定則，洛倫茲力方向始終與粒子速度方向垂直，這個力將永不做功，只改變速度方向而不改變速度大小，做勻速圓周運動.

關于運動性質的猜想是否正確，需要實驗驗證.

此時，教師用PPT展示洛倫茲力演示儀，結合書本內容，向學生簡單地介紹儀器的基本結構、功能和工作原理，并請他們思考：若粒子運動確如猜想的一樣，哪些因素可改變它運動軌跡半徑r的大小？

（2）提出猜想，作出假設.

學生：仔細觀察演示儀，認真思考與分析，組內交流與討論，踴躍回答問題.

學生1：改變加速電壓U的大小.

學生2：改變勵磁電流I的大小.

（3）設計方案，探究驗證.

學生“虛擬探究”驗證：教師打開“NB物理實驗”，找到對應的洛倫茲力演示儀，并簡要介紹軟件的操作方法，鼓勵學生代表上臺動手親自操作.改變不同的參數，一一驗證剛剛同學們的猜想，檢驗其正確與否.

演示1.學生使用NB物理實驗軟件進行虛擬演示操作驗證自己的猜想.

實驗現象：明顯看出，① 電子在沒有外加磁場作用時運動軌跡是一條直線；② 電子在加上某一勻強磁場之后的運動軌跡是一個圓形；③ 電壓越大軌跡圓越大，電流越大軌跡圓越小.

圖2 虛擬洛倫茲力演示儀

教師“真實實驗”證實：再次驗證學生對于運動軌跡的猜想.

演示2.教師利用真實的洛倫茲力演示儀進行操作（圖3）.

圖3 真實洛倫茲力演示儀

“虛擬探究”和“真實實驗”結果一致.

（4）理論分析，總結歸納.

洛倫茲力提供向心力，粒子在平面內做勻速圓周運動.通過上面的實驗探究，嘗試讓學生歸納總結，教師完善補充.

結論：增大或減小加速電壓U以及勵磁電流I都會影響粒子運動的半徑r.其實質是：加速電壓和勵磁電流的改變分別引起粒子速度v和磁感應強度B的變化，導致運動半徑的改變.

設計意圖：筆者改變傳統教學模式，將一般演示實驗改為學生虛擬探究實驗+教師真實驗證實驗，不僅為學生提供了自主動手操作的機會，同時也增強了知識的直觀性和實驗的信服力.讓學生在歷經猜想、設計方案、實驗探究和驗證、歸納總結的過程中，提升科學探究能力，從而更好地掌握物理概念及規律.

2.3 理論深究

勻強磁場B中，一電荷量為q，質量為m的帶電粒子以速度v垂直射入，不計重力，分別求出粒子做圓周運動的半徑r以及周期T.

說明：（1）從推導出的公式，發現影響帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動軌跡半徑r的因素除了速度v、磁感應強度B外，其實還與另一個因素荷質比有關.剛才的實驗無法體現，是因為同一個洛倫茲力演示儀它發射的粒子比荷是確定的.粒子運動速度v和荷質比屬于內因，磁感應強度B屬于外因.

（2）影響運動周期T的因素有：荷質比、磁感應強度B，與運動速度v無關.

然后，教師打開“NB物理實驗”軟件，模擬帶電粒子在勻強磁場中的運動情況，顯示粒子在圓周運動時的洛倫茲力、加速度、速度大小參數，如圖4-6所示.

圖4 虛擬仿真演示實驗：帶電粒子進入勻強磁場中界面參數設置

圖5 帶電粒子以不同的速度進入磁場

圖6 帶電粒子以不同的角度進入有界磁場

設計意圖：（1）利用虛擬實驗演示帶電粒子的運動情況，學生能非常直觀動態地“看到”洛倫茲力總是與速度垂直，有效克服思維定勢對學習的影響；（2）拓展在有界磁場中，帶電粒子以不同的角度進入磁場，加強學生關于帶電粒子運動規律的感性認識；（3）引導學生從幾何圓的知識尋找圓心位置，最后確定帶電粒子在磁場做圓周運動所用的時間t.

2.4 真題探源，核心素養聚焦

筆者以一道經典例題為引子，來強化學生對所學原理和規律的掌握程度.

例題.如圖7所示，x軸下方存在一勻強磁場B.P是y軸上與原點相距為h的點，N0是x軸上與原點相距為a的點.A是一塊距離x軸的平行擋板，板長度略小于，板中點交于y軸.若帶電粒子與擋板A碰撞前后，x方向速度不變，y方向速度反向、大小不變.［3］一質量為m，電荷量為+q的粒子沿PN0方向入射，最后又回到P點.求粒子入射速度的所有可能值（不計重力）.

圖7

素養聚焦：本道例題通過在有界磁場中帶電粒子的運動考查物理觀念中的運動觀念，① 需要學生通過逆向思維推理粒子射出磁場的速度方向、碰撞擋板前后的速度方向；② 結合數學幾何知識，確定粒子勻速圓周運動的圓心位置及半徑大小；③ 依據粒子和板碰撞的次數，分析在磁場中圓弧軌跡對應的弦長變化關系，考查學生的動態思維能力；④ 強化學生解題素質（圖9），讓他們得到高層次的提高.

圖9 解題的基本素質

圖8 解析圖

解析過程（如表1）.

表1

設計意圖：通過對例題的精心設計和具體實施，引導學生對基礎知識和基本物理過程做不斷深入思考與領悟、總結與遷移，讓學生有解決其它異類情境問題的能力.

3 案例特色與思考

（1）以情景為依托、“問題”為主線，培養學生科學思維能力.［4］課堂從引入“極光”開始，一個良好的物理情景可以使每一位學生積極地參與到課堂上來.然后以開放式的題目、啟發式的提問為學生們提供充足自主探究的機會，拓展他們的思維空間，同時實現師生間的有效互動.

（2）重視實驗教學，讓學生在歷經科學的自主探究過程中加強感性認識.在探討影響粒子軌道半徑因素的教學過程中，一改傳統的教學模式，將演示實驗改為學生虛擬探究實驗、教師真實驗證實驗相結合的模式.在教師的指導下，學生大膽猜想、積極思考，然后應用“NB物理實驗”仿真軟件，進行科學探究，充分發揮學生的主體地位；然后通過教師真實實驗的演示鞏固和強化，虛實融合，豐富學生的感官體驗.

（3）培養探究和解決物理問題的科學方法，形成科學的理念.物理除了基本概念和規律的教學外，還需要有適當的習題教學以提高學生的解題技巧和解題素質.讓學生在科學理念的指導下，把握聯系，看清本質.

（4）本節課容量較大.首先，要學生突破對垂直入射某一勻強磁場的帶電粒子做勻速圓周運動這一知識難點的理解.然后，能推導出運動基本規律公式；還要求學生能根據對稱性、幾何關系能找到圓心位置.最后，筆者所挑選的例題屬于高考原題，有一定代表性和難度，想要達到一個較為理想的教學效果，還需進一步地實踐與改進.

4 結論

本文以“帶電粒子在勻強磁場中的運動”教學設計為例，運用“NB物理實驗”仿真軟件，使虛擬探究實驗與真實實驗相融合，讓學生歷經提出猜想—設計方案—實驗探究和驗證—歸納總結—理論升華的過程，提升科學探究能力，實現在物理課堂教學中更好地培育和提升學生核心素養.