基于科學思維的實驗教學實踐研究*
——以“磁感應強度”的概念建立為例

張利國

(北京交通大學附屬中學 北京 100081)

梁吉峰

(北京航空航天大學實驗學校中學部 北京 100191)

鄧靖武

(北京教育學院數理學院 北京 100120)

1 通過實驗感悟磁場的存在思考其本質屬性

本環節的教學過程以問題引領，如表1所示，因為磁場看不見摸不著，所以必須借助第三方來感受磁場的存在和強弱，課堂中借助的第三方是小磁針(圖1)或通電導線(圖2).通過觀察小磁針的指向和磁場中通電導線的運動來感知磁場.

圖1 小磁針 圖2 通電導線

表1 以問題引領教學

設計意圖：本環節的任務是通過問題驅動線索，運用多種手段來“感受”磁場及其強弱.磁場雖然看不見摸不著，但通過小磁針的旋轉和通電導線的受力可以推知磁場的存在和磁場的強弱.教師引導學生可持續性的理解磁場的存在、磁場的強弱.有了磁場存在的證據，下一步就要思考如何引入一個新的物理量來描述場，在此環節教師幫助學生結合運用簡單枚舉歸納方法和消去歸納的方法通過持續思考嘗試并最終確定描述磁場屬性的物理量，彰顯科學思維的魅力.總體而言，從科學思維的角度，本環節重在“模型建構”，抓住磁場的本質屬性，即對放入其中的小磁針以及通電導線有力的作用；從科學探究的角度，本環節重在“問題”，即體會磁場的存在，發現磁場強弱的不同，需要一個描述方法.

2 通過演示實驗來共同探究共同體驗共同領悟

圖3 探究影響磁場力因素實驗電路圖

圖4 探究影響磁場力因素實驗實物圖

探究步驟1：猜測.學生比較容易猜到磁場力F和導線中的電流I相關，和處在磁場中通電導線的長度L有關，不容易猜到與通電導線和磁場的夾角θ有關，此時輕轉磁場，如圖5所示，學生看到力傳感器示數的變化，就會建立磁場力與夾角之間的聯系.

圖5 磁場與通電導線之間的夾角變化

探究步驟2：調零.在線圈不通電的情況下力傳感器的示數等于線圈所受的重力，調零，使力傳感器僅顯示線圈所受的磁場力，示數的正負反映磁場力的方向.

探究步驟3：變I.控制變量，保證磁場中導線長度L不變，為了示數比較明顯，取通電導線和磁場的夾角θ=90°，移動滑動變阻器的滑片，改變電流I，讀出磁場力F，記錄數據(表2)，并用Excel表格作出圖像如圖6所示，可知力F與電流I成正比.

表2 F-I數據表格

圖6 F-I圖像

探究步驟4：變θ.控制變量，保證磁場中導線長度L不變及電流I不變，依次改變通電導線和磁場的夾角θ，讀出磁場力F，記錄數據(表3)，并用Excel表格作出圖像如圖7所示.

表3 F-θ數據表格

圖7 F-θ圖像

圖像似乎是一條正弦圖像，可以追問學生，“由依據Excel表格擬合的散點圖，是否可以斷定F與sinθ成正比？如果該推斷還不夠嚴謹，應如何改進？”幫助學生化曲為直，用Excel表格處理F與sinθ的關系(圖8)，通過圖像確定二者間的正比關系.

圖8 F-sin θ圖像

探究步驟5：變L.理論探究磁場力F與磁場中導線長度L的關系，在保證電流I，夾角θ=90°的條件下，依次接通“1，2”“1，3”和“1，4”時，問學生，“導線所受磁場力如何變化？”成倍數改變磁場中通電導線的長度，相當于成倍數增加磁場力的個數，如圖9所示，即力F與長度L成正比.

圖9 F-L關系示意圖

設計意圖：本環節的任務是探究影響磁場力大小的因素，也就是說要找到通電導線所受磁場力F與電流I、導線長度L以及夾角正弦值sinθ之間的“神奇的數學關系”——正比關系，在相關探究和推理的過程中，教師引導學生首先是靈活地選定了需要控制的物理量和最易于探究的線框的狀態，在探究過程中3次運用了控制變量法，經歷了一系列的比較分析和總結歸納，并最終通過綜合歸納找到了描述磁場強弱的物理量.特別是在幫助學生尋找磁場力F與夾角θ以及夾角的正弦值sinθ之間的函數關系的時候，學生發現了磁場力的“正負”，以及磁場力與角度的非線性關系，這些環節深刻地激發了學生的認知沖突，引發了學生的巨大疑問，進而就有了更加深入的思考，進一步幫助學生領悟了源于質疑歸宿于創新的科學精神！尋找各物理量關系的探究過程可謂“一波多折”，此時教師引導學生回憶可能相關的數學函數，并且運用Excel進一步定量探究出最簡潔的結論.實驗結論的得出過程精彩紛呈，彰顯了物理之美，大大激發了學生對于物理的熱愛，教學設計還是比較精妙的.在本環節中每次正比規律的得出，都經過了對實驗數據的分析，最后歸納出磁場力F與電流元IL的關系，這就是科學思維中“科學推理”要素在本節課中的具體運用；對實驗結果以及實驗結論的反思需要學生的質疑精神和創新能力，尤其是作出F-θ圖像后，看似正弦圖像，但是否是正弦關系，需要進一步畫出F-sinθ圖像，這充分體現了科學思維中的“質疑創新”要素.從科學探究的角度來說，本環節設計實驗、獲取數據、作出圖像的過程，都是在尋找“證據”.

3 通過師生的持續交流輔助學生建立磁感應強度的概念

本環節旨在通過師生之間持續、深刻的交流和研討，提升學生的質疑創新以及類比遷移的能力.

圖10 同一磁場中F-ILsin θ圖像

圖11 不同磁場中F-ILsin θ圖像

討論3：電場強度E和磁感應強度B在定義方式上有何異同？

設計意圖：本環節基于最終確定的磁場屬性表達式，不僅通過比值定義法明確了磁感應強度的定義，然后進一步理解其定義式、大小、方向和單位，還要通過比較電場強度和磁感應強度的定義方式，加深學生對“場”的概念的全面理解，并且建立場強定義方法之間的橫向聯系，以期轉化為學生解決具體問題的總體思路和方法.“在多維度深化概念內涵的同時，發展了學生遷移創新的能力.”[4]本環節側重科學探究的“解釋交流”，學生橫向對比3種場的各方面特點，在師生充分研討的過程中逐步完成概念的建構過程.一節優秀的概念規律課通常伴隨著演示實驗的層層推進而精彩紛呈，物理實驗中科學思維和科學探究交叉重疊而又并行不悖.在物理課堂實踐的實施過程中，物理核心素養的滲透恰如清明之雨，潤物無聲，也許教師僅僅需要思考關注哪一雨滴.