探索概念教學模式 指向學生深度學習
——以人教版“磁感應強度”教學為例

夏良英 馮 杰

（1.深圳市龍華高級中學教育集團高中部，廣東 深圳 518109；2.上海師范大學天華學院，上海 201815）

1 引言

“深度學習”，是指在教學中學生積極參與、全身心投入、獲得健康發展的、有意義的學習過程.強調引導學生主動參與學習活動，親身經歷知識發現、發生、發展的過程，形成豐富的內心體驗；強調著眼于學科的基本思想和方法，向學生提供具有典型意義的例證和學習材料；強調對教學內容的結構化，幫助學生全面把握知識的內在聯系；強調為學生創設適當的具有真實情境的活動，提供解決真實問題的機會，促進知識的實踐轉化和綜合應用；強調正確的價值立場與價值判斷，關注教學的價值取向，引導學生理解、反思所學習的內容與過程，進而形成積極的社會性情感、態度與責任感.

物理概念是從大量的物理現象和過程中抽象出來的，深刻地反映了事物的共同特征和本質屬性，是對物理現象、物理過程抽象化和概括化的思維形式.反映了物理研究對象的本質屬性和內在聯系，而這種本質屬性和內在聯系是物體固有的客觀存在.物理概念的起源與物理的感性經驗、實踐內容和原有物理基礎有關，但是又不能從感性經驗邏輯中推導出來.

2 物理概念教學的基本模式

概念教學應著力把概念的形成過程和運用過程盡可能完整、生動地展現開來，使學生能對所學概念正確理解，并靈活運用.為此，總的可采用如圖1所示的物理概念教學模式.

圖1 物理概念教學模式

物理概念的引入過程是建立和掌握概念的前提，教師應重視學生的內心體驗并主動參與.通過創設與教材內容相關的物理情境，把學生導入活動情境，引導他們在情境中捕捉信息、產生疑問.

物理概念建立從認知活動的角度來看，主要依賴于概念的引入過程是否符合學生的認知規律，教師提供的典型物理事例是否能夠啟迪學生的物理觀念，教師是否有效地運用邏輯的方法（分析、概括、抽象等 ）幫助學生積極地思維和主動地構建物理新概念.

物理概念的應用，有助于學生深化理解和鞏固，以達到掌握物理概念的目的.當學生初步形成一個物理概念之后，就應該讓學生學會應用這個概念.教師應當從多角度提供概念的變式，讓學生判斷或創設問題情境；要設計階梯式問題，引導學生由淺入深地逐步深化.

在物理概念教學過程中，教師必須準確把握課程目標（不僅僅是教學目標），根據學生的年齡特征、理解能力和實際情況，實施物理概念的階段性教學.

在總的教學模式下具體可以分為以下常用的概念教學模式.

2.1 類比法建立物理概念的教學模式

在物理教學中，常常用已知的物理現象和過程（包括物理學以外的現象和過程）與未知的物理現象和過程相比較，找出它們的共同點、相似點或相聯系的地方，以此為根據推測未知的物理現象和過程也可能具有已知的現象和過程的某些特性和規律.

類比結構可以歸納為兩類：（1）特殊到特殊.例如，機械波具有干涉和衍射的特性，光也有干涉和衍射的特性，所以光具有波動性等.（2）一般到一般.例如，電生磁、磁生電；電壓和水壓進行類比，靜電場與重力場類比等.新課程物理概念教學運用類比方法能啟發和開拓學生思維，提供建立物理概念的線索，有效縮短概括抽象的思維進程，加快形成概念的思維成熟速度.

物理概念教學類比模式的結構如圖2所示.

圖2 類比法模式

2.2 定量物理概念的比值定義法的教學模式

所謂比值定義法，就是在定義一個物理量的時候采取比值的形式.比值法定義的物理概念在物理學中占有相當大的比例.應用比值法定義物理量，往往需要一定的條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個物理量可測，三是兩個物理量的比值必須是一個定值.

比值定義法基本形式是：被定義量→確定兩個間接相關的物理量（屬性完全相同）→ 文字定義→比值演繹→獲得定義式→ 討論物理意義→應用.比值演繹通常分成兩類.

第一類是兩個量的絕對量的比值，其適用于物質或物體屬性特征.這類物理量的定義特征是：其屬性由本身所決定，其定義或測量需要借助于一個與其屬性完全相同的輔助量（絕對量）來完成，即需要選擇一個能反映某種性質的檢驗實體來研究.比如，定義電場強度E，需要選擇檢驗電荷q，觀測其檢驗電荷在場中的電場力F，采用比值.

第二類是兩個量的相對量（增量或變化量）的比值，描述物體穩定的動態特征.該類物理量的定義特征是：其屬性由外部條件決定，需要兩個增量（相對量）的比值決定.例如，電流強度的定義和導體電容的定義；或描述物體運動狀態特征，例如，速度和加速度的定義等等.

物理概念比值定義法的模式結構如圖3所示.

圖3 物理概念比值法模式的流程圖

2.3 科學探究的教學模式

實驗舉例方法適用于具有確定量化定義的物理概念，實驗探究的目的在于讓學生通過親身體驗，更好地理解知識，并培養學生分析實驗數據，透過表象找到本質的能力.其教學模式根據物理概念的特征，2017年版修改稿的課程標準提出了不同于2003年版實驗稿七要素的科學探究模式.前者適用于實驗情境探究物理概念，后者適用于理論邏輯（推理）探究物理概念.兩種科學探究的教學模式流程可以統一如圖4所示.

圖4 實驗探究教學模式流程圖

3 實踐探索，指向深度學習

深度學習倡導親身實踐、動手操作、主動探究、深度思考、理性提升的思維型教學.通過真實、完整、深刻的挑戰性活動，學生獲得策略性、方法性的知識，達到發展思維能力的目的，從而形成相應的素養.磁感應強度是學生在高中階段學習到的最后一個矢量概念，也是最抽象最難理解的一個矢量概念.對這個概念教學進行嘗試探討，具有現實意義.以人教版“磁感應強度”教學設計為例，探索高中物理概念教學的3種方式——類比法、比值定義法、科學探究法.在探索物理概念的過程中，可以激發學生學習動機，發展學生思維，培養科學探究能力，使學生逐步形成科學態度與科學精神.

本課時分為4個挑戰性任務，5個問題驅動，在設計中關注系列活動的關聯性、整體性、結構化、邏輯性和結果導向，力圖向思維型教學靠近，包含創設情境、提出問題、自主探究、合作交流、總結反思、應用遷移中部分要素.

3.1 創設實驗情境，引入新課

實驗1：把小磁針放在磁場中不同位置，它的指向會發生變化，說明磁場具有方向.

小磁針靜止時N極所指的方向就是該點的磁場方向.

實驗2：用體積較大的普通磁鐵吸鐵的坐凳，但沒有成功.用體積較小的釹鐵硼磁鐵吸相同的鐵凳，成功吸起來.說明磁場有強弱.

3.2 研究磁場強弱

任務1.由電場類比研究磁場.

問題1：磁場看不見也摸不著，如何定量描述它的強弱？以前有沒有研究過類似的問題？

如表1所示，在研究電場強弱的時候，我們引入了一個探測物，即試探電荷，研究它在電場中的受力情況.我們用電場力與試探電荷電荷量的比值，來描述電場的強弱，比較相同電荷量的試探電荷所受靜電力的大小.

表1

問題2：有哪些物體在磁場中會受到力的作用？誰比較適合作為探測物？

磁體和通電導線在磁場中會受到力的作用.通電導線適合作為探測物.因為磁體很難定量分析，另外因為磁體既有N極，又有S極，如果看成質點的話，磁體在磁場中受力為0，而通電導線更適合定量研究.

任務2.學生定性進行實驗探究.

問題3：通電導線在磁場中的受力大小會受哪些因素影響？

猜想：電流強度、導線長度、電流方向可能會影響通電導線在磁場中的受力大小.

實驗目的：探究均勻磁場中與磁場垂直的導線受力F和I、l的關系.

實驗方法：控制變量法.

實驗步驟如下.

子任務1.控制l不變、改變I，觀察F的變化.

如圖5，將一段通電導線水平懸掛在并排放置的蹄形磁鐵兩極之間，導線方向與磁場方向垂直.保持通電導線在磁場中的長度一定，改變導線中的電流大小，比較不同情況下導線擺動幅度大小與導線中電流強度大小之間的關系.結論：I越大，F越大.

圖5

子任務2.控制I不變、改變l，觀察F的變化.

保證通電導線的電流大小不變，改變磁場中導線的長度（通過接不同的接線柱來實現）比較不同情況下導線擺動幅度大小與通電導線在磁場中的長度之間的關系.結論：l越大，F越大.

任務3.學生用傳感器定量進行實驗探究（圖6）.

圖6

問題4：通電導線在磁場中的受力與電流強度大小、導線長度可能是什么關系？

猜想：當通電導線與磁場方向垂直時，磁場中的受力與電流強度大小、導線長度可能是正比關系.

子任務1.控制l不變、改變I，定量探究通電導線在磁場中受力和電流強度的關系.

結論：當通電導線電流強度變化時，它在磁場中所受安培力也隨之變化，但二者的比值是一個定值（圖7），即F∝I.

圖7

子任務2.控制I不變、改變l，定量探究通電導線在磁場中受力和導線長度的關系.

結論：當接入線路的通電導線長度變化時，它在磁場中所受安培力也隨之變化，但二者的比值都是一個定值（圖8），即F∝l.

圖8

綜上所述，既然F∝I，F∝l，那么猜F∝Il，有F=kIl.

子任務3.同時改變l、I大小，定量探究通電導線在磁場中受力和電流強度與導線長度乘積的關系.

結論：當同時改變接入線路的通電導線長度及電流強度大小時，它在磁場中所受安培力也隨之變化，但通電導線在磁場中受力和電流強度與導線長度乘積的比值都是一個定值（圖9），即F∝Il，有F=kIl.

圖9

問題5：剛才我們一直在均勻的磁場中做實驗，如果磁場不均勻呢？

利用微元法，考慮極短的一段通電導線受到力的作用.我們把長度很短的通電導線中電流和導線長度的乘積稱為電流元.電流元是一個理想模型.

3.3 比值定義磁感應強度

（1）定義：在磁場中，垂直于磁場方向的通電導線，所受的磁力F與電流I和導線長度l的乘積的比值叫磁感應強度.

（2）單位：特斯拉（Tesla），簡稱為“特”，符號為T.

任務4.請同學們根據剛才測得的實驗數據，計算一下我們實驗中導線所處位置的磁感應強度大小.然后再用磁感應強度傳感器來驗證一下這個數值.

4個任務、5個驅動問題，設置環環相扣，注重學生的活動與體驗，學生親自參與實驗完成探究過程得出結論，強調學生主體地位，最后利用得到的結論對生活現象進行解釋，完成知識的遷移.整個過程符合深度學習的特征，促進學生核心素養落實.

4 結論

物理概念教學是中學物理教學的中心任務之一.物理概念是建立物理規律的基礎.物理概念之間的相互聯系和數量依存關系構成了物理規律.教育及學習范式的變革時代已悄然到來，應把物理教師結合物理新課程的教學理念，“核心素養落在實處，讓學生學習真實發生，體驗真實生活的教育，”以學習進階與學科大概念建構課堂教學設計思路，實施高中物理課程整合，開展更為靈活與合理的內容順序、教學方式、教學實施與評價.有意識運用科學方法指導物理概念教與學，對于培養學生的科學思維能力，具有重要的促進意義.