基于核心素養的實驗教學設計探索

林婉瑩 洪益軍

摘? ?要：以探究“安培力大小與B、I、L的關系”為例，通過問題導向教學，設計問題，引導學生參與實驗設計的過程，利用學生已有知識和實驗技能，在不斷解決問題的過程中，完成對探究實驗的設計，整節課以學生為主體，重視培養學生的核心素養。

關鍵詞：核心素養；問題導向；實驗教學

1? 實驗設計的思路及依據

1.1? 教材分析及教學重點

實驗選自魯科版選擇性必修二“安培力及其應用”，課程標準要求：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[ 1 ]。要求學生：認識和了解安培力，了解影響安培力的大小和方向的相關因素。要求教師：設計探究性實驗，讓學生逐步認識安培力的大小和方向。安培力方向的判斷和大小的計算是本節課的重點。

備課過程，參考了教師用書中給到的教學建議：除教材介紹的迷你實驗室外可以增加一些拓展實驗，激發學生學習安培力的興趣，進一步明確安培力的影響因素，總結出計算公式F=BIL[ 2 ]。明確適用條件：在勻強磁場中，且B與I垂直。

本節課的知識有承上啟下的作用，對前面而言，學完電對磁的作用后，再學習磁對電的作用，完善了電磁相互作用的理論體系，在培養與安培力有關的相互作用觀念中有重要的作用。對后面而言，安培力是洛倫茲力的宏觀表現，學好安培力可以為后面學習洛倫茲力打下基礎。

1.2? 學情分析及教學難點

在知識儲備上，學生在初中階段已經初步了解安培力的大小與通電導線的電流、所處的磁場強度和通電導線的有效長度有關，但是關于這幾個物理量之間的定量關系不明確。課本也沒有演示實驗或者相關實驗證據說明F=BIL，學生在對公式的理解與應用中缺乏可靠的實驗事實作為依托，學生容易記錯，或者與后面的相關公式混淆。

在技能上，學生已初步掌握控制變量法。不足之處：對電磁學實驗設計經驗有限，對實驗條件的控制能力不足，比如：①對于磁場的強度控制與測量；②對安培力的測量；③如何改變通電導線的有效長度。

綜上，本節課的探究性實驗是必要的，針對教材中缺乏實驗事實，設計了三組實驗，分別探究了安培力F與B、I、L的關系。

2? 設計思路與教學目標

2.1? 設計思路

實驗設計的目的在于把對規律的認識與實驗探究相結合。將探究實驗的過程展現出來，引導學生設計實驗，在發現和解決問題中，培養嚴謹的科學思維，提高科學探究能力，加深對F=BIL的理解，進而達到提高學生核心素養的目的。

在教學中采用問題導向教學方法，通過創設情境，學生在情境中發現問題，提出并解決問題，得出解決方案。帶領學生體驗實驗探究的各個環節，體現以學生為主體，以學生發展為目標的課標要求。

2.2? 依據標準和結合學生情況，制定教學目標

物理觀念：

①通過實驗探究，得出F=BIL，進一步理解相互作用觀。

②認識安培力，會計算安培力的大小。

科學思維：

能用磁感線和勻強磁場等模型分析安培力問題，將實際裝置轉化為抽象的物理模型。

科學探究：

了解影響安培力的大小和方向的相關因素，知道采用控制變量法設計實驗，收集、處理數據，得出結論。

科學態度與責任：

知道科學發展對實驗器材的依賴性，能對實驗進行誤差分析，實事求是。

3? 教學設計及實驗內容

對比傳統實驗教學，按照實驗目的、實驗儀器、實驗原理與設計、實驗步驟、數據分析、實驗結論的順序照本宣科地閱讀一遍，忽略了每一個環節之間的邏輯關系。比如：當你設計完實驗，才會知道這個實驗需要哪些儀器，實驗該如何操作，步驟先后順序才明了。因此，傳統的實驗教學對于學生而言，常出現一些問題：實驗目的不明確的，不清楚實驗原理就是該實驗的理論依據，不知道操作順序，不清楚注意事項，不明白該記錄哪些數據，也不知道如何處理和分析數據。以至于實驗題得分率都不高。對此，要打破傳統實驗教學分立式的模塊講解，設計環環相扣的問題情境，通過不斷解決問題進行實驗設計、器材選擇，培養學生的探究意識和解決問題的能力。

如圖1所示，整節課分為四個環節。

4? 基于問題導向的實驗教學過程

4.1? 新課引入

教師通過簡單的問題快速引入課題：

（1）什么是安培力？

學生：磁場對通電導線的作用力。

（2）力是矢量，如何判斷安培力的方向？

引導學生回答：左手定則。

引入新課：安培力的大小與那些因素有關？

4.2? 新課教學

（1）猜想

引導學生觀察演示實驗。

學生觀察實驗現象如圖2所示，并總結：發現當電流方向與磁場方向不垂直時，線圈偏轉角度變小，即安培力變小。引導學生思考影響安培力大小的因素有哪些？

學生猜想：安培力的大小與磁場和電流方向有關，還跟B、I、L有關。

教師進一步分析：因為角度不好控制，可先取固定值分析，又當B垂直I時，線圈偏轉角度最大，所以可控制B垂直與I，再研究F與B、I、L的關系。

（2）實驗原理

采用問題導向教學法引導學生利用已有知識進行設計實驗。

問題1：探究當B垂直I時，F與B、I、L的關系，應采用什么實驗方法？

引導學生回答：控制變量法。

設計意圖：讓學生鞏固控制變量法的使用情況。

問題2：如何測量安培力？選用什么工具？

引導學生回答：根據二力平衡原理，用彈簧測力計水平拉線圈，當線圈靜止時，安培力與拉力相等

教師補充：因彈簧測力計精度不夠，改用如圖3甲中的數字測力計或圖3中乙的力傳感器進行測量。

設計意圖：①讓學生學會遷移，復習鞏固測量力的方法。

②要求學生學以致用，先用左手定則判斷F的方向，令安培力方向與測力計的拉力方向相反。

本環節創新點：突破安培力難以測量的問題，巧用二力平衡原理測量未知力的大小，化抽象為具體。

問題3：如何獲得勻強磁場？

引導學生復習幾種常見的磁場模型并進行選擇：

①通電螺線管的內部磁場。但因螺線管內部操作不便所以舍棄。

②蹄形磁鐵兩磁極間的磁場近似為勻強磁場。該磁場最容易獲得，可以考慮。

③亥姆霍茲線圈。

教師引導學生利用兩個相同的通電線圈平行放置產生勻強磁場引出第三種獲得勻強磁場的方式，即：亥姆霍茲線圈。

設計意圖：①復習幾種常見的磁場模型，讓學生學會學以致用。

②為后面提供改變磁場的方法埋下伏筆。

該環節難點：學生對亥姆霍茲線圈比較不熟悉，可以通過引導學生分別取兩個通電線圈的不同磁極來引入亥姆霍茲線圈。

本環節創新點：通過引導學生思考，尋找便于實驗操作的勻強磁場。

（3）實驗設計與操作

實驗一：保證B和L不變，探究F與I的關系。

可以通過控制磁鐵和線圈不變，來保證B和L 不變，再探究F與I 的關系。

問題4：如何測電流 I 以及控制電流大小。

學生根據已學的電學知識，很自然地提出用電流表測量，但是電流表精度有限，且不易讀數，教師可以適時引出電流傳感器，具有精度高便于讀數的優點。

針對改變電流的方法，學生也會利用剛學的控制電路的兩種方法，選用限流式接法，通過改變電阻的大小，來改變電路中電流的大小。教師進一步分析：限流式接法電流小且變化不大，引導學生選用學生電源或電池組，通過直接改變電源電壓來改變線圈的電流。這樣電路簡單、易操作。

設計意圖：復習電學實驗，讓學生學會遷移應用，評估實驗方案，優化實驗方案。

該環節的優勢：數字化多媒體配合教學，具有高效、便捷、準確的優點。

實驗二：保證B和I不變，探究F與L的關系。

實驗通過控制磁鐵和線圈兩端電壓不變來保證B和I不變，再探究F與L 的關系。

問題5：L的含義以及如何改變L。

重點讓學生明確：當電流與磁場垂直時，L是通電導線在磁場中的長度。即有界磁場中：L=線圈匝數N×磁場寬度d。引導學生得出兩種改變L 的方法：改變N 或改變d。

教師引導學生進一步分析比較兩種方法的可行性：①改變N則要換線圈，電流不易保證相同，所以舍棄。②改變d，如圖4所示，可以逐一增加蹄形磁鐵的個數來改變線圈所處的磁場寬度，進而改變L，可行性和可操作性較高，但要求三個磁鐵的磁性大致相同。

設計意圖：再次明確實驗的前提條件：電流方向與磁場方向垂直培養學生轉換研究對象的思維方式。

（4）數據處理

通過觀看實驗視頻，得出定性關系：當B和L不變時，F隨 I 增大而增大；當B與I不變時，F隨 L 增大而增大。

教師給出具體的實驗數據（表1）（表2）進行進一步分析。

用作圖法處理數據，進行線性擬合（圖5）。

從圖5可以看出，圖像是一條近似過原點的直線，因此得出結論一：在誤差允許范圍內，F與I成正比。

用作圖法處理數據，進行線性擬合（圖6）。

從圖6可以看出，圖像是一條近似過原點的直線，因此得出結論二：在誤差允許范圍內，F與L成正比。

設計意圖：該環節由教師展示數據處理的方法，培養學生數據處理的能力。

教師提問：安培力與磁感應強度的關系要如何設計實驗呢？

實驗三：保證I和L不變，探究F與B的關系。

教師引導學生設計實驗需明確如何保證不變量以及如何控制變量：可以通過保證線圈兩端電壓和磁鐵個數不變來保證I和L不變。那如何控制變量呢？引出問題6：如何測量和改變B？

① 測量工具：電磁傳感器。

② 控制和改變磁場：引導學生發現磁鐵的磁場不可控，繼而引導學生回想問題3中的幾種磁場，想到利用電流的磁效應，換用亥姆霍茲線圈產生的勻強磁場如圖7甲或者在磁鐵上加線圈如圖7乙，將磁鐵改造成電磁鐵，通過改變線圈的I，來改變B的大小。

設計意圖：①讓學生感受傳感器的優勢、科技的魅力。

②突破固有思維方式，靈活選擇實驗器材，大膽假設。

該環節優勢：打破學生的固有思維方式，與前面獲得勻強磁場的方式前后呼應。同時，鼓勵學生對現有的儀器設備進行改造、創新。該環節鼓勵學生課后自行完成，得出結論。

（5）實驗結論

在勻強磁場中，當B與I垂直時，通電直導線受到的安培力F=BIL。

拓展：當B與I不垂直時，如何計算安培力？

引導學生類比力做功的方法，如圖8所示，求出L垂直于B方向的分量，即當I與B不垂直時：F=BILsinθ，所以當B不垂直于I時，線圈的偏轉角變小。

設計意圖：該環節用實驗結論解釋實驗現象，與課前引入前后呼應。

5? 教學反思

通過不斷提出問題，引導學生在解決問題的過程中，幫助學生完成對概念、規律由具體到抽象逐漸加深的認識過程。本節課所有問題情境均由實驗設計過程中自然而然地呈現出來，強調創設問題情境的邏輯性，使學生能夠在大腦里形成清晰的物理實驗過程。在整個過程中，學生能夠充分利用已學的知識解決問題，強調知識體系建構的重要性。體現對比學習、轉換研究對象等科學方法、科學思維的重要性。

探究性實驗的設計過程需要教師引導學生一步一步地完成設計，帶領學生體會物理實驗的魅力，在實驗設計的環節，鞏固學生已有的知識，提高學生的遷移能力，培養學生的物理思維。重視實驗設計過程，讓學生感受和體驗實驗設計的思維與快樂，一方面，學生在解實驗題時，可以站在出題者的角度，揣摩出題者的設計意圖，另一方面，學生的思維可以很大的提升，從而達到培養學生核心素養的目的。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020：28.

［2］ 廖伯琴. 普通高中教科書物理選擇性必修第二冊教師用書[M]. 濟南： 山東科學技術出版社，2021：6.