高中物理必修和選擇性必修課程打通教學案例分析
——以人教版“磁感應強度 磁通量”一節的教學設計為例

李春來

(深圳市教育科學研究院 廣東 深圳 518029)

王鑫淼

(人大附中深圳學校 廣東 深圳 518119)

余耿華

(廣東省教育研究院 廣東 深圳 510035)

1 新課標要求和新教材編寫特點為打通教學創造了條件

1.1 物理課程結構和教材編寫特點

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中提出,高中物理課程由必修、選擇性必修和選修3類課程構成,注重課程的基礎性和系統性.同時,現行教材編寫采用“雙循環”的內容設置模式[2],即力學、熱學、電磁學、光學和原子物理學中的主干內容至少出現兩次,或者說循環兩次.

必修課程內容供全體學生共同修習,是高中物理的基礎內容,屬于第一次循環.選擇性必修課程內容是必修課程內容的拓展和深化,根據學生個性特點和升學需要選擇修習,是第二次循環.雙循環設置模式優勢明顯,課程內容按照“從宏觀到微觀”“從定性到定量”的思路編排,符合學生認知發展規律,降低了物理學習的起點.

1.2 打通必修與選擇性必修課程教學是現實需要

目前,學校教學的現實情況是,進入高二年級的學生,已經確定了在學業水平考試中的選考方向,也清楚了選學模塊的內容.

針對確定選考物理科目的高二學生,尤其基礎較好的物理班學生,課程內容的教學順序安排就更加靈活,不一定完全按照模塊順序修習,可以創新性地使用新教材.

如表1所示,必修三中的“電磁場與電磁波初步”主題就可以與選擇性必修二中的相關主題打通教學,進行內容整合,優化教學設計,幫助學生建構學科知識體系,以期取得更好的教學效果.

表1 必修三和選擇性必修二中主題內容對比

1.3 對高二年級模塊教學實情的調研分析

對深圳市2020級全體高中學生進行調查統計,發現針對學業水平等級性考試,確定選考物理科目的占比65.74%,其余學生選考歷史,可以說大部分高二年級學生繼續選學物理選擇性必修課程.調研結果顯示,深圳市各學校高二年級物理模塊教學內容的開設順序多達6種方案,如表2所示.方案多種多樣,至于那種方案更科學合理,尚無定論,都在實踐摸索之中.

表2 高二模塊教學的開設順序情況統計

由表2可知,對于選考物理的學生的教學,內容順序的差異主要體現在兩個方面,一個是必修三與選擇性必修一的開設先后順序,另一個是必修三與選擇性必修二是否進行打通教學.

可見,新課程新教材背景下,如何合理高效地實施模塊教學是目前教研員和學校教師面對的重要研究課題.下面就以人教版“磁感應強度 磁通量”一節的教學設計為例,探討打通教學的可行性設計方案.

2 限于第一循環內教學設計方案分析

2.1 教學設計方案1——基于教材的常規教學

2.1.1 教材內容分析

人教版必修三“磁感應強度 磁通量”一節課文共有3個小標題,分別為磁感應強度、勻強磁場、磁通量,涉及物理模型、實驗環節和要達成的概念,如表3所示.

表3 “磁感應強度 磁通量”課文主要內容

2.1.2 教材內容呈現順序

教材編寫依據“只定性不定量”的原則,兼顧高中全體學生物理知識的全面性,注重類比法、比值定義法等科學方法的運用,具體內容的呈現順序和教學思路如圖1所示.

圖1 教材內容呈現順序和教學思路

2.1.3 依據教材進行教學設計的優勢與困惑

優勢：以知識線索編排課文,有利課堂教學的實施,也易于學生自學.要求定性了解,難度較小,適合于不同地區、不同條件、不同學情下的廣泛使用.

困惑：第一,如圖2所示,定性實驗“在勻強磁場中探究影響通電導線受力的因素”,在沒有確定通電導線受力方向的情況下進行探究,學生是有困惑的,如“導線的擺動方向就是受力方向嗎”,如果邏輯上說不通,就有假探究之嫌.第二,沒有給出安培力的概念,無法測量力的大小,課本中只能泛泛地說“分析了很多實驗事實后人們認識到……”.第三,結論“F與I和l的乘積Il成正比,F=BIl,B是與導線的長度和電流的大小都沒有關系”是直接給出的,學生只能生硬地接受.第四,定義磁感應強度時限定條件“B⊥I”的原因是什么,教材中沒有交代.

圖2 探究影響通電導線受力的因素

這些處理方式,導致磁感應強度定義的建構過程有缺憾,學生雖然知道了“是什么”,但不知道“為什么”.

2.2 教學設計方案2——引入傳感器定量實驗

2.2.1 教學設計思路

考慮時間因素,該教學設計方案中沒有進行“磁通量”概念教學,留作下一節課繼續學習.磁通量是一個獨立的概念,與本節課的核心任務“磁感應強度”概念建構沒有必然聯系,這樣的安排是合理的.增加了兩個學生分組實驗,“探究通電導線受力大小與磁場中導線位置的關系”和“測量勻強磁場的磁感應強度大小”,具體教學流程如圖3所示.

圖3 引入傳感器定量實驗的教學流程

2.2.2 引入定量實驗教學的優勢與困惑

優勢：第一,通過借助傳感器實驗可以定性探究“通電導線與磁場方向的位置關系對導線受力大小的影響”,如圖4所示,可以得到結論:“通電導線與磁場平行時,受力為零;通電導線與磁場垂直時,受力最大”.該實驗使學生很好地理解了定義磁感應強度時限定條件“B⊥I”的意義.第二,通過借助傳感器實驗可以定量測量勻強磁場的磁感應強度大小,并且探究出對于一個給定的勻強磁場,“B不隨I、l的變化而變化,是一個定值”,深化了對磁感應強度概念的理解.

通過以上分析可知,改進后的教學設計優于常規教學設計,分組探究和測量性實驗發展了學生的科學探究能力,更有利于學生建構“磁感應強度”概念,但也有教學邏輯上的不足.

3 基于選考物理科目 打通教學單元整體設計

針對選考物理的學生,對于磁場相關教學內容進行單元整體設計,即打通必修三和選擇性必修二模塊,根據學生的知識基礎和認知水平情況,靈活實施教學.

3.1 教學設計方案3——初級打通教學

在第1節“磁場 磁感線”的教學中,已經學習了磁場的方向,即小磁針靜止時N極所指的方向,用磁感線形象地描述磁場的強弱和方向,以及幾種典型磁場的磁感線分布情況.

3.1.1 打通教學設計思路

本節課首先補充必要的知識點,如左手定則和安培力的概念,為定性探究實驗(圖2)和傳感器定量測量實驗做好了知識準備.

同樣,把“磁通量”概念教學安排在下一節課,本節課重點是磁感應強度的概念建構,具體教學流程如圖5所示.

圖5 初步打通教學流程圖

圖6 深度打通下的第1課時教學流程

當然,本節課只初步進行B與I垂直情況下的探究和學習,至于安培力F方向與B、l的位置關系探究,還有對左手定則的更深入學習,下節課繼續進行,踐行學習進階理論.

3.1.2 打通教學設計的優勢分析

在進行“探究影響通電導線受力的因素”和“運用傳感器測量勻強磁場的磁感應強度大小”的分組實驗中,由于交代了左手定則這個知識點,學生進行定性探究實驗和定量測量實驗時就有了邏輯上的自洽性.通過對通電線框受力分析,就可以得到磁場對導線的作用力與傳感器示數之間的數量關系,這樣的探究才有意義,學生明確了“為什么要這樣探究和測量”.

由于課堂時間關系,只選擇在B⊥I的情況下進行探究,沒有進行“通電導線受力大小與導線位置的關系”的實驗探究.當然,留作下節課繼續深化.

3.2 教學設計方案4——深度打通教學

3.2.1 教學設計的出發點

對于選考物理的學生,如果知識基礎較好、學習能力相對較強,就可以進行基于“磁場”大概念的單元教學設計,并以突破“磁感應強度”概念為重點.把必修三與選擇性必修二打通,進行探究性實驗,定性和定量相結合,追求邏輯嚴謹,幫助學生建構磁感應強度概念.第1課時教學流程如表6所示.

3.2.2 教學思路和環節分析

在“B⊥I”的情況下,探究安培力方向與磁場方向、電流方向之間的關系,同時,學習左手定則,為定量探究安培力大小F與I、l關系做好準備.利用如圖7所示的傳感器裝置,通過探究得到結論“通電導線與磁場平行時,受力為零;通電導線與磁場垂直時,受力最大”,即“磁場中導線擺放方向不同,安培力大小就可能不同”,所以先選定B與I垂直情況下來研究“F與I、l的定量關系”,并得出“F與I和l的乘積Il成正比,即F=BIl”.同時發現,“B是與導線長度和電流大小都沒有關系的物理量,但不同磁場中其數值不同,且只與磁場本身有關”,所以它可以用來描述磁場的強弱和方向,從而建構磁感應強度的概念.

圖7 基于傳感器的探究和測量裝置

該設計方案采取由淺入深、循序漸進的原則實施教學.在B與I不垂直的情況下安培力方向與磁場方向、電流方向關系的探究,以及勻強磁場中在B與I不垂直情況下,安培力大小的計算公式F=BIlsinθ的學習安排在第2課時完成.這樣的安排學生容易接受,提高了教學效果.

4 打通教學方式有助于實施分層教學

筆者將以上4種教學設計方案在課堂教學中實踐,發現它們都具有可行性和實效性.教學設計2、3、4中運用了傳感器等數字化實驗設備,體現了信息技術深度融合物理教學,是對教材的創新性使用.建議在具體課堂教學中,面向選考歷史的學生,或者選考物理但基礎稍弱的,采用教學設計方案1或2實施教學,體現基礎性.面向選考物理且基礎較好的學生,采用教學設計方案3或4實施教學,強調教學邏輯的合理性,發揮打通教學的優勢.