基于核心素養(yǎng)培育的高中物理教學(xué)研究

邵娟

【摘要】物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)的思維以及科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任，是高中物理這一門學(xué)科核心素養(yǎng)的四大部分.帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)問題，涉及均強(qiáng)和非均強(qiáng)兩類電磁場環(huán)境，包括加速和偏轉(zhuǎn)兩類運(yùn)動(dòng)方式，一直是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)章節(jié).本文探討基于核心素養(yǎng)培育的高中物理教學(xué)的一般策略，并以“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊為例進(jìn)行實(shí)證式的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)物理教師在教學(xué)中培育學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，以及突破“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”這一教學(xué)難點(diǎn)，都具有一定的借鑒價(jià)值.

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；高中物理；帶電粒子

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面［1］.隨著時(shí)代對(duì)人才需求的深刻變化，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)已然成為高中物理課堂提質(zhì)增效的重要方向之一.本文以“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊為例，探討基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)策略，旨在為教師探索有效教學(xué)策略、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)提供參考.

1 基于核心素養(yǎng)培育的高中物理教學(xué)策略

1.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)涉及高中物理的多方面知識(shí)，包括受力分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)等各個(gè)方面，模型的運(yùn)用使教師在教學(xué)過程中能更系統(tǒng)、更具有邏輯性地將物理知識(shí)和理論傳授給學(xué)生［2］.物理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué)學(xué)科，教師可結(jié)合不同的模型，聯(lián)系實(shí)際生活相關(guān)的案例和問題設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更加容易地接受所學(xué)物理概念.以均強(qiáng)磁場中的帶電粒子的圓周運(yùn)動(dòng)為例，其包括基本規(guī)律類、分析運(yùn)動(dòng)區(qū)域類、極限問題類、多值性問題類四個(gè)方面的教學(xué)模型.

例如

以“彈力”這一內(nèi)容的教學(xué)為例，應(yīng)介紹彈力的定義，解釋彈性材料的特性，引出彈簧和橡皮筋的彈性力.通過實(shí)驗(yàn)測量，引導(dǎo)學(xué)生掌握胡克定律的公式和彈簧系數(shù)的計(jì)算方法.引導(dǎo)學(xué)生思考彈簧和橡皮筋在實(shí)際生活中的應(yīng)用，如彈簧秤、彈簧吊籃、橡皮筋飛機(jī)等，并鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)和制作自己的彈性材料裝置.通過指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)施彈簧的拉伸實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)他們觀察、實(shí)驗(yàn)和測量的能力，引導(dǎo)學(xué)生合作分工，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析.

1.2 教學(xué)導(dǎo)入安排

教學(xué)導(dǎo)入是物理教學(xué)中非常重要的一環(huán)，目的是通過一些引人入勝的案例或問題，引起學(xué)生的興趣，并與學(xué)生的實(shí)際生活聯(lián)系起來.在教學(xué)導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，教師可以選擇一個(gè)有趣的案例，讓學(xué)生通過思考和實(shí)踐來學(xué)習(xí)力的分解的原理和應(yīng)用.

例如

在教授“力的分解”這一部分的內(nèi)容時(shí)，可以設(shè)計(jì)以下案例：某學(xué)生站在一處斜坡上，身后有一個(gè)背靠的墻壁，想把一臺(tái)重達(dá)100千克的大型器械拉上斜坡.由于斜坡比較陡峭，該學(xué)生無法直接用力拉上去.故問：如何利用力的分解原理來解決問題.案例分析：（1）引導(dǎo)性問題.該學(xué)生要將器械拉上斜坡，他需要克服哪些力？（答：需要克服重力和斜坡對(duì)物體的阻力.）（2）探究思路.如何利用力的分解來解決問題？（答：力的分解是將一個(gè)力分解為兩個(gè)或多個(gè)互相垂直的分力的過程.）針對(duì)這個(gè)案例，可以將水平向下的斜坡作為一個(gè)方向，把重力分解為平行于斜坡的分力和垂直于斜坡的分力.（3）實(shí)踐應(yīng)用.讓學(xué)生進(jìn)行一個(gè)“力的分解”實(shí)驗(yàn).每個(gè)學(xué)習(xí)小組都準(zhǔn)備一個(gè)坡度適中的斜坡和一個(gè)滑輪系統(tǒng)，通過拉動(dòng)滑輪系統(tǒng)拉升一個(gè)物體.引導(dǎo)學(xué)生利用拉繩和滑輪原理，將他們拉動(dòng)的力分解為平行于斜坡的分力和垂直于斜坡的分力，然后觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.（4）分組討論和總結(jié).請(qǐng)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，回答以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)中，拉動(dòng)滑輪系統(tǒng)時(shí)為什么能讓物體上升？（2）拉繩的哪一部分受力更大？（3）如何調(diào)整滑輪系統(tǒng)，使得上升的力更小？通過學(xué)生的討論和總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生理解力的分解原理的重要性和應(yīng)用價(jià)值，并幫助學(xué)生掌握在實(shí)際問題中如何利用力的分解解決問題的方法.

1.3 教學(xué)資源拓展

圓周運(yùn)動(dòng)是高中物理課程中一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，涉及角度、角速度、線速度等概念.教師可以帶領(lǐng)學(xué)生到操場或其他適合的場所觀察旋轉(zhuǎn)木馬，并提出以下問題：旋轉(zhuǎn)木馬上的物體為什么會(huì)受到向外的力？什么因素會(huì)影響物體的線速度和角速度？通過讓學(xué)生觀察和思考，激發(fā)他們對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)的興趣和思考.通過簡要的理論知識(shí)講解，介紹角度、角速度和線速度的概念及其關(guān)系.通過圖示等方式，讓學(xué)生明白角速度和線速度的計(jì)算方法和概念.學(xué)生借助計(jì)算練習(xí)分析旋轉(zhuǎn)木馬上的重物在不同半徑和物體質(zhì)量的情況下，線速度和角速度的變化情況，并隨之展開討論和分享結(jié)果.同時(shí)，教師提出一些問題：比如如何改變旋轉(zhuǎn)木馬的半徑來使物體線速度不變等，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)計(jì)算過山車的角速度和線速度，或者其他與圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的實(shí)際問題.霍爾元件在聚積正、負(fù)電荷的同時(shí)形成電場，自由電荷就會(huì)受到與洛倫茲力相反的電場力，當(dāng)電場力與洛倫茲力大小相等時(shí)達(dá)到平衡，自由電荷不再偏移，形成了穩(wěn)定的霍爾電壓［3］.拓展應(yīng)用霍爾元件等教學(xué)資源，用以輔助“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊教學(xué)，能夠取得更理想的課堂效果.

1.4 教學(xué)評(píng)價(jià)優(yōu)化

帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，往往是把拋體運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)緊密地結(jié)合起來，需要有一定的分析問題能力才能理清兩者之間的關(guān)系，而不是簡單地套用相應(yīng)的物理公式［4］.在教學(xué)過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)際觀察、實(shí)驗(yàn)、分析等方式進(jìn)行科學(xué)探究.

例如

在“向心力”這一內(nèi)容的教學(xué)中，可以讓學(xué)生圍繞向心力的概念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并觀察、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.通過實(shí)際操作，學(xué)生能夠更深入地理解向心力的產(chǎn)生原因和作用規(guī)律，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等科學(xué)探究的能力.在講解向心力的概念和公式時(shí)，教師可以啟發(fā)學(xué)生思考：“如果在離地球表面特定高度上建立一個(gè)人造衛(wèi)星，你會(huì)如何選擇人造衛(wèi)星的質(zhì)量和速度？”學(xué)生需要運(yùn)用向心力的概念和公式進(jìn)行分析和計(jì)算，提出合理的解決方案.在豐富的教學(xué)評(píng)價(jià)中，教師可以采用多樣化的評(píng)價(jià)方式，包括課堂小測驗(yàn)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等.例如，教師可以通過給學(xué)生出一道具體的案例分析題來考查學(xué)生的理論應(yīng)用能力.教師還可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況，給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)價(jià)，評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析能力.通過這樣的評(píng)價(jià)方式，教師可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并提供個(gè)性化的輔導(dǎo)和反饋.

2 以“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊為例的教學(xué)實(shí)踐

2.1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)是物理學(xué)中的重要內(nèi)容之一.在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)闡述帶電粒子和電磁場的基本概念，包括電荷、質(zhì)量、電磁場的特性等，并通過圖示、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵗寣W(xué)生對(duì)這些概念有直觀的理解.接著，介紹洛倫茲力的概念和表達(dá)式.通過推導(dǎo)洛倫茲力的公式，幫助學(xué)生理解洛倫茲力的來源和作用.同時(shí)，教師也可通過實(shí)驗(yàn)或模擬演示來展示洛倫茲力的效果.然后，以帶電粒子在均勻磁場中的運(yùn)動(dòng)為例，具體介紹其運(yùn)動(dòng)規(guī)律及軌跡.通過推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方程和解析軌跡方程，幫助學(xué)生理解帶電粒子在電場中的受力情況，并討論不同粒子的軌跡差異.最后，綜合考慮帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng).通過分析帶電粒子在同時(shí)存在磁場和電場的情況下的運(yùn)動(dòng)，比如在蓋爾曼實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)情況，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解帶電粒子在復(fù)雜電磁場中的運(yùn)動(dòng).通過介紹基本概念、推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方程和解析軌跡方程等步驟，幫助學(xué)生深入理解帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力的作用.

2.2 問題驅(qū)動(dòng)和實(shí)踐探究的推行

組織學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，是開展實(shí)踐探究的重要方式.受制于示波器、陰極射線管等儀器的功能局限，難以直觀地觀察帶電粒子在電磁場中加速運(yùn)動(dòng)、偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡和變化特點(diǎn).創(chuàng)新自制實(shí)驗(yàn)教具，可以直觀、生動(dòng)地觀察到帶電小球在電場中的加速及偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生深入理解帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［5］.為此，在“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊中，可以通過引入一系列問題、組織一系列實(shí)驗(yàn)來激發(fā)學(xué)生的思考，增強(qiáng)學(xué)生觀察和動(dòng)手能力.例如，“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)是怎樣的？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)？”“電磁場對(duì)帶電粒子有什么影響？”這些問題，用來激發(fā)學(xué)生對(duì)這一主題的思考和探究欲望.接著，可以進(jìn)行實(shí)踐探究的引入.如學(xué)生可以使用一些簡單的儀器和工具來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如電磁場模擬器、電磁感應(yīng)儀等.同時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐探究的自主學(xué)習(xí).可以提供圖書、視頻、網(wǎng)絡(luò)資料、小紅書等資源和平臺(tái)，讓學(xué)生自行查找和探索相關(guān)的知識(shí).通過問題驅(qū)動(dòng)和實(shí)踐探究的引入，讓學(xué)生可以更加直觀地理解和掌握帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提高他們的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量.

2.3 多樣化教學(xué)資源和評(píng)價(jià)方式的引入

針對(duì)“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊的教學(xué)內(nèi)容，可以采用多樣化的教學(xué)資源和評(píng)價(jià)方式.其中，在教學(xué)資源的準(zhǔn)備上，可以為學(xué)生準(zhǔn)備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)視頻.實(shí)驗(yàn)課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備和儀器，也可以積極開發(fā)資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，用日常用品或?qū)嶒?yàn)室的一些材料制作出低成本高質(zhì)量的教具，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，讓學(xué)生有更多親歷實(shí)驗(yàn)演示的機(jī)會(huì)［6］.通過實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生親身感受到電磁場對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)的影響，并且觀察和測量不同條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.可以展示荷蘭物理學(xué)家朗之萬針對(duì)洛倫茲力公式F=qE+v×B施行的延伸實(shí)驗(yàn)視頻，讓學(xué)生在觀看實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，理解和學(xué)習(xí)電磁場對(duì)帶電粒子的作用.在教學(xué)資源的選擇上，可以引入一些與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的案例和故事.例如，可以講述MRI掃描的原理和技術(shù)，以及為什么只有帶有電荷的粒子才能被MRI掃描器捕捉到.在評(píng)價(jià)方式上，可以采用多種形式的評(píng)價(jià)，以促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和自主思考.除了傳統(tǒng)的筆試和實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，可以讓學(xué)生參與到小組討論、問題解答和情境模擬等活動(dòng)中.

2.4 同伴合作學(xué)習(xí)模式的應(yīng)用

同伴合作學(xué)習(xí)模式可以幫助學(xué)生更好地理解復(fù)雜的物理概念，并提供互相學(xué)習(xí)和支持的機(jī)會(huì).通常包括以下步驟：一是將學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組由3～4名成員組成，且包含不同層次的學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)和支持.二是為每個(gè)小組準(zhǔn)備一些資料和練習(xí)題，這些資料和練習(xí)題應(yīng)該涵蓋這個(gè)模塊的主要知識(shí)點(diǎn)和概念，可以包括理論知識(shí)、數(shù)學(xué)公式和實(shí)例問題等，用以指導(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論.三是分配小組內(nèi)成員的角色，明確各人承擔(dān)不同的任務(wù).讓每個(gè)學(xué)生都可以在小組內(nèi)發(fā)揮自己的潛力，并從其他成員的經(jīng)驗(yàn)和收獲中有所受益.四是組織小組成員之間進(jìn)行互動(dòng)和討論，分享自己的理解和解決問題的方法，幫助學(xué)生彼此糾正錯(cuò)誤理解，解決困惑.同時(shí)，小組成員之間也可以相互提出新的問題、分享各自的學(xué)習(xí)收獲，既促進(jìn)學(xué)習(xí)的深入和拓展，也為其他同學(xué)開辟其他的學(xué)習(xí)視角.五是老師可以通過觀察和評(píng)價(jià)各個(gè)小組的表現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展進(jìn)行評(píng)估和反饋.

3 結(jié)語

本文通過對(duì)“帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)”模塊的教學(xué)實(shí)踐，探討了基于核心素養(yǎng)培育的高中物理教學(xué)策略.研究結(jié)果表明，教學(xué)過程中重視問題的驅(qū)動(dòng)和實(shí)踐的探究，以及靈活運(yùn)用多樣化的教學(xué)資源和評(píng)價(jià)方式，加上同伴合作學(xué)習(xí)模式的融合應(yīng)用，既可以有效提升學(xué)生的主動(dòng)性和參與度，也能夠發(fā)展學(xué)生物理觀念、科學(xué)責(zé)任等方面的核心素養(yǎng).

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