☆ 趙玲朗 陳佳輝

（1.東北師范大學(xué)理想信息技術(shù)研究院,吉林長春 130117；2.長春市第八中學(xué)，吉林長春 130022）

《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動》教學(xué)設(shè)計

☆ 趙玲朗1陳佳輝2

（1.東北師范大學(xué)理想信息技術(shù)研究院,吉林長春 130117；2.長春市第八中學(xué)，吉林長春 130022）

為了改善高中物理電磁學(xué)教學(xué)過程與信息技術(shù)的融合，通過創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境來支持學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。使用信息技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，使教學(xué)內(nèi)容清晰化，促進(jìn)自主探究學(xué)習(xí)的順利開展，使學(xué)生達(dá)到高質(zhì)、高效的學(xué)習(xí)。

教學(xué)設(shè)計；高中物理

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,高中物理課程改革的進(jìn)一步加強(qiáng),新的教材體系以“體現(xiàn)學(xué)科體系的系統(tǒng)性”為初衷，展現(xiàn)了濃厚的時代氣息。教學(xué)課程的設(shè)計與實施也更加重視理論與實際的聯(lián)系，力求充分體現(xiàn)物理知識在生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)等方面的應(yīng)用，電磁技術(shù)在教學(xué)過程中也體現(xiàn)出其重要性。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展強(qiáng)調(diào)運用信息技術(shù)給學(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)資源，把信息技術(shù)作為學(xué)生學(xué)習(xí)物理和解決相關(guān)問題的工具，致力于教學(xué)方法和模式的變革，以及學(xué)生能力的培養(yǎng)。

物理是一門抽象的科學(xué)，電磁學(xué)是高中物理課程的重要組成部分，其內(nèi)容主要包括靜電現(xiàn)象、電流現(xiàn)象、磁現(xiàn)象、電磁輻射和電磁場等，電磁學(xué)內(nèi)容廣泛、擴(kuò)展性強(qiáng)、與實際聯(lián)系緊密。但電磁學(xué)的研究對象相對抽象，運用傳統(tǒng)的實驗手段和方法并不能展現(xiàn)所有的物理現(xiàn)象，需要利用信息技術(shù)將一些無法通過傳統(tǒng)教學(xué)方式展現(xiàn)的物理現(xiàn)象清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生，從而加深學(xué)生對物理規(guī)律的理解與認(rèn)識，并培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力。

高中學(xué)生具備一定的理論知識基礎(chǔ)，邏輯思維能力也明顯增強(qiáng)，心智日趨成熟，有獨立自主性，對新知識充滿好奇心，有進(jìn)取精神。通過信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)環(huán)境可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生獲取知識的途徑，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，促進(jìn)學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)。

信息技術(shù)在解決物理學(xué)習(xí)困難的過程中，不僅帶來了一些積極作用，同時，也存在一些消極影響。有些教師運用信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，只是單純地追求外部包裝，這樣不但會分散學(xué)生的注意力，還會遏制學(xué)生的思維活動，這樣不恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用信息技術(shù)會影響學(xué)生物理知識的構(gòu)建，不利于對物理的學(xué)習(xí)。信息技術(shù)作為支撐物理學(xué)習(xí)的工具，雖然不斷地更新、發(fā)展，但現(xiàn)如今課堂教學(xué)大多數(shù)還是以教師的講授為主，忽視了學(xué)生的主體地位，限制了學(xué)生的思維活動，不利于學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。

針對以上高中物理電磁學(xué)教學(xué)過程中實際存在的問題，為了改善高中物理電磁學(xué)教學(xué)過程與信息技術(shù)的融合，通過創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境來支持學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。使用信息技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，提升學(xué)生的感性認(rèn)識，滲透物理思想，充分達(dá)到教學(xué)意圖。針對教學(xué)條件，構(gòu)建信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，支撐學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)，使教學(xué)內(nèi)容清晰化，促進(jìn)自主探究學(xué)習(xí)的順利開展，這種教學(xué)模式以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，能夠優(yōu)化課堂教學(xué)過程，使學(xué)生達(dá)到高質(zhì)、高效學(xué)習(xí)。信息技術(shù)與電磁學(xué)教學(xué)的整合有助于提升學(xué)生智慧，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

一、教學(xué)分析

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

1.教學(xué)內(nèi)容

《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動》是選修3-1第三章第六節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)課所要學(xué)習(xí)的知識是本章的重點內(nèi)容。本節(jié)課按照新課標(biāo)的教學(xué)要求，設(shè)置了問題驅(qū)動——歸納總結(jié)——綜合應(yīng)用三個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)。讓學(xué)生帶著問題走進(jìn)課堂，通過運用信息技術(shù)探究解決方法，在解決問題的同時，進(jìn)行歸納總結(jié)，驅(qū)使學(xué)生進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)，綜合應(yīng)用并能夠解決其他相關(guān)問題。通過學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的受力分析及運動徑跡。培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力，在學(xué)習(xí)過程中領(lǐng)悟研究問題中蘊(yùn)含的物理思想、方法和規(guī)律，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和使用規(guī)律解決實際問題的能力。

2.教學(xué)內(nèi)容特點

本節(jié)課是一節(jié)實驗探究課，首先提出問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行實驗演示，通過實驗演示，學(xué)生得到初步的感性認(rèn)識，然后運用已有知識進(jìn)行理論分析，引導(dǎo)學(xué)生通過理論推導(dǎo)來解釋實驗現(xiàn)象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低課程的學(xué)習(xí)難度。通過合理地編排教學(xué)內(nèi)容，提出有針對性的問題，方便教師授課，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.教學(xué)內(nèi)容地位

本節(jié)課在歷年高考中，經(jīng)常以壓軸題的形式出現(xiàn)，是本章的重點內(nèi)容。本節(jié)課以力學(xué)、曲線運動、勻速圓周運動、向心力和洛倫茲力等內(nèi)容作為理論基礎(chǔ)，既復(fù)習(xí)了力學(xué)與電磁學(xué)部分已學(xué)過的知識，又將二者有機(jī)結(jié)合，建構(gòu)新知識的學(xué)習(xí)過程，在教材中起到承前啟后的作用。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)課分三個學(xué)時完成。

（二）教學(xué)對象分析

1.學(xué)生的認(rèn)知特點和情感特點

高中階段學(xué)生具備一定的理論知識基礎(chǔ)，對學(xué)習(xí)有積極性，善于觀察，學(xué)習(xí)態(tài)度端正，思維具有一定邏輯性，針對好奇的問題，具備一定的自主探究與解決問題的能力。讓學(xué)生帶著有針對性的問題，在教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)下，先進(jìn)行實驗觀察，再進(jìn)行理論論證，符合一般認(rèn)知過程。

2.學(xué)生已具備的知識與技能

高二學(xué)生基礎(chǔ)較好，已經(jīng)初步具備一定的觀察能力、運用物理語言的表達(dá)能力和物理概念學(xué)習(xí)的思維方法以及從教材中的圖表中提取信息的能力，本節(jié)課通過對已有知識的復(fù)習(xí)，使學(xué)生加強(qiáng)對洛倫茲力特點的認(rèn)識，結(jié)合帶電粒子做勻速圓周運動的半徑公式、周期公式，讓學(xué)生初步了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動規(guī)律，通過演示實驗和學(xué)生自主探究的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生積極參與到學(xué)習(xí)中，進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，突出學(xué)生的主體地位，不僅為本節(jié)課的學(xué)習(xí)提供知識儲備，并且有助于學(xué)生學(xué)會知識，將內(nèi)容直觀化提高學(xué)生的思維探索能力。

3.學(xué)生本課學(xué)習(xí)存在的困難

本節(jié)課學(xué)生學(xué)習(xí)存在的困難是如何圓滿完成自主探究過程，用已學(xué)過的知識進(jìn)行理論推導(dǎo)，并解釋實驗現(xiàn)象，理解和應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動規(guī)律。由于學(xué)生探究問題的思維過程和方法有限，需要教師提供適當(dāng)?shù)膸椭?，引?dǎo)學(xué)生自己一步步得出帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動軌跡情況，并進(jìn)行分析歸納，使學(xué)生圓滿完成自主探究學(xué)習(xí)過程，享受探究學(xué)習(xí)的樂趣。

（三）教學(xué)環(huán)境分析

根據(jù)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)男畔⒓夹g(shù)支撐教學(xué)環(huán)境，利用洛倫茲力演示儀、多媒體教學(xué)設(shè)備輔助教學(xué)，提供學(xué)生相關(guān)虛擬仿真軟件、視頻、動畫和圖片，逐步提出有關(guān)問題，分解成多個問題，利用信息技術(shù)提高學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，增加課堂教學(xué)的有效時間。通過信息化物理實驗教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生積極主動參與到科學(xué)實驗過程中，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，提供學(xué)生展現(xiàn)自己學(xué)識與見解的機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生的物理思想、物理方法和科學(xué)精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)智慧，培養(yǎng)其高階思維能力。

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識和技能

（1）了解洛倫茲力對粒子不做功。

（2）理解帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場中的運動徑跡。

（3）能夠推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的周期公式、半徑公式，并解決有關(guān)問題。

（4）了解質(zhì)譜儀的工作原理和回旋加速器的結(jié)構(gòu)、工作原理及用途。

（二）過程和方法

利用多媒體教學(xué)設(shè)備和洛倫茲力演示儀，使學(xué)生了解由洛倫茲力提供的向心力并對帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動進(jìn)行受力分析，并結(jié)合勻速圓周運動公式，推導(dǎo)出帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運動的周期公式和半徑公式，解決磁場中運動相關(guān)問題。

（三）情感、態(tài)度和價值觀

通過本節(jié)課知識點的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解帶電粒子在日常生產(chǎn)與生活中的應(yīng)用，并能推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的軌道周期公式和半徑公式，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生了解物理知識在科技領(lǐng)域的創(chuàng)新與變革作用。

三、教學(xué)重點、難點

（1）教學(xué)重點：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的軌道周期公式和半徑公式的推導(dǎo)與應(yīng)用。

（2）教學(xué)難點：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動軌跡以及受力分析。

四、教學(xué)過程

（一）教學(xué)流程圖

根據(jù)本節(jié)課的教學(xué)大綱，設(shè)計基本教學(xué)結(jié)構(gòu)流程圖如下。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

1.問題驅(qū)動

通過復(fù)習(xí)上節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，明確帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的受力，即洛倫茲力F=qvB。提出問題：帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場中，在洛倫茲力F=qvB作用下會偏離原來的運動方向，那么，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動軌跡是怎樣的呢？

（1）觀察洛倫茲力演示儀，播放洛倫茲力演示儀的相關(guān)視頻（如圖1）。

圖1

提出問題：

①運用何種方法可以觀察到電子運動的軌跡？（電子射線可以使管內(nèi)的低壓氫氣（或水銀蒸氣）發(fā)光，進(jìn)而顯示出電子運動徑跡。）

②通過觀察，你所看到的帶電粒子是怎樣運動的？（無磁場時，帶電粒子的運動軌跡是直線；有勻強(qiáng)磁場存在時，帶電粒子的運動軌跡是圓形。）

（2）播放《帶正電的粒子在磁場中的運動》模擬動畫（如圖2）。

圖2

提出問題：

①在什么條件下帶電粒子做圓周運動？此時做什么樣的圓周運動？（帶電粒子垂直進(jìn)入磁場。帶電粒子勻速圓周運動。）

②帶電粒子為什么會做勻速圓周運動？（因為帶電粒子受到一個大小不變，方向始終與帶電粒子的運動方向垂直的力，即洛倫茲力的作用。）

③帶電粒子的向心力是由哪個力提供的？（洛倫茲力F=qvB提供。）

④根據(jù)勻速圓周運動的公式，尋找出半徑與哪些物理量有關(guān)？（在模擬動畫中，通過改變帶電粒子的速度，使得學(xué)生通過觀察現(xiàn)象，增強(qiáng)感性認(rèn)知，有助于學(xué)生理論的推導(dǎo)。）

⑤洛倫茲力對帶電粒子做功嗎？（不做功。）

⑥模擬動畫中的運動情景與之前學(xué)過的哪個運動情景類似？（人造衛(wèi)星圍繞地球運動、行星圍繞恒星運動——都是由萬有引力來提供向心力。）

⑦帶電粒子運動的速度快慢與哪些因素有關(guān)？（不用馬上回答，以此引出周期的推導(dǎo)。）

（3）學(xué)生仔細(xì)觀察洛倫茲力演示儀，帶著強(qiáng)化的感性認(rèn)知，用已有知識進(jìn)行理論分析與推導(dǎo)，進(jìn)而解釋實驗現(xiàn)象，驗證上述思想，強(qiáng)化軌道半徑公式

（4）播放《初速度不同的帶電粒子在同一磁場中的運動》模擬動畫（如圖3）。

圖3

提出問題：

①通過對模擬動畫的觀察，發(fā)現(xiàn)何種規(guī)律？（初速度不同的帶電粒子在同一磁場中運動，軌道半徑不同，但運動周期相同。）

②為什么初速度不同的帶電粒子在同一磁場中的運動周期相同？（將得到，由此可見，帶電粒子在磁場中的運動周期與帶電粒子的速度無關(guān)。）

〔設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)是科學(xué)探究活動的起源，通過播放相關(guān)視頻和仿真動畫，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究動機(jī)，使學(xué)生反復(fù)觀察帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動過程，能夠使學(xué)生初步發(fā)現(xiàn)問題，并分解成多個階梯式問題，逐步接近結(jié)果，得出結(jié)論，實現(xiàn)信息技術(shù)與課程的有機(jī)整合?！?/p>

信息技術(shù)整合點：這是信息技術(shù)環(huán)境下問題驅(qū)動學(xué)習(xí)模式，通過視頻的播放以及問題的提出，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究動機(jī)，用FLV及視頻剪輯器播放極光的視頻影像，應(yīng)用Flash展示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動軌跡，讓學(xué)生理解傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境中不可見的現(xiàn)象，讓抽象的內(nèi)容具體化，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，同時提出問題。

2.歸納總結(jié)

（1）利用洛倫茲力演示儀做實驗，研究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動情況。

（2）通過觀察多媒體演示實驗，探究帶電粒子的運動半徑與哪些因素有關(guān)，教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，提示洛倫茲力提供向心力，幫助學(xué)生開展自主探究學(xué)習(xí)，探索圓周運動周期公式的推導(dǎo)。

（3）通過信息技術(shù)手段，觀察帶電粒子在云室中的運動圖片以及質(zhì)譜儀的三維動畫演示，了解質(zhì)譜儀的工作原理。

學(xué)生通過觀察《運動電荷垂直射入磁場》的模擬動畫（如圖4），自己動手操作，自由選擇參數(shù)，多次進(jìn)行觀察，記錄每次的圓周運動方向、軌道半徑以及運動周期，針對每次的結(jié)果進(jìn)行對比分析，運用信息技術(shù)查找相關(guān)學(xué)習(xí)資源，對之前提出的具有針對性、遞進(jìn)式的問題逐一進(jìn)行解決，鞏固軌道半徑和周期公式，通過課件進(jìn)行驗證。

圖4

〔設(shè)計意圖：這一環(huán)節(jié)是學(xué)生自主探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程。針對之前一系列問題的提出，學(xué)生用已有知識做出了預(yù)測，借助信息技術(shù)手段驗證自己的預(yù)測，推導(dǎo)軌道半徑和周期公式，在解決問題的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和高階科學(xué)思維方法，讓學(xué)生體驗到自主探究的喜悅。〕

信息技術(shù)整合點：應(yīng)用PPT，利用洛倫茲力演示儀做實驗，針對提出的一系列問題，學(xué)生利用已有的知識做預(yù)測，借助信息技術(shù)手段驗證自己的預(yù)測，推導(dǎo)軌道半徑和運動周期。教師應(yīng)用PPT展示帶電粒子在云室中的運動圖片，利用BS Contact Player軟件演示質(zhì)譜儀的三維動畫，調(diào)動學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和理論聯(lián)系實際的科學(xué)思維方法。

3.綜合應(yīng)用

提出問題：

①探究了解原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式。

②觀察回旋加速器的三維動畫演示（如圖5、圖6），探究怎樣使帶電粒子獲得更高的能量。

圖5

圖6

③提供世界最大對撞機(jī)啟動模擬宇宙大爆炸的信息，提高學(xué)生探究科學(xué)的熱情。

〔設(shè)計意圖：這一環(huán)節(jié)是學(xué)生解決問題，拓展延伸的過程。通過采用信息技術(shù)手段對本節(jié)課進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅要讓學(xué)生理解新知，更要讓學(xué)生認(rèn)識到物理在科學(xué)領(lǐng)域的高速發(fā)展，讓學(xué)生帶著問題走進(jìn)課堂，在解決問題的同時，產(chǎn)生新的疑問，驅(qū)使學(xué)生課后進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和探究，培養(yǎng)學(xué)生的物理思想、物理方法和科學(xué)精神，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)?！?/p>

信息技術(shù)整合點：利用BS Contact Player軟件演示回旋加速器的三維動畫，使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱辛與自主探究的喜悅，應(yīng)用PPT及相應(yīng)的網(wǎng)址給學(xué)生提供世界最大對撞機(jī)啟動模擬宇宙大爆炸的內(nèi)容，促使學(xué)生課后進(jìn)一步自主學(xué)習(xí)和探究新知。

五、教學(xué)反思

在本節(jié)課的教學(xué)中，利用信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)信息化的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)平臺，充分體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，應(yīng)用信息技術(shù)完成問題驅(qū)動——歸納總結(jié)——綜合應(yīng)用的教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和綜合運用知識的能力，有助于達(dá)成三維教學(xué)目標(biāo)。

信息技術(shù)與學(xué)科課程整合的關(guān)鍵是通過優(yōu)化教育教學(xué)環(huán)境，變革學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，發(fā)揮學(xué)生的主動性，引導(dǎo)學(xué)生高質(zhì)、高效的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)學(xué)科教學(xué)目標(biāo)，滿足學(xué)生的個性化發(fā)展。

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1671-7503(2014)07-0050-05

鄭方林]