(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

研讀不同版本教材提升學生核心素養(yǎng)
——以“磁場對運動電荷的作用”一課為例

張連之

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

提升學生物理核心素養(yǎng)是中學物理教學之價值所在，在目前與“提升學生核心素養(yǎng)”相匹配的“新教材”還未出版的情況下，研讀不同版本的現(xiàn)行教材，集眾家之長，優(yōu)化教學內(nèi)容，精心設計學習活動是全面提升學生物理核心素養(yǎng)的有效途徑。

高中物理教學；核心素養(yǎng)；多版本教材

經(jīng)過多年教育改革，素質(zhì)教育成效顯著，但與立德樹人的要求還存在一定差距[1]。北京師范大學等多所高校的近百名研究人員，通過基礎理論研究、國際比較研究、傳統(tǒng)文化分析等途徑構建了“中國學生的核心素養(yǎng)體系”，從頂層設計上試圖解決這些難題。學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，最終要落在學科核心素養(yǎng)的培育上。目前基于提升學生核心素養(yǎng)的“新教材”正在編寫之中，作為教育的“行為者”和課程的“實施者”的教師在現(xiàn)實情景下，如何實施有效教學，履行“提升學生核心素養(yǎng)”的職責，是當前亟待解決的問題。

自2003年課程標準頒布以來，高中物理教材出現(xiàn)“一標多本”的局面。對教師而言，如能對不同教材進行認真的分析、比較，汲取精華，無疑將有助于提升學生核心素養(yǎng)的教學活動的有效開展。筆者通過對人教版、魯科版、教科版教材中“磁場對運動電荷的作用”章節(jié)內(nèi)容的研讀，精心設計教學案例，希望能給同行提供參考。

1 學生物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”等四個方面的要素構成。

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動、能量和相互作用的基本認識；是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華；是運用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力。

科學思維是從物理學視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式；是基于經(jīng)驗事實建構理想模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內(nèi)化；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。

科學探究要求學生具有科學探究的意識，能在真實情境中提出物理問題，形成猜測和假設，利用科學方法獲取信息并處理信息，形成結論，對探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。

科學態(tài)度與責任是指在認識科學本質(zhì)、理解科學·技術·社會·環(huán)境(STSE)的關系基礎上形成的對科學和技術應有的正確態(tài)度以及責任心。

2 研讀不同版本教材，提升學生核心素養(yǎng)的教學案例

2.1 增加導入環(huán)節(jié)的魔術色彩，激發(fā)學生的好奇心與求知欲，點燃學生對科學探究的熱情

興趣是最好的老師。為了激發(fā)學生的興趣，人教版教材提出了兩個問題：電視顯像管中的電子為什么能使整個屏幕發(fā)光？從宇宙深處射來的帶電粒子為什么只在地球的兩極引起激光？魯科版教材在人教版教材的兩個問題基礎上，又用“電視給人們的生活帶來巨大變化”“震撼人心的極光”兩幅圖片強化視覺效果。教科版教材則單刀直入地進行“觀察和思考”。

圖1

特級教師于漪說：“在課堂教學中要培養(yǎng)、激發(fā)學生的興趣，首先應抓住導入新課的環(huán)節(jié)。一開始就把學生牢牢地吸引住?！蓖ㄟ^比較三種教材的引入環(huán)節(jié)，筆者認為極光現(xiàn)象雖然“美不勝收”，但離學生生活太遠，學生缺少感性認識，可在“電視顯像管中的電子為什么能使整個屏幕發(fā)光”這一問題上做文章。教學中筆者設計了一個“舞動屏幕”的實驗，增加導入環(huán)節(jié)的魔術色彩。實驗時教師手持一塊磁鐵伴隨著音樂的節(jié)拍在廢舊電視機顯示屏(CRT屏)前晃動(如圖1)，可見電視機的圖像“踏著”音樂節(jié)拍在不停地“舞動”。極大激發(fā)了學生學習的興趣，點燃了學生對科學研究的熱情。

2.2 賦予演示實驗以探索的思想內(nèi)涵，形成物理觀念，培養(yǎng)學生的科學探究能力

洛倫茲力的方向是本節(jié)教學的重點和難點。人教版教材通過“觀察陰極射線在磁場中的偏轉”的演示實驗，結合“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”推斷出：洛倫茲力的方向可以用左手定則判定。魯科版教材通過“實驗與探究”活動，探究磁場對靜止、運動的電荷是否有作用，洛倫茲力方向的判定方法則在理論推導出洛倫茲力大小的基礎上直接給出。教科版教材通過“帶電粒子在磁場中的偏轉”的演示實驗說明磁場對運動電荷有作用力，洛倫茲力方向的判定方法與魯科版教材相同。

圖2

通過研讀三種教材，筆者認為應該賦予演示實驗以探索的思想內(nèi)涵，設計探究活動。通過該活動不僅僅要探究出判斷洛倫茲力方向的方法，更重要的是通過該活動，讓學生經(jīng)歷探究過程，形成物理觀念，進而培養(yǎng)學生的科學探究能力，提高學生的思維品質(zhì)。筆者在執(zhí)教“洛倫茲力的方向”時的教學片斷如下。

(1) 提出問題

觀察如圖2所示的演示實驗，學生發(fā)現(xiàn)：沒有磁場時，電子沿直線運動；加上磁場時，電子束發(fā)生偏轉。改變磁場方向時，電子束的徑跡會受到影響。怎樣確定運動電子的受力方向？磁場方向、電子的運動方向與其受力方向有什么關系？

(2) 猜想與假設

磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，磁場對電流作用力的實質(zhì)可能是磁場對運動電荷的作用力。

(3) 進行實驗

介紹陰極射線管，演示陰極射線在磁場中的偏轉。改變磁場方向，設計表格讓學生記錄電子束偏轉的情況，并分析其受力的方向。讓學生利用帶有箭頭的三根硬導線(分別表示磁場的方向、電子受力的方向、電子運動的方向)，按照實驗結果插在泡沫球上，制作“洛倫茲力方向”模型進行交流和展示。

(4) 分析論證

根據(jù)前面對安培力實質(zhì)的猜想和安培力方向的判斷法則，結合實驗記錄，特別是“洛倫茲力方向”的模型，概括得到：洛倫茲力方向應垂直于電荷運動方向和磁場方向，并用左手進行判斷(注意：電子束的運動方向與電流方向是相反的)。

(5) 歸納總結

歸納洛倫茲力的方向，說明安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

“洛倫茲力方向”的探究活動不僅能夠讓學生確信洛倫茲力的存在，得到判斷洛倫茲力方向的方法，而且洛倫茲力與磁場和電荷運動方向之間的關系是“安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”的一個有力的佐證。通過這一探究活動的體驗，使學生形成正確的物理觀念，提高其科學探究能力。

2.3 精設問題，引領理論探究，鋪設臺階，培養(yǎng)學生的科學思維能力

洛倫茲力的大小是本節(jié)教學的另一個重點和難點。人教版教材結合立體模型圖(如圖3)，通過3個問題引領學生嘗試，由安培力的表達式導出洛倫茲力的表達式。魯科版教材結合平面模型圖(如圖4)，直接導出電流的微觀表達式及安培力和洛倫茲力數(shù)值關系后，將剩余下的推導過程，以填空的形式讓學生完成。教科版教材則是給出了由安培力表達式導出洛倫茲力表達式的整個過程。

圖3

圖4

由安培力推導出洛倫茲力的表達式的過程是培養(yǎng)學生科學思維能力，特別是邏輯思維能力的好機會，應該盡可能地讓全體學生都參與到這一過程。相比較而言，人教版教材的處理方式比較好。由于學生構建模型的能力比較弱，一段時間內(nèi)通過某一橫截面的粒子數(shù)和電流微觀表達式的推導應是教學難點。因此筆者在教學中在人教版教材的基礎上設計了4個問題，引導學生進行推導、論證。

電荷定向移動時所受洛倫茲力的矢量和，在宏觀上表現(xiàn)為導線所受的安培力。請學生嘗試由安培力表達式導出洛倫茲力的表達式(這里只討論簡單的情況：導線的方向與磁場方向垂直)，建議學生沿以下邏輯線索思考。

(1) 如圖3所示，設導線中每個帶電粒子定向運動的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出圖中一段導線中的粒子數(shù)，這就是在t時間內(nèi)通過橫截面a的粒子數(shù)N。

(3) 寫出這段長為vt的導線所受的安培力F安。

(4) 求出每個粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。

學生結合4個問題進行推導和討論，學生能夠感悟到推導的思維線索和邏輯過程。不僅知道了“要這樣做”，更知道了“為什么這樣做”，通過科學推理，形成物理規(guī)律，從而培養(yǎng)了學生模型建構能力和科學推理、論證能力。

2.4 開發(fā)傳統(tǒng)器材的新功能，增強學生的證據(jù)意識，提升學生的實驗探究能力

由安培力表達式導出的洛倫茲力表達式是否正確，學生很渴望能夠用實驗進行驗證。無論是人教版、魯科版還是教科版教材都沒有給出驗證方法。若能設計出實驗方案，驗證洛倫茲力的表達式是否正確，必將極大的激發(fā)學生對科學探究的熱情。教科版教材通過理論推導的方式推理出：帶電粒子垂直進入勻強磁場中將做勻速圓周運動。人教版教材在下一節(jié)介紹了“洛倫茲力演示儀”的工作原理(如圖5)，并用它來說明：“帶電粒子垂直進入勻強磁場中將做勻速圓周運動”。筆者在教學中將兩者相結合，引領學生設計方案驗證洛倫茲力的表達式，具體實驗步驟如下。

圖5

(2) 測量磁感應強度。通電勵磁線圈產(chǎn)生磁感應強度的大小可用磁傳感器直接測量，磁傳感器輸出的電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器進入計算機，磁感應強度的大小可以直接讀出。

(4) 比較洛倫茲力F大小和evB大小是否相等。

(5) 改變加速電壓U和勵磁電流I，重復實驗3次。

利用“洛倫茲力演示儀”來驗證洛倫茲力的表達式是否正確，是一個創(chuàng)新，學生對此很感興趣。通過本實驗的開發(fā)，培養(yǎng)了學生設計實驗探究方案和獲取證據(jù)的能力，課堂上筆者引領學生使用Excel表格進行處理，凸顯了信息技術與物理實驗相整合的優(yōu)勢，培養(yǎng)了學生使用不同方法和手段分析、處理信息的能力。

提升學生物理核心素養(yǎng)是中學物理教學之價值所在[2]。物理教師應該依托現(xiàn)有教材，研讀不同版本教材，取其精華，以學生核心素養(yǎng)的提升為目標，優(yōu)化教學內(nèi)容，創(chuàng)設有利于學生物理核心素養(yǎng)提升的學習情境，精心設計學習活動，關注學生個體知識的建構，形成物理觀念，提升全體學生的物理核心素養(yǎng)，進而為學生今后的發(fā)展奠定堅實的基礎。

[1] 林崇德．21世紀學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M]．北京：北京師范大學出版社，2016：1-70．

[2] 蔣天林．基于學生物理核心素養(yǎng)提升的教學實踐[J]．物理教師，2017，(1)：7-9．