卞藝玲　付麗萍

摘 要：科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是物理教學(xué)的重要任務(wù)之一。本文以司南版《探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用》一節(jié)為例，挖掘有利于學(xué)生思維活動(dòng)的課程資源，以發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維為目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；課程資源；安培力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）8-0065-5

1 問題提出

科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[1]?？茖W(xué)思維的形成，有助于學(xué)生在面對(duì)思維障礙時(shí)尋找解決的途徑，利于學(xué)生的終身發(fā)展。物理教學(xué)過程中要實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理知識(shí)建立的思維過程，而這個(gè)過程需要課程資源的支撐。

物理課程資源潛在于自然界和社會(huì)的方方面面，且呈現(xiàn)出多樣性的特征[2]?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在實(shí)施建議中指出“重視課程資源的開發(fā)、整合與利用”[1]，這勢(shì)必要求教師強(qiáng)化課程資源意識(shí)，將課程資源的利用定位于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，為物理教學(xué)提供進(jìn)行思維活動(dòng)的環(huán)境，以貫徹課程改革目標(biāo)。

2 以發(fā)展科學(xué)思維為目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)

司南版選修3-1第6章第1節(jié)《探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用》是本章的教學(xué)重點(diǎn)。課標(biāo)對(duì)本節(jié)的要求是：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)安培力；能判斷安培力的方向，會(huì)計(jì)算安培力的大?。涣私獍才嗔υ谏a(chǎn)生活中的應(yīng)用[1]。本節(jié)是在學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)基本特性的基礎(chǔ)上對(duì)電與磁之間相互作用的進(jìn)一步探索，通過實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理的思維過程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用規(guī)律。

從知識(shí)層面看，學(xué)生對(duì)電、磁兩個(gè)模塊的內(nèi)容有一定的知識(shí)基礎(chǔ)，但對(duì)兩者的聯(lián)系還缺乏深入的了解，對(duì)安培力在生活中的應(yīng)用沒有直觀的感性認(rèn)識(shí)。從能力層面看，安培力方向的規(guī)律涉及三維空間，而學(xué)生的思維能力很難直接找出三個(gè)方向的相互關(guān)系，建構(gòu)模型的能力不足。另外，學(xué)生雖然具備一定的實(shí)驗(yàn)探究能力和分析推理能力，但對(duì)安培力大小的定量探究仍需教師引導(dǎo)。

基于以上分析，我們?cè)凇坝媒滩慕獭钡幕A(chǔ)上進(jìn)一步挖掘有助于學(xué)生思維活動(dòng)的課程資源，對(duì)本節(jié)課進(jìn)行教學(xué)開發(fā)。教學(xué)思路如圖1所示。

我們以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維為目標(biāo)，結(jié)合2017版課標(biāo)對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的水平劃分，在各教學(xué)環(huán)節(jié)中針對(duì)科學(xué)思維的各要素制定學(xué)習(xí)目標(biāo)，如表1所示。

2.1 新課導(dǎo)入

任務(wù)1 滲透學(xué)史，啟發(fā)思維

奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線能使小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，法國物理學(xué)家安培進(jìn)一步研究總結(jié)出判斷磁針偏轉(zhuǎn)方向的右手定則，并提出磁鐵與通電導(dǎo)線相類似，具有磁性是由于磁體內(nèi)“分子電流”產(chǎn)生磁效應(yīng)。通過這一科學(xué)發(fā)展進(jìn)程啟發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷安培的思考過程：既然磁鐵間存在力的相互作用，通電導(dǎo)體對(duì)磁鐵也有力的作用，那么通電導(dǎo)體之間是否也存在力的相互作用呢？

利用圖2中的實(shí)驗(yàn)裝置演示通電導(dǎo)體間力的相互作用，在學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)后，指明：安培經(jīng)過研究得出，不論是磁鐵間力的相互作用，還是通電導(dǎo)體間力的相互作用，本質(zhì)上都是磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力。為此，我們要深入探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力的規(guī)律。

學(xué)生對(duì)三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析推理，會(huì)發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)通電導(dǎo)線處于磁場(chǎng)中時(shí)才會(huì)受到力的作用。

評(píng)析 本節(jié)新課導(dǎo)入的環(huán)節(jié)教師通常直接采用直觀的演示，讓學(xué)生知道磁場(chǎng)對(duì)電流力的作用的存在，但往往忽視了為何要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究。為此，我們將物理學(xué)史這一重要的課程資源融入到新課導(dǎo)入的環(huán)節(jié)中，帶領(lǐng)學(xué)生追本溯源，經(jīng)歷科學(xué)家探索的科學(xué)思維過程，體會(huì)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)問題的科學(xué)思維活動(dòng)，明確研究安培力的意義。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)直觀演示，引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法分析不同條件下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生對(duì)電與磁之間相互作用的深入思考。

2.2 新課教學(xué)

任務(wù)1 探尋安培力方向，學(xué)會(huì)模型建構(gòu)方法

安培力方向的教學(xué)難點(diǎn)是如何把通電導(dǎo)體受力的方向、電流方向、磁場(chǎng)方向三者的空間關(guān)系表示出來。教學(xué)中我們采用分步引導(dǎo)的方式引導(dǎo)學(xué)生建立空間模型，發(fā)現(xiàn)三者的空間關(guān)系。

情景1：利用上述圖3中的實(shí)驗(yàn)裝置，分組探究影響安培力方向的因素，學(xué)生用表格的形式記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）。但根據(jù)表格記錄的數(shù)據(jù)，學(xué)生很難找出三者方向的關(guān)系。

情景4：學(xué)生以方向不變的物理量為軸依次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用同一空間模型描述。

由此，引導(dǎo)學(xué)生類比得出F、B、I三者的空間位置關(guān)系也是固定不變的。在學(xué)生對(duì)三者關(guān)系有較為深入認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想用左手描述三者間的位置關(guān)系，介紹左手定則的具體內(nèi)容。

評(píng)析 學(xué)習(xí)中學(xué)生對(duì)左手定則的內(nèi)容能夠很快地記住并會(huì)使用，但左手定則的建立過程學(xué)生不太清楚。我們借助生活中容易獲得的木棍、橡皮泥構(gòu)建空間立體模型作為課程資源，讓學(xué)生經(jīng)歷從記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，到平面圖示理解，再上升到模型建構(gòu)的思維過程，學(xué)會(huì)模型建構(gòu)的方法。

任務(wù)2 定量探究，強(qiáng)化科學(xué)論證能力

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置只能對(duì)安培力大小進(jìn)行定性探究，但無法實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量。引進(jìn)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助傳感器及DIS通用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)安培力大小的定量測(cè)量。

利用強(qiáng)磁鐵形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，將長寬比為2∶1的線圈與力傳感器相連后一條邊置于磁場(chǎng)中，使安培力在豎直方向上以便測(cè)量（如圖6所示）。把線圈連入分壓式電路中，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值使電流從零開始變化，探究安培力大小與電流的關(guān)系；通過改變處于磁場(chǎng)中導(dǎo)線的長度，探究安培力大小與通電導(dǎo)線長度的關(guān)系。

通過圖7所示數(shù)據(jù)，學(xué)生可以定量分析出安培力隨著電流的增大而增大，利用DIS系統(tǒng)的繪圖功能，建立F-I坐標(biāo)系并記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖8所示。通過觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布情況，引導(dǎo)學(xué)生推理兩者間近似是什么關(guān)系？再通過系統(tǒng)的“線性擬合”進(jìn)行論證，得到圖9所示的一次函數(shù)圖像。

評(píng)析 數(shù)字媒體已成為物理學(xué)習(xí)的重要課程資源[1]，將DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程資源進(jìn)行整合，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法定量測(cè)量安培力大小的不足。DIS系統(tǒng)能將數(shù)據(jù)直觀表現(xiàn)和及時(shí)處理，但如果將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果直接展示給學(xué)生，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力。我們?cè)诮虒W(xué)中先使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量分析影響安培力大小的因素，引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)進(jìn)行合理猜想，再利用DIS系統(tǒng)驗(yàn)證，強(qiáng)化科學(xué)論證能力。

任務(wù)3 由特殊到一般，提高科學(xué)推理能力

為把安培力大小規(guī)律推廣到一般情況，教學(xué)中我們運(yùn)用理論推理與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的方法，拓展學(xué)生思維。

情景1：問題引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生利用已知規(guī)律，推導(dǎo)出更普遍的規(guī)律：

（1）安培力大小公式F=BIL的適用條件是什么？

（2）B與I方向間夾角為θ時(shí)，如何求解磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力大??？

（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，如何分解？

學(xué)生能將磁感應(yīng)強(qiáng)度按垂直于電流和平行于電流兩個(gè)方向分解，推理出安培力大小的一般表達(dá)式為F=BILsinθ。

情景2：利用圖10所示裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤改變B與I的夾角θ進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，并利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)繪制F-θ圖像（結(jié)果如圖11所示），引導(dǎo)學(xué)生理解安培力公式的物理意義。

評(píng)析 經(jīng)歷物理規(guī)律由特殊條件到一般形式的理論推理過程，再利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的課程資源幫助學(xué)生理解，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力。

2.3 課外延伸

任務(wù)1 動(dòng)手自制

磁電式電流計(jì)是安培力的應(yīng)用之一，課后我們組織學(xué)生進(jìn)行簡易電流計(jì)的制作（圖12）。

將漆包線繞成10～15匝的矩形線圈，兩端留出一定長度。用較粗的直漆包線從線圈中穿過作為轉(zhuǎn)軸，并用線圈兩端留出的線把轉(zhuǎn)軸固定，然后以轉(zhuǎn)軸為中心繞成螺旋形并固定在底板上作為扭轉(zhuǎn)力。把適當(dāng)長度的漆包線固定到線圈的一端作為指針，將制作好的線圈放在支架上，線圈平面與水平面平行。

將上述線圈與滑動(dòng)變阻器、電流表、電源串聯(lián)，置于蹄形磁鐵中。改變滑動(dòng)變阻器的阻值，根據(jù)電流表示數(shù)制作刻度盤。

任務(wù)2 設(shè)置系列問題，提升思維

在制作的過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）初始狀態(tài)為什么要讓線圈平面與水平面平行？

（2）線圈為什么會(huì)停在某一位置？

（3）觀察制作好的電流計(jì)刻度盤是否均勻？若不均勻，是什么原因？

學(xué)生在制作的過程中，對(duì)以上問題進(jìn)行獨(dú)立思考，解釋磁電式電流計(jì)的工作原理及各個(gè)部件的作用，進(jìn)一步加深對(duì)安培力規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

評(píng)析 開展制作電流計(jì)的課外活動(dòng)，能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，是對(duì)課程資源較好的補(bǔ)充。動(dòng)手實(shí)踐的過程，不僅激活了學(xué)生的思維，也促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。

3 結(jié) 語

教學(xué)中合理地開發(fā)、利用課程資源，以課程資源為載體，創(chuàng)設(shè)利于學(xué)生思維活動(dòng)的情境，使學(xué)生長期處于科學(xué)思維訓(xùn)練的環(huán)境中，充分發(fā)揮課程資源的教育價(jià)值是物理教師的重要任務(wù)。

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（欄目編輯 張正嚴(yán)）