劉 娜 張玉峰 雷祥翠 張瑩瑩

(1. 中國人民大學附屬中學,北京 100086; 2. 北京市教科院基教研中心,北京 100036)

20世紀的學習理論在皮亞杰認知理論的影響下,逐步從以教師為主的“傳統(tǒng)范式”轉向以學生為主的“學習范式”．[1]新的學習理論強調,知識不是通過教師傳授得到的,而是學習者通過意義建構的方式獲得的．學生不是被動接受者和被灌輸?shù)膶ο?而是信息加工的主體、是意義的主動建構者．美國教育家布魯姆認為“以學生為中心”的學習范式,有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新精神、培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和關鍵能力．

新一輪課程改革的核心理念是教育要“以人為本”．落實到教學上就是要以學生為中心,這需要教師在備課時從學生思維出發(fā),針對學生的不同特點,把學生的思維發(fā)展與教學內容融合起來;需要教師對教學內容進行有效設計和有機整合．下面以“運動電荷在磁場中受到的力”為例,介紹一節(jié)以學生為中心的教學設計．

1 教學內容分析

本節(jié)課是人教版選修3-1第3章“磁場”第5節(jié)“運動電荷在磁場中受到的力”的第一課時,這是高中物理教學中一節(jié)重要的規(guī)律課．

教學內容從單課的知識主線及其在單元前后的結構主線兩個方面進行分析．知識主線中的核心內容是洛倫茲力的方向和大小,從學生的能力和思維特點及其培養(yǎng)上看,洛倫茲力的方向涉及的空間立體關系比較抽象,適合學生在實踐中感知,是培養(yǎng)科學探究的有效素材;洛倫茲力的大小與安培力之間有密切關聯(lián),是培養(yǎng)科學思維的關鍵載體.教學中可以通過教師引導,讓學生自主建立起兩者之間的關聯(lián),再進行理論推導．結構主線中的主要內容是洛倫茲力與安培力之間微觀與宏觀的聯(lián)系,次要內容是洛倫茲力的基本地位、洛倫茲力與電場力之間的關聯(lián)以及磁場與電場的關聯(lián)．前者可在方向和大小的研究過程中進行滲透,后者適合以拓展的形式教學．這些教學內容既能完善學生的知識體系和物理觀念、鍛煉學生深入學習的能力,又給學生提供了豐富的想象空間．

此外,洛倫茲力在生活中和科研中的應用也是教學的一個結合點.這些素材可以為學生提供豐富的知識應用和實踐環(huán)節(jié),也能打開學生的視野,激發(fā)學生的創(chuàng)造力．從科學史的角度看,洛倫茲是一位在經典物理與近代物理之間承上啟下式的科學巨擘,是第一代理論物理學家的領袖．[2]他不僅在科研中取得了令人矚目的成就,更在做人方面為世人樹立了典范．教學中可以在學案附錄資料詳細介紹洛倫茲,讓學生感受科學家的崇高品質,這是培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任的絕佳素材．

最后,本節(jié)課與即將學習的帶電粒子在磁場中的運動相聯(lián)系,教學中可以通過一定的教學設計為下節(jié)課埋下伏筆,讓學生的整個學習過程成為一個有機整體．

2 學情分析

為營造能夠抓住、引導并發(fā)展學生思維的課堂,需要教師真正以學生為中心進行學情的深入分析,梳理能夠發(fā)展思維的教學點,結合教學內容進行設計．以學生為本的關鍵是要以學生的思維為中心,從學生的視角和因果層面分析思維“階”點,圍繞思維進階發(fā)展的角度設計活動、組織教學．[3]

其次,從學生思維進階發(fā)展的角度分析教學活動．在洛倫茲力方向的教學上有兩種常見的方式．一種是通過實驗探究,利用牙簽或吸管等做標記,總結出力、速度、磁場3個方向之間的關系;另一種是通過理論預測,先告知學生安培力與洛倫茲力之間的關系,再讓學生推導出洛倫茲力的方向遵循的規(guī)律．站在“以學生為中心”的指導思想下看,這兩種教學方式都有些許不足．前一種低估了學生的能力,學生在安培力的學習中重點探究過力、電流、磁場3個方向之間的關系,再次進行實驗探究就會導致重復教學,不能更好地激發(fā)學生的學習興趣;后一種教學剝奪了學生自主思考的權利,以先入為主的方式將知識灌輸給學生．本節(jié)課采用的方式是在真實情境下教學,通過“東方超環(huán)”這一實際情境,讓學生認識托卡馬克磁約束裝置．基于學生的思維進階發(fā)展,通過由淺入深的問題設計開展學習,讓學生在實踐中摸索總結出洛倫茲力方向所遵循的規(guī)律．這一部分教學過程中,學生的思維及教學活動如表1所示.

這樣的教學過程既符合學生認知又在學生能力范圍之內,能夠激發(fā)出學生的興趣和探索熱情,更能帶給學生用已有知識解決實際問題的幸福感．

表1 洛倫茲力方向的教學過程中學生

3 教學目標

(1) 經歷實驗研究洛倫茲力方向的過程,知道洛倫茲力的方向與電荷運動方向和磁感應強度的方向3者之間的空間關系,會用左手定則判斷洛倫茲力的方向,培養(yǎng)學生科學探究的能力．

(2) 經歷由安培力公式推導出洛倫茲力公式的過程,知道運動電荷所受洛倫茲力的矢量和在宏觀上表現(xiàn)為安培力,體會宏觀與微觀之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學生科學思維的能力．

(3) 通過與安培力以及磁場和電場整合教學,在學生頭腦中建立結構化、一體化的知識體系,并在此基礎上提高學生對前后知識關聯(lián)和遷移的應用能力．

(4) 通過歷史追溯與科技應用,培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任．

4 教學重難點及策略

洛倫茲力的方向是本節(jié)課第一個重難點,其空間方向比較抽象,對多數(shù)學生而言難以想象．突破策略是讓學生在實踐中運用知識、歸納知識、提煉方法．調動學生眼手腦一起協(xié)作、全面配合,從而加深學生對洛倫茲力方向的認識．

洛倫茲力的大小是本節(jié)課第二個重難點,需要學生有從宏觀到微觀、從安培力到洛倫茲力過渡的想象力,更需要學生對電流微觀含義有充分的認識．突破策略是采用理論預測、知識遷移相結合的方法,將這一難點逐一突破．

5 教學過程

5.1 情境引入 提出問題

播放視頻:2018年11月12日,我國大科學裝置“東方超環(huán)”取得了國際性重大突破,首次實現(xiàn)等離子體中心溫度達到108℃．東方超環(huán)的核心技術之一是控制等離子體的運動,從而把它們約束在一個指定區(qū)域內．

“那么科學家們是通過什么方法來改變電子、離子的軌跡,進而指揮它們的呢?”

學生們猜測是磁場．教師進一步激發(fā)學生“想不想體驗一下親手指揮電子的感覺”,讓學生利用蹄形磁鐵和電子束演示器(如圖1所示)嘗試改變電子的飛行軌跡．這一設計既能讓學生熟悉電子束演示器,又能充分滿足學生的好奇心和嘗試的欲望、激發(fā)學生學習的熱情,更便于引出本節(jié)課要研究的課題“運動電荷在磁場受到的力”,此力記為f以便于討論．

圖1 電子束演示器

5.2 任務驅動 深度學習

接下來,請學生嘗試著有目的地控制電子．讓學生“試著用手中的磁鐵讓電子束向下偏轉、向上偏轉、向靠近你的方向偏、向遠離你的方向偏”．這樣設計的目的在于讓學生有意識地思考電子運動方向與哪些因素有關,有怎樣的關系．部分學生在這一過程中將會自主地采用左手定則的方法進行判斷．

隨后,請學生指揮教師該如何用磁鐵控制電子．比如提問“想讓電子向上偏,應該施加什么方向的磁場”等幾個問題,部分學生能夠迅速給出正確答案．這種設計,既給學生提供了滿滿的幸福感,又可以促進學生自主地總結提煉規(guī)律．隨后問“大家能這么快地給出正確答案,采用了什么方法”.學生基于安培力的基礎和實踐操作的過程能夠順暢地總結出左手定則．

以上的教學過程,是學生在任務驅動下自主完成實踐、總結、提煉的過程,學生充分發(fā)揮了課堂的主體地位．教師作為問題的提出者順應并引導學生的思維發(fā)展過程,給學生創(chuàng)設表達和展示的機會,而教師本身逐漸淡出課堂．學生在這一教學過程中除了有更多的自主性之外,還會體會到應用已有知識解決實際問題的幸福感．

在學生總結出左手定則之后,教師提出一個啟發(fā)性問題“目前我們研究的都是磁場方向與電子運動方向完全垂直的情況,而實驗所使用的是蹄形磁鐵，這有沒有什么問題呢”.這個問題既能引出B、v不垂直的情況討論,也能培養(yǎng)學生嚴謹細致的科學態(tài)度,激起學生的求知欲．學生能夠意識到蹄形磁鐵的磁感線分布復雜,在剛才的操作中一定或多或少地都會遇到磁場方向和運動方向不垂直的情況．設問：“那在這種情況下電子偏轉的規(guī)律又會如何呢?”.隨后教師利用可繞豎直軸自由轉動的勻強磁場,如圖2所示,研究B、v任意夾角時電子的偏轉情況．學生可以在實驗中觀察出當B、v夾角從90°到0°的過程中電子的偏轉情況,從而總結出分解的辦法,亦可以發(fā)現(xiàn)所有的夾角都只有豎直分量的關系起作用,因此我們用最簡單的垂直關系來判斷電子偏轉是合理的．這一教學過程是學生深度學習和思考的過程,也會幫助學生更加清晰地認識力f的方向所遵循的規(guī)律．

圖2 可調控勻強磁場與電子運動方向的裝置示意圖

5.3 理論分析 學會遷移

對于力f的大小,首先請學生們猜測“力f最后的表達式中會出現(xiàn)哪些物理量”,學生能猜出f=f(q,v,B,θ)．基于前期對角度的研究基礎同時為了簡化問題,課堂上只研究θ=90°時的情況,即f=f(q,v,B)．設問：“那可以通過什么方式研究這些物理量與f的關系?”.實驗探究這一問題的難度很大,引導學生從理論推導的角度得到f的表示式．隨后的思維跨度很大,是教學中的難點,需要為學生搭建合適的思維臺階．具體采用問題引導的做法“我們所學過哪個力可能會與f有關”,學生猜出安培力F．設問：“能夠關聯(lián)起來f與F的橋梁隱藏在影響兩者的物理參量上,這些量之間有何關聯(lián)呢”.學生能想到電流I與電荷量q以及速度v有關,即I=neSv．那f與F之間有什么關系呢?這里需要利用微觀示意圖幫助學生建立起宏觀和微觀的關聯(lián),如圖3,引導學生得出F=Nf的猜想,其中N是所研究導線中定向移動電子的總數(shù)．隨后學生自行推導f的表達式．

圖3 靜止導線中電子運動及受力的微觀示意圖

5.4 介紹洛倫茲以及洛倫茲力

歷史上洛倫茲最早提出f的猜想,為了紀念他,人們把磁場對運動電荷的作用力稱為洛倫茲力．洛倫茲在1895年,電子還未發(fā)現(xiàn)的年代,獨具慧眼預言了電子和電荷的存在,不僅提出洛倫茲力還創(chuàng)立的經典電子論．他與他的學生塞曼共同分享了1902年的諾貝爾物理學獎,此外他還導出了愛因斯坦的狹義相對論基礎的變換方程,即現(xiàn)在為人熟知的洛倫茲變換．“everybody felt his superiority, but nobody felt oppressed by it”這句英文是愛因斯坦對他的高度評價．意思是:每個人都感受到他超越于眾人之上,但沒人因此而有壓迫感．這句話不僅肯定了洛倫茲的杰出貢獻,更道出洛倫茲博大的格局和情懷．

洛倫茲力(與電場力一起)是自然界中最基本的一種相互作用——電磁相互作用,其在四大基本相互作用中的結構如圖4所示．洛倫茲力十分普遍,不論在微觀還是宏觀,只要是運動電荷之間都存在這種力,宏觀上我們接觸到的力除了重力之外,彈力、摩擦力、電場力、磁場力都起源與此．結合之前已經學過的萬有引力,學習了本節(jié)內容之后,學生就掌握了自然界所有宏觀長程力的基本法則．這對學生知識體系的完善有所幫助,同時也有助于培養(yǎng)學生逐漸形成對力學本質認識的物理觀念．

圖4 洛倫茲力在四種基本相互作用中的地位

如圖5所示,洛倫茲力與電場力都是場對電荷的作用,在經典電磁學理論中可以認為這兩種場都源于電荷,既然電場和磁場都與電荷有關,那這兩者之間又是否有何關聯(lián)?

圖5 磁場、電場、電荷之間的關系結構圖

以上問題可以幫助學生完善力學體系,構建電場和磁場的整體性,并為后續(xù)的學習留下接口．

5.5 實際應用 拓寬視野

洛倫茲力在生活中有一處奇妙而廣泛地應用——顯像管電視機．教學中,通過實物演示和問題引導的方式讓學生在實際情境中練習使用洛倫茲力．

分別用兩個開關控制磁偏轉線圈中的行偏轉信號和場偏轉線圈信號,以更好地展示偏轉線圈對電子束的影響．最初兩個開關都置于斷開狀態(tài),此時電子束不受磁場的作用,顯示器的正中央出現(xiàn)一個亮點．閉合行偏轉開關之后,屏幕正中央出現(xiàn)一條橫線;閉合場偏轉線圈后,屏幕正中央出現(xiàn)一條豎線;如果兩個開關同時閉合,則整個屏幕都是亮的．在實際操作和講解過程中,教師可以在閉合兩個偏轉開關之前,先提問幾個問題,例如“想讓亮點向上(左)動,應該施加什么方向的磁場”等.這樣既可以讓學生在實際情境中應用洛倫茲力,又可以解釋偏轉線圈的原理,再利用3D動畫就能更形象地說明磁偏轉線圈的工作原理．

課上還可以拓展極光背后的成因,以及洛倫茲力在高精尖科研領域中的應用,如開篇提到的熱核裝置中約束等離子體的托卡馬克裝置;用于汽車測速和磁傳感器中的霍爾元件;利用磁聚焦的電子顯微鏡;利用磁聚焦的磁控濺射鍍膜機等．這將開拓學生的視野,激發(fā)學生的創(chuàng)新意識．

5.6 驗證猜想 埋下伏筆

本節(jié)課最后布置的作業(yè):請設計實驗,定量的驗證洛倫茲力的大小f=qvB的正確性．實驗裝置和原理如圖6所示.

各儀器名稱如下: ① 電子束偏轉管; ② 電子束偏轉管內的一對平行金屬板(產生豎直方向的電場); ③ 電子束偏轉管外的亥姆霍茲線圈(產生水平方向的磁場); ④ 高壓電源,給電子束偏轉管提供加速電壓U1,可以利用U1推算出電子速度的大小; ⑤ 高壓電源,點平行金屬板提供偏轉電壓U2,可以利用得到電場強度的大小; ⑥ 電流源,給亥姆霍茲線圈供電,根據(jù)通過線圈的電流I可以推算出磁感應強度的大小B=0.0042I．請學生利用這套裝置設計實驗驗證洛倫茲力的公式,一來可以讓學生在實際情境中應用知識解決問題,二來便于為下節(jié)課埋下伏筆．

圖6 電子偏轉管工作裝置及其實驗原理示意圖

6 評價

本節(jié)課教學過程從學生出發(fā)、以學生為中心,根據(jù)教學內容設計出能充分調動學生、充分發(fā)揮學生能力、貼合學生思維與能力又能培養(yǎng)學生思維與能力的課堂活動．讓學生自發(fā)地成為課堂的主體,鼓勵學生多實踐多動手、多觀察多思考、多提問多交流、多回顧多遷移、多關聯(lián)多整合,全方位地圍繞學生設計和組織教學活動,從而在科學思維能力、科學探究能力、團隊合作意識、科學態(tài)度與責任等方面對學生進行培養(yǎng)．