楊志東 楊慶華

摘 要：對物理核心概念的深入理解是學生形成物理觀念的重要組成部分，對核心概念的科學構(gòu)建過程是學生深入理解概念并熟練應用其解決問題的重要認知完善渠道，是概念教學過程中落實核心素養(yǎng)課程目標的關(guān)鍵.通過對核心概念構(gòu)建策略關(guān)鍵要素的分析，提出核心概念構(gòu)建的必要環(huán)節(jié)的設定，并以“磁感應強度”教學為例，圍繞這一核心概念構(gòu)建過程中的重要環(huán)節(jié)采用的策略、指向的核心素養(yǎng)和評價進行教學實踐和反思.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理概念構(gòu)建;策略

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0011-05

基金項目：北京市朝陽區(qū)“十三五”規(guī)劃課題“基于高中物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展的貫通式單元教學設計實踐研究”（項目編號：1352YB132）.

作者簡介：楊志東（1972-），男，遼寧人，本科，中學高級教師，研究方向：教師培訓、教學設計與實踐、學生閱讀能力培養(yǎng);

楊慶華（1987-），女，山西人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

物理概念是一類物理現(xiàn)象的共同特征和本質(zhì)屬性在人腦中概括和抽象的反映，是物理知識的重要組成部分，物理核心概念更在教學中統(tǒng)領(lǐng)整個單元教學的知識脈絡.故物理核心概念的科學構(gòu)建是對概念的理解由淺入深、由系統(tǒng)反思到遷移應用的關(guān)鍵，是從碎片知識到概念體系、從方法到思維提升過程中不可或缺的一步，更是物理觀念逐步形成的重要渠道.

在當前的概念教學實踐中，一些教師受思維定勢的影響，依舊按照傳統(tǒng)的物理概念教學模式進行教學，采用的教學方法單一、機械，更有甚者會讓學生死記硬背相關(guān)概念的定義式及物理意義，忽視了概念構(gòu)建過程中應體現(xiàn)的“為什么—是什么—還有什么”這些由淺入深、由一般到概括、由具體到抽象的學生認知提升過程，更忽視了過程中指向?qū)W科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的層級進階性.這就導致學生對概念的理解片面化、淺顯化、碎片化，長期以往，學生無法形成結(jié)構(gòu)化的知識體系，物理觀念的形成也會不順暢.

故注重物理核心概念構(gòu)建過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設立，并依據(jù)環(huán)節(jié)采用科學策略是在概念構(gòu)建過程中落實核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素.

1 核心概念構(gòu)建過程性策略關(guān)鍵要素分析

《普通高中物理課程標準（2017年版）》的基本理念中明確提出，引導學生自主學習，提倡教學方式多樣化.高中物理課堂通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究，善于實驗、勤于思考的學習情境，培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習能力.通過多樣化的教學方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導學生理解物理學本質(zhì)，整體認識自然界，形成科學思維，增強科學探究能力和解決實際問題的能力，即物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標要與物理教學順利對接.物理核心概念教學方式也應該達到課程標準基本理念和核心素養(yǎng)的要求，所以物理核心概念構(gòu)建的教學策略應具備以下的特征.

1.1 激發(fā)學生學習熱情的學習情境創(chuàng)設

生產(chǎn)生活中有很多現(xiàn)象需要用物理核心概念來解釋，且可以生成有研究價值的科學探究問題的情境，可以與學習的物理核心概念有關(guān)的生活現(xiàn)象或社會發(fā)展的前沿科技為切入點，引導學生思考學習物理核心概念帶來的社會影響和價值導向.

在物理核心概念課的教學中，教師應充分挖掘相關(guān)素材，創(chuàng)設適切的學習情境，通過利于學生參與和思考的演示實驗或研究任務，激起學生學習熱情，并引導學生學會探究現(xiàn)象背后蘊含的物理知識，初步獲取感性認識.

1.2 提高學生參與度的教學活動開發(fā)

教學活動應基于學情，注重增加實際現(xiàn)象與核心知識的聯(lián)系;活動的設定應以提高學生的學習興趣、探究的欲望為目的，注重落實核心素養(yǎng)課程目標.學生根據(jù)興趣積極地參與到學習活動中，不僅收獲知識，還能體驗問題解決過程中的艱辛與樂趣，更深層次的是能對于物理核心概念的理解上升一個臺階，實現(xiàn)合理進階.

學生活動的實施可以以小組為單位，不同認知水平的學生對于物理概念的理解基礎不同，自主學習小組的協(xié)作性能讓學生意識到自身的思維定勢.在小組學習討論過程中，從知識層面看，能收集同伴們不同的視角，能打破自我思維的固化，開闊思維和見識，提高了對于物理概念的理解效率;從素養(yǎng)層面出發(fā)，能意識到對任何問題的全面剖析和解決，不是一個人能簡單完成的，能充分感悟合作的影響力，加強團隊合作意識.

1.3 對概念的認識從感性到理性突破的科學方法和思想的探索

高中物理的核心概念大多需要從定性認知上升到定量層次，需要有具體的定義方式和數(shù)學表達式.而這些概念的定義都會遵循重視科學抽象，抓本質(zhì)摒棄非本質(zhì)的原則，讓學生實現(xiàn)由感性到理性的認知上升，所以從定性感知到定量探究是讓學生形成物理核心概念進階的關(guān)鍵.

通過有效活動的實施，學生對于物理核心概念獲得了必要的感性認識，然而這只是概念學習的初步階段，還需要沿尋物理概念從簡單到復雜的進階路徑，感悟此過程中科學思維有哪些，能運用到的科學方法有哪些，這些都是教師反思的關(guān)鍵.

1.4 對原有熟悉的物理概念或事實經(jīng)驗的加工和遷移

在對物理概念的定義中，很多新概念的學習是借助原有概念的認知基礎.例如，高中階段的“勢能”概念，是在力做功的特點的基礎上加以定義，并按照科學方法具體展開探究的.

同時，對于類似的勢能、電場、磁場、電動勢這些較抽象的物理核心概念的深入理解，還可以借助數(shù)學工具和典型思想進行探究.例如，重力勢能具體表達式的推導可以借助能量守恒的思想.對于彈性勢能、電勢能、分子勢能的學習可以借助類比的思想，由重力勢能的學習基礎加上科學方法實現(xiàn)遷移.

2 核心概念構(gòu)建過程中必要環(huán)節(jié)的設定

主要以自主學習小組的形式開展物理核心概念的教學，在教學目標的驅(qū)動下，教師在每個環(huán)節(jié)都會對學生及時引導和把控，關(guān)注各個層級學生的參與度和教學目標的完成情況（如圖1）.

3 案例分析

物理課堂教學中，促進學生合作學習，通過關(guān)鍵環(huán)節(jié)的協(xié)作學習，學生不僅能逐步加深對概念和規(guī)律的認知，還可以領(lǐng)悟協(xié)作學習的意義.

關(guān)鍵環(huán)節(jié)科學方法的應用不僅能使學生對概念加深理解，也是提升學生思維和能力的必要環(huán)節(jié)，利用好實驗課對學生操作技能的訓練、觀察能力的培養(yǎng)、思維的提升和解決問題能力的培養(yǎng)有著重要的意義，而這些能力正是物理學科核心素養(yǎng)的核心.

下面以“磁感應強度”新授課為例，介紹指向?qū)W科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理核心概念構(gòu)建的實踐.

3.1 環(huán)節(jié)一：學生親自參與實驗，增強感性認識

師：請同學們用你手邊的器材做兩個小實驗：（1）用手拿著小鋼球在磁鐵的近處、遠處，感受磁鐵對小鋼球作用力的大小;（2）將兩個條形磁鐵吸在一起，徒手拉開;將兩塊強磁鐵吸在一起，徒手拉開.對此你有什么感受？

生：小鋼球在磁鐵的近處比遠處受力大;將兩個條形磁鐵吸在一起，很容易徒手拉開，將兩塊強磁鐵吸在一起，卻很難徒手拉開.

師：從同學的感受我們可以看出不同磁體的磁場強弱并不相同，同一磁鐵不同位置的磁場強弱也不同，上節(jié)課我們通過磁感線定性描述了磁場的強弱，本節(jié)課我們一起來研究如何定量描述磁場的強弱？

設計意圖：通過直觀感受讓學生定性感知磁場有強弱，并生成有價值的問題：如何描述磁場的強弱？

3.2 環(huán)節(jié)二：基于已有認知類比分析，深化對物理概念的認識

師：同學們，在學習磁場之前，我們還學習過哪種場呢？

生：電場.

師：在學習電場的時候，我們?nèi)绾蝸砻枋鲭妶龅膹娙?？引導學生回顧電場強度的建立過程，教學思路流程如圖2所示.

師：我們研究檢驗電荷在電場中的受力情況，從而確定了一個叫作電場強度的物理量來描述電場的強弱.那么我們能否借鑒學習電場的思路，研究磁場的強弱？

學生可能想到在磁場中放入小磁針，通過研究小磁針的受力情況來研究磁場的強弱.老師可以指出：小磁針靜止時，兩個磁極所受合力為0，小磁針不會單獨存在一個磁極，因此無法從小磁針受力的角度研究磁場的強弱.老師可以追問磁場還對哪些物體有力的作用？學生根據(jù)已有知識會想到磁場對通電導線的作用力.

設計意圖：結(jié)合學生原有的認知水平，引導學生明晰研究描述磁場強弱的思路方向.

3.3 環(huán)節(jié)三：實驗探究、科學方法和思想的應用，領(lǐng)悟物理概念的內(nèi)涵

師：那么，我們接下來先通過實驗探究一下磁場對通電導線的作用力與哪些因素有關(guān).請各小組設計實驗方案，明確實驗方法，設計數(shù)據(jù)記錄表格.

實驗探究：影響磁場對通電導線的作用力大小的因素.

猜想：通電導線在磁場中受到的力F的大小與導線長度L、通過導線的電流I、磁場的強弱以及導線與磁場方向的夾角θ有關(guān).

實驗方法：當有多個因素決定一個問題時，為研究各因素與這個問題的關(guān)系，我們采用控制變量的研究方法.

實驗裝置：如圖3，線框與傳感器相連，固定在鐵架臺上，線框的重力可以通過傳感器調(diào)零抵消，因此傳感器的讀數(shù)就是通電導線在磁場中所受磁場力的大小.裝置一，磁體固定在可轉(zhuǎn)動的圓盤上，通過轉(zhuǎn)動圓盤可以改變導線與磁場方向的夾角;裝置二，導線與磁場方向垂直放置，調(diào)節(jié)滑動變阻器可改變電流，電流大小通過電流傳感器測量，移動U型磁鐵，改變處在磁場中導線的長度.

將實驗拆分成4個研究項目，分配給4個小組，完成實驗并記錄在設計的表格中.

第1組實驗：控制電流大小、導線長度不變，磁場強弱不變，改變導線與磁場方向的夾角，探究力與導線、磁場方向夾角的關(guān)系，閉合開關(guān)，采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表2.

第2組實驗：控制磁場強弱和導線長度不變，探究力與電流的關(guān)系，將滑動變阻器的阻值調(diào)到最大，閉合開關(guān)，不斷調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值來改變電流的大小，采集數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)（見表3）.

第3組實驗：控制磁場強弱和電流大小不變，探究力與導線長度的關(guān)系，調(diào)節(jié)滑動變阻器保證導線中電流大小不變，移動U型磁鐵，改變處在磁場中導線的長度，采集數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)（見表4）.

第4組實驗：控制導線中電流大小和長度不變，在磁場的不同位置重復實驗，實驗數(shù)據(jù)見表5.其中，F(xiàn)1（N）為導線在磁場中位置1所受磁場力的大小，F(xiàn)2（N）為導線在磁場中位置2所受磁場力的大小.

將各小組實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，引導學生小組討論分析數(shù)據(jù).

分析表2實驗數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，當導線與磁場方向平行時，導線受到的磁場力為0;當線圈的擺角為90°時，線圈受到的磁場力最大.

讓學生分別觀察表3和表4，思考可以得到什么結(jié)論？在學生思考的基礎上，用Excel對表3和表4中的數(shù)據(jù)進行擬合（如圖4、圖5），可以得到結(jié)論：B、L一定，F(xiàn)∝I;B、I一定，F(xiàn)∝L.

結(jié)論：定量實驗表明，當通電導線和磁場垂直時，所受力的大小與導線的長度L成正比，又與導線中的電流I成正比，即F∝I×L.

師：我們研究影響磁場對通電導線作用力大小的因素，目的是為了研究磁場強弱，同學們仔細觀察表6中的數(shù)據(jù)，F(xiàn)/（ I×L）這個比值有什么物理意義？類比電場強度，能否用它們的比值描述磁場強弱？

我們發(fā)現(xiàn)在實驗誤差范圍內(nèi)，F(xiàn)/（ I×L）是一個定值，這個值是否就是我們尋找的可以描述磁場強弱的物理量？我們來進一步處理分析一下表5的數(shù)據(jù)，處理結(jié)果見表7.

通過分析數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在磁場的確定位置，F(xiàn)/（I×L）為一個確定的比值，不同位置該比值不同，該比值仍具有客觀性，仍能描述磁場的強弱.

設計意圖：以自主學習小組為單位，引導學生從定性感知到定量探究，培養(yǎng)學生科學思維和合作意識.

3.4 環(huán)節(jié)四：概念構(gòu)建和拓展，挖掘概念本質(zhì)特征

綜上所述，在磁場的同一位置，不同通電導線受力不同;在磁場的不同位置，同一通電導線受力也不同，但F/（ I×L）為常數(shù)，F(xiàn)/（ I×L）這個比值只與磁場本身有關(guān)，能描述磁場本身的強弱，與通電導線無關(guān).比值F/（ I×L）稱為磁感應強度，用“B”表示.進一步介紹比值定義法含義，引導學生回顧以前學過的加速度、功率、電容等概念建立的思路，從而讓學生認識比值定義法建立概念的重要性.

師：上述結(jié)論是在勻強磁場中得到的，在一般的（非勻強）磁場中，還能用F/（ I×L）描述它的性質(zhì)嗎？為什么？

啟發(fā)學生運用“無限分割、以勻代變”的極限思想進行分析推理，也可以描述磁場的強弱.建立檢驗電流元理想模型：很短一段通電導線中的電流I與導線長度L的乘積I×L.尺寸充分小，被檢驗的磁場不會因電流元的出現(xiàn)而有明顯的變化.

師：磁感應強度概念是電磁學知識網(wǎng)絡中一個重要的節(jié)點，對于相關(guān)知識的學習有著不可或缺的作用.其研究的思想方法與電場一脈相承，一些重要的物理學思想方法，例如物理量的“比值定義”、多因素的“變量控制”、以勻代變的“極限思想”等，在本節(jié)課中都有再次涉及.因此，讓我們再次回顧磁感應強度概念建立的過程思路，以及所用到的思想方法，體會電場強度與磁感應強度類比遷移的巧妙，深刻理解比值定義法建立概念的方法和內(nèi)涵.對比分析如圖7所示.

設計意圖：構(gòu)建磁感應強度的概念，并進行思維拓展，由特殊到一般，建立電流元理想模型;并通過類比電場強度概念的建立，幫助學生對“場”這類特殊物質(zhì)建立系統(tǒng)的認識，形成場的物質(zhì)觀、相互作用觀，落實發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng).

4 結(jié)束語

物理概念的科學構(gòu)建是中學生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的有效措施之一，教師不僅要幫助學生獲得物理概念的具體知識，同時更要注重培養(yǎng)學生對物理概念和規(guī)律形成由淺入深的理解.

本節(jié)課將教材中“磁場對通電導線的作用力——安培力”“磁感應強度”兩節(jié)內(nèi)容做了適當刪減和合并，意在完整呈現(xiàn)磁感應強度這一概念構(gòu)建的來龍去脈，深刻理解其內(nèi)涵.整節(jié)課瞄準學科核心素養(yǎng)，通過設計關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用科學策略，逐級完成概念的構(gòu)建.在該過程中，學生從感性認知出發(fā)，通過類比遷移舊知，合作定量探究，科學數(shù)據(jù)處理分析，思維進階拓展，最終構(gòu)建出磁感應強度的概念;完成了 “知識”和“素養(yǎng)”雙重教學目標的落實.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]徐衛(wèi)兵.注重“物理觀念建構(gòu)”教學培養(yǎng)學生物理學科素養(yǎng)[J].物理教師，2017，38（07）：5-8.

（收稿日期：2021-03-11）