黄　佳

(江苏省苏州第一中学,江苏　苏州　215006)



·教学研究·

彰显逻辑性的探究教学设计初探——以“磁感应强度”教学为例

黄佳

(江苏省苏州第一中学,江苏苏州215006)

本文分析了教材中构建磁感应强度概念所采用的思维方法和缺憾,给出了自己的教学设计,利用逻辑思维引导理论探究,重新设计定量实验进行探究,理论探究和实验探究互补,更好地促进学生对于磁感应强度概念的建构.

磁感应强度;逻辑思维;实验探究;比值定义法

磁感应强度是高中物理教学中的重要概念，根据知识的难易程度以及知识点之间的递进关系,高中物理教材中磁场内容的教学安排在电学之后,意在从电场强度的研究方法出发,通过类比给出磁感应强度的定义.但是,磁场对磁极和电流的作用力远比电场对电荷的作用力复杂,如何寻找描述磁场强弱和方向的物理量是教学中的难点.有鉴于此,我们立足物理教学过程中思维的逻辑性,利用科学严谨的实验方法,依托探究性的教学理念,对本节课的教学进行深入的研究,以期对这一课题的教学有所裨益.

1　现行教材的分析及缺憾

众所周知,“场”的概念是比较抽象的,需要思维的高度抽象与概括的加工才能把握,而本节内容的教学之所以长期成为教学关注的重点,主要原因就在于它内容的抽象性,研究问题时利用的物理知识与物理思想比较多,如果只通过教材上的实验或者教师的讲解,无法让学生理解磁感应强度的物理意义,教学效果难以令人满意.

笔者认为：现行的教材对磁感应强度的教学没有给予足够的重视,对磁感应强度概念的探究没有给予学生清晰的思维引导.对于为什么研究磁感应强度时要间接通过研究磁场力的原因也没有解释清楚,从而使学生在学习过程中缺乏对知识的整体把握.其次,教材中采用的实验是定性实验,无法说明为何磁感应强度是与电流大小和导线长度无关的物理量,学生会对此产生很大的疑虑.综上所述,教材中展现的物理思维和定性实验使学生在获得磁感应强度的概念时感到困惑与不解.

2　彰显逻辑性的探究型教学设计

基于以上认识,笔者对本节的教学内容展开了系统的思考.要解决本节教学的疑难与困境,需要对物理教学思维的逻辑性有深刻的理解,并且在此基础上进行实验的改进,继而从定量的角度来界定磁感应强度的概念,让学生在探究磁感应强度的概念中占据主体的地位,能够直观、具体地认识、理解磁感应强度这个抽象的物理量,揭开它的面纱.

2.1循序渐进,明确思维的逻辑性

现行教材中本章的第一节和第二节的设计,向我们展示了清晰的物理逻辑.由于磁场是一种客观存在的物质,让我们感受到了丰富多彩的磁现象,而众多的磁现象与力相关,揭示了磁场这种物质的力的特性,正因为如此,我们才要引入磁感应强度来描述磁场的这种性质,所以这就回答了教材中用测量磁场力来确定磁感应强度的原因.也正是由于思维过程的层层递进,让学生理解这样处理问题的必要性,能够给予学生明确、清晰的思维引领.这样,与静电场的研究思路相同,对磁场性质的研究仍然采用“试探、比较”的思路.

类比于电场中的试探元是点电荷,磁场中试探元的选择则需要我们思考探索.磁场对磁极和电流都有力的作用,可以设想试探元可以是磁极或者电流.教材中说由于无法测量磁极的受力大小,也就不能确定磁感应强度的大小,故而舍弃磁极这个试探元,笔者认为这种说法有所欠缺.1977法国科学院悬赏征求改良航海指南针的方法.库仑提出用丝线悬挂小磁针,并发现丝线扭转时的扭力和小磁针转过的角度成正比例的关系,从而利用扭秤装置算出了磁场力的大小.所以,真正不能把磁极作为试探元的原因在于无法把磁极量化,这样就不能得到磁感应强度的大小.最后,我们选取电流元作为试探元,并给出电流元的概念,引导学生的思维继续向前深入.

通过这样清晰的逻辑思维,向学生展示物理思维的魅力,让学生从中思考中受益,并且找到正确的研究方法和方向.

2.2变定性实验为定量实验,科学地进行探究

为了深刻认识磁感应强度的物理意义,笔者研究了教材中定性实验的优点与不足,重新设计了探究型实验,从定量角度揭示磁感应强度的本质，实验安排如下:

(1) 选取一小段电流元作为试探元放入蹄形磁铁的磁场中,发现它受到力的作用.实验装置如图1所示,探究磁场方向与电流方向的夹角对实验的影响.通过这个实验可以探究影响电流元在磁场中受力的因素包括磁场、电流元以及两者之间的夹角.还可以得到,当磁场方向和电流方向平行时,磁场力为0,而当磁场方向和电流方向垂直时,磁场力最大.从而解释了为何在磁场与电流垂直的情况下来定义磁感应强度的原因.

图1

图2

(2) 重新设计定量实验,让学生进行课堂探究性学习.实验装置如图2,实验原理如下:给螺线管通上电流I0(如图2乙)，螺线管中心轴附近产生平行于轴线的磁场.给导线CD通上电流I,由第一步中可知,我们只需研究导线CD所受到的力,并且磁场力的方向向下.然后调节天平的平衡(如图2甲),移动天平左端的游码,待天平平衡时记下游码的刻度就可以知道磁场力大小.学生在探究的过程中需要记下螺线管中的电流I0的大小、导线CD中电流的大小I、CD段导线的长度L以及游码的刻度，并且记录在表1中.

表1

(3) 处理实验数据,引导学生发现规律.CD段导线所处磁场的大小是由螺线管中电流的大小I0决定的.对表1中的测量结果进行深入分析、归纳,可得到如下结果.

① 进行纵向比较.我们发现,电流元在磁场中受到的力与电流元的电流大小、电流元的长度成正比例关系.

3　启示

物理教学不应该只是片面地强调学生对物理知识的理解和掌握,还应该关注学生学习的过程和认知的逻辑性,以及学生的探究精神和动手能力.本文从磁场的客观存在性到磁现象的客观存在性,再到磁现象力的特性,从而得到需要引出磁感应强度这个概念的必要性.整个思维过程脉络清晰,循序渐进地促进了学生的认知发展.

物理教学中还应该把理论探究和实验探究相结合,共同促进学生的认知发展.笔者在理论探究磁场力和哪些因素有关的基础上,重新设计了实验,让学生进行实验探究,直观形象地得到结论.两种探究的互补,让学生在掌握理论知识的基础上,上升到实验研究归纳的高度,这样的教学设计能使磁感应强度的教学达到水到渠成的境界.

[1]石尧.以科学方法的逻辑展开“磁感应强度”概念教学的高端备课[J].湖南中学物理,2013,(4).

[2]许成城.磁场教学需要注意的两个问题[J].中学物理教学参考,2013,(12).

[3]戎凯.卡文迪许和库仑,谁动用了谁的智慧[J].物理教学,2012,(7).