以科學方法引領高中物理教學情境設計*
——以“通電導線在磁場中受到的力”為例

周亮

(慈溪市慈吉中學 浙江 寧波 315300)

郭拯

(慈溪市教研室 浙江 寧波 315300)

“創(chuàng)設問題情境，讓學生在情境中學習”是新課程倡導的一個重要理念．問題是科學探究的動力和起點．而物理問題情境是具有物理知識和物理思想方法的情境，是發(fā)現(xiàn)和提出物理問題的重要前提．在物理教學中要善于把內(nèi)容轉(zhuǎn)化為問題情境，把學生置于運用舊識和方法去研究未知問題的氣氛之中，讓學生在提出問題、思考問題、解決問題的動態(tài)過程中學會學習．

教學過程不能脫離學生的身心發(fā)展規(guī)律而進行，同時也不可能脫離教師的教學過程設計而無序展開．教無定法，但無論何種教學方法都會依托于教學設計，如果說新課程教學的精髓在于探究教學，那么探究教學的精髓在于探究設計，而探究設計的精髓重在問題情境的構建和課堂教學問題的設計邏輯．

筆者以市優(yōu)質(zhì)課“通電導線在磁場中受到的力”教學設計為例，試圖從科學方法引領教學設計的角度來闡述物理課堂教學中的問題情境設計的邏輯基礎，尋找符合科學方法的問題情境的設計方向，用科學方法為問題情境的設計提供一些前瞻性的指導作用．

1 觀察法設計新課引入情境

觀察法是指研究者根據(jù)一定的研究目的、研究提綱或觀察表，用自己的感官和輔助工具去直接觀察被研究對象，從而獲得資料的一種方法．科學的觀察具有目的性和計劃性、系統(tǒng)性和可重復性．新課的引入總以激發(fā)學生的興趣為目的，在課題引入的設計中一般可以選擇觀察法來設計引入的問題情境，并根據(jù)觀察法的要求來設置觀看目的或者注意要點，而不是純粹的觀看．

圖1 “電磁炮”視頻圖

筆者選擇視聽覺的觀察，播放視頻“電磁炮”(圖1)，美國成功研制成功電磁軌道炮，炮彈以5倍音速前進，以巨大的動能帶來無需彈藥的超級破壞力．結合影片《變形金剛2》中透露了美國電磁炮的巨大威懾片段．并按照觀察法的要求設置觀察目的：電磁炮的速度和動力來源．

利用視頻進行聽覺、視覺的觀察后，筆者 “廢物”利用自制了電磁軌道炮模型(圖2)，學生分小組進行進一步的觀察：觀察儀器的組成，并按要求連線，閉合開關，觀察“子彈”的狀態(tài)變化，然后概括分析其狀態(tài)變化的原因——力，引出安培的貢獻和安培力的定義．

圖2 電磁軌道炮模型

2 結合觀察法控制變量法模型法實驗歸納法來設計實驗探究過程

本節(jié)內(nèi)容的重點是安培力的方向與磁場方向、電流方向的定性關系．如何讓學生有效地得到知識，按杜威的做中學理論，必須放開手腳讓學生在自我體驗過程中自我比較歸納分析總結得到知識．在教學過程中教師往往采用的就是探究教學的模式．如何進行有效的探究，恰恰是探究的難點所在，而根據(jù)一定的科學方法可以避免一些無序的、無效的探究．

2.1 觀察與記錄是結果形成的基礎必須強調(diào)探究中的觀察法要求

在設計實驗探究的環(huán)節(jié)中，首先要讓學生明確實驗探究的觀察對象和觀察目的．否則學生的實驗操作就是一團亂水．結合“力的三要素”和第2節(jié)的內(nèi)容“通電導線在磁場中受到的力的大小F=ILB”確定我們觀察的對象，即力的方向、電流方向、磁場方向．觀察是一個有計劃的行為，所以要制定一定的觀察綱要(比如表格)來記錄，而觀察的目的是記錄探究過程中對象的行為或變化，所以必須按照一定的觀察綱要采用一定的觀察記錄方法如筆記、作圖、擺放模型等．筆者在教學中首先設計了觀察記錄表格，同時根據(jù)最后結果(空間立體)而預采用了模型記錄法(如圖3)．

圖3 用模型法記錄的結果

2.2 用控制變量進行具體的實驗探究過程

控制變量法是科學探究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究之中．物理學中對于多因素(多變量)的問題，常常采用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題．每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決．控制變量法的關鍵是控制單獨變量，所以在設計實驗探究的過程中，筆者就分別控制單獨變量B，I的方向，而力F其實是一個非單獨變量，在這里恰恰是我們研究結果．因為主要研究的不只是大小，還涉及B，I的方向，所以導線長度L與B的夾角也是固定量．在學生小組探究的過程中進行必要的規(guī)定和指導．

2.3 實驗記錄方法

實驗的操作是記錄的前提，而記錄是探究的結果，也是后期數(shù)據(jù)分析的基礎．所以得到一系列客觀的數(shù)據(jù)記錄，同時還需考慮后期分析的便利．實驗記錄的方法一般采用數(shù)據(jù)記錄、表格記錄、影像記錄，而在本實驗探究中，由于其最后的關系是三者立體關系，相對于常用的文字數(shù)據(jù)表格記錄，采用模型擺放記錄對學生的結果形成和分析判斷顯然會有更大的作用．所以筆者在具體設計過程中統(tǒng)一規(guī)定用紅色箭頭的竹簽代表磁場方向，綠色箭頭代表電流方向，黃色箭頭代表力的方向，根據(jù)實驗現(xiàn)象記錄三者的方向，并用帶箭頭竹簽插放在立方體泡沫的某一面上，最終讓學生得到一個立體空間的三者關系模型(圖4)．通過控制變量，分別改變電流或者改變磁場方向，做4組不同的實驗，得到4個模型．

圖4 磁場、電流、力的關系模型

2.4 實驗結果的比較分析法運用

對實驗結果的分析是實驗探究的最終目的，也是實驗歸納法的最終結論，對實驗數(shù)據(jù)或者結果進行有效分析決定了規(guī)律的有效獲得．實驗數(shù)據(jù)的分析方法一般采用列表法、描跡法、圖形圖像法、統(tǒng)計法、比較分析法、歸納法．本實驗得到的結果是4種不同情況下F，I和B的三者關系，筆者在設計的時候采用比較分析法和歸納法，在觀察、分析的基礎上同中求異或者異中尋同來發(fā)現(xiàn)規(guī)律．實驗所得4種模型，初看是4種不同的情況得到4種不同的擺放結果，給學生充分的時間進行觀察、判斷、思考、比較，異中尋同尋找相同的規(guī)律．最后用討論法引導學生進行小組討論和組間交流，補充歸納得到安培力和電流方向、磁場方向的一個立體空間關系．

利用科學方法引領設計整個探究過程，通過這樣的一個實驗探究、觀察記錄、結果對比分析、比較歸納的過程，學生對三者方向之間的立體空間關系有了一定的感性認識，對知識的獲得起到了很大的前景鋪墊作用，讓學生在自身的體驗、交流中獲取了知識規(guī)律．

2.5 頭腦風暴法固化所得

利用頭腦風暴法、聯(lián)想法和等效法固化所得的實驗規(guī)律，比較修正后得到左手定則．引導學生思考掌握并運用這樣的規(guī)律呢？學生思考討論后紛紛提出利用墻角、右手(圖5)、左手等10余種與模型相似的方法．充分發(fā)揮學生的想象力并采用“某某記憶法”來命名，以此鼓勵表揚，激發(fā)學生的欲望．經(jīng)過這樣一陣思考風暴后，最終水到渠成過渡提出一個經(jīng)歷了時間考驗的正確方便的判斷方法——左手定則．

圖5 右手模擬“左手定則”

3 利用模型法觀察法和演繹法設計構建知識運用的問題情境

在設計知識運用的問題選擇中，應明確考察的目的是什么，除了運用知識這一簡單目的之外還應涉及哪些科學方法培養(yǎng)哪些科學能力，或者運用怎樣的科學方法便于學生理解和運用知識來解決實際問題．

(1)設計科學探究的過程和模型法來分析解決問題，在設計中改變書本第92頁演示實驗(如圖6)的方式[1]，以猜測實驗現(xiàn)象—驗證實驗—理論分析這樣的一個一般的科學探究過程來展開．先讓學生猜測通以同向電流會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？如果通以反向電流會發(fā)生什么現(xiàn)象，為什么？通過實驗現(xiàn)象來驗證學生的猜測，請學生說明他猜測的理由，即“為什么”．

圖6 課本演示實驗

圖7 自制模型

在學生分析電流和電流相互作用的過程中，利用自制的模型(圖7)來加深學生對電流周圍的磁場空間及左手定則的運用能力的空間分析能力．

(2)運用觀察法設計魔術表演方式，把學生從緊張的學習壓力中釋放出來，不是純粹的學習練習，而讓學生在享受樂趣的過程中自發(fā)地去應用所學知識，培養(yǎng)終身學習的能力．魔術表演“自制器材——旋轉(zhuǎn)的液體[2]”(圖8)．先把磁鐵掩藏，通電后看到液體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，讓學生用揭秘魔術的好奇心來運用知識．通過問題一“液體為什么發(fā)生旋轉(zhuǎn)”和問題二“液體旋轉(zhuǎn)的方向是否可以改變增加魔術的表演樣式”來總結前面所學的內(nèi)容，通過問題三“能否改變液體旋轉(zhuǎn)的快慢，來讓魔術更具視覺沖擊力”來引出安培力的大?。?/p>

圖8 旋轉(zhuǎn)的液體

4 知識遷移邏輯推理實驗探究設計學生自我學習和研究過程

學生在學習第2節(jié)“磁感應強度”時已基本掌握安培力的大小因素及兩個特殊情況，本節(jié)內(nèi)容側(cè)重點為當磁場和通電導線有某個角度的時候(圖9)，安培力的大小該如何確定．筆者用類比法啟發(fā)引導學生從功的學習過程類比學習，找到分解磁場這一矢量的方法，讓學生進行一次自我知識的推演過程，得出F=ILBsina這一結論．

圖9

跳出“題目+題目”的作業(yè)布置模式，模擬科學探究的過程，筆者設計為小課題研究．

(1)關于電磁炮在軍事及生活中應用的可行性研究．設計上前呼后應，同時又培養(yǎng)學生的資料收集和分析能力．

(2)制作一個電控“會跳的彈簧”[2]，如圖10所示，源于教材練習，但實驗制作并非想象中的簡單，目的就是讓學生去實際操作，分析失敗的原因，進行創(chuàng)新改進制作，達到學以致用．

圖10 會跳的彈簧

布魯納認為“學習者在一定的問題情境中，經(jīng)歷對學習材料的親身體驗和發(fā)展過程，才是學習者最有價值的東西．”新一輪課改必然要求我們有全新的課堂，課堂正如產(chǎn)品，一個好的設計才會有一個好的產(chǎn)品，一個好的產(chǎn)品才能讓學生在愉快的探究思考中學習，在不斷地動手參與、不斷地發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程中得到思維的鍛煉和科學知識的習得科學方法的培養(yǎng)，最終形成終身學習的能力．

課堂設計的創(chuàng)新發(fā)展是教學創(chuàng)新發(fā)展的前提，課堂設計的依據(jù)、原則、方法有很多，當我們在混沌的規(guī)則中摸索的時候，科學方法的引領恰如一盞明燈，指引我們站在高處來思考、設計和構建教學過程，為問題情境的設計和教學情境的構建找到一個入口．

參考文獻

1 普通高中課程標準實驗教科書物理·選修3-1.北京：人民教育出版社，2011.92

2 周亮.洛倫茲力宏觀演示儀的制作.中學物理,2011(3)：25～26

3 普通高中課程標準實驗教科書物理·選修3-1.北京：人民教育出版社，2011.94