分析教材，深度學習

摘 要：分析教材，并在分析的基礎(chǔ)上對教材進行二次開發(fā)是實現(xiàn)有效教學的重要抓手，通過教材分析我們可以厘清教學的重點、難點，形成清晰的教學脈絡(luò)，有助于優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，促進學生對知識、方法、能力的深層次挖掘。

關(guān)鍵詞：教材分析；設(shè)計；探究；任務

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）5-0024-4

“教材分析”對于我們教師而言聽起來很耳熟，但是卻很難做好。教材是核心課程資源，承載著課程標準，是我們實施課堂教學的重要依據(jù)。除了分析本節(jié)課的教材結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，教材資源與時代、生活的聯(lián)系外，還要關(guān)注本節(jié)課之前教材中與本節(jié)知識學習相關(guān)的內(nèi)容。本文以人教版選修3-1《運動電荷在磁場中受到的力》一節(jié)內(nèi)容的教學為例談教材分析與設(shè)計。

1 分析本節(jié)課教材的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容

課堂教學的知識、方法均外顯或內(nèi)隱于本節(jié)課的教材之中，分析本節(jié)課教材的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容才能厘清教學的重點和難點。

例如，人教版選修3-1第三章第5節(jié)《運動電荷在磁場中受到的力》本節(jié)正文內(nèi)容有：2個黑體字標題，分別為“洛倫茲力的方向和大小”“電視顯像管的工作原理”；3個思考與討論；7幅圖（洛倫茲人物像未標號）；1個“小貼士”（提示電荷產(chǎn)生電場與磁場及在場中受力的差異，旨在從“場”中力的性質(zhì)角度指引學生更深刻地認識B）。問題與練習部分由5個習題構(gòu)成，其中3、4、5都與技術(shù)相聯(lián)系，分別為速度選擇器、磁流體發(fā)電、電視機顯像管。

通過對本節(jié)課教材內(nèi)容的分析，教學重點、難點自然呈現(xiàn)。

教學重點：學生自主探究“洛倫茲力的方向和大小”，運用“洛倫茲力”解釋實際問題。

教學難點：如何直觀地感受到洛倫茲力。

2 聯(lián)系生活和教材前文二次開發(fā)教材

人教版新教材是2004年通過初審并投入使用的，時代在發(fā)展，技術(shù)在進步，教材的教學資源出現(xiàn)一些與生活、時代脫節(jié)的現(xiàn)象也很正常。分析本節(jié)教材內(nèi)容與生活的聯(lián)系、與前面教材的聯(lián)系，其實質(zhì)就是分析學情的過程，以此為基礎(chǔ)進行教材的二次開發(fā)有利于凸顯課堂主旨。

例如，當前生活中的電視機已經(jīng)“改薄”，有些學生回家也許難尋“顯像管”，而教材中對電視機顯像管的工作原理“濃墨重彩”，不僅正文中首尾呼應，在問題與練習中還“要求學生分析故障”，這顯然與生產(chǎn)、生活脫節(jié)。筆者認為在教學中應該淡化，作為知識和方法應用的情境，可以將“問題與練習”中的第3題“速度選擇器”或第4題“磁流體發(fā)電”前移。

在教學重點、難點“洛倫茲力的方向和大小”的突破上，教材中用兩句話：“運動電荷在磁場中受到的力稱為洛倫茲力?！薄巴妼Ь€在磁場中受到的安培力，實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)?！鼻耙痪湓捊柚谘菔緦嶒灐坝^察陰極射線（電子束）在磁場中的偏轉(zhuǎn)”讓學生直觀地感受到運動電荷在磁場中受力偏轉(zhuǎn)，不過后一句話教材中卻沒有做實驗，它的出現(xiàn)應作為一個假設(shè)，而不能作為結(jié)論，因為只有確定了“安培力與洛倫茲力同質(zhì)”，才也可以用左手定則來判斷其方向。教材中在這個問題上沒有直觀呈現(xiàn)，而僅僅在第95頁最下面用另一句話“實驗事實證明以上推斷是正確的”。這個難點有沒有辦法突破呢？如果教學一直關(guān)注教材，不難發(fā)現(xiàn)就在前面一節(jié)93頁有一個“做一做”如圖1所示（旋轉(zhuǎn)的液體），這恰好可以作為直觀呈現(xiàn)洛倫茲力的實驗資源。

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圖1 旋轉(zhuǎn)的液體

3 形成課堂脈絡(luò)

通過對教材細致的分析，課堂脈絡(luò)（即大的教學框架）就形成了，即整堂課大致分為幾個部分，各個部分教師和學生的行為如何，其實質(zhì)就是分析各部分內(nèi)容教法的過程。

例如，通過上述分析，筆者得到《運動電荷在磁場中受到的力》這節(jié)課的脈絡(luò)如表1所示。

表1 教學框架

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4 創(chuàng)新設(shè)計優(yōu)化教學細節(jié)

通過教材分析和二次開發(fā)理順了課堂脈絡(luò)后，接下來應該思考每一個教學任務如何呈現(xiàn)給學生，預計學生在學習過程中會遇到怎樣的困難，實現(xiàn)對教學細節(jié)的優(yōu)化設(shè)計，確保學生在探究和討論過程中學到知識、提升能力、升華情感。下面提供表1中的1、2、3這3個教學環(huán)節(jié)的設(shè)計。

4.1 發(fā)現(xiàn)“洛倫茲力”環(huán)節(jié)的設(shè)計

問題1：不計重力的電子束在真空中做什么運動？（勻速直線運動）

問題2：那么，要想讓電子束偏離原來的運動軌跡，做曲線運動，你有哪些方法？

學生在學習洛倫茲力前學習了“電場力”“安培力”，也熟悉偏轉(zhuǎn)電場能夠使運動電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個問題的提出學生很容易從“加電場可以……”猜想“加磁場行不行？”此時，如果猜想加磁場可以使電子束偏轉(zhuǎn)，勢必帶來驗證猜想的需要，生成演示實驗的需要。

接著，提供如圖2所示的陰極射線管，并介紹電子束的運動方向，然后用條形磁鐵進行演示實驗。

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圖2 陰極射線管

實驗1：用條形磁鐵的N極（或S極）前后方向靠近陰極射線，發(fā)現(xiàn)陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。（磁場對運動電荷有力的作用）

實驗2：換一個磁極從實驗1的同一方向靠近陰極射線，發(fā)現(xiàn)陰極射線偏轉(zhuǎn)方向相反。（磁場的方向?qū)\動電荷受力的方向有影響）

實驗3：任意改變磁極的方向，引導學生觀察陰極射線偏轉(zhuǎn)情況的變化。（進一步感受磁場的方向?qū)\動電荷受力的影響）

由上述3個演示實驗，很自然地發(fā)現(xiàn)磁場對運動電荷有力的作用，拋出“洛倫茲力”的概念。值得注意的是，該環(huán)節(jié)的主要目的在于通過提供感性素材證明“洛倫茲力”的存在，對于“磁極正對陰極射線與電子束幾乎在同一直線上時，發(fā)現(xiàn)電子束幾乎不改變方向”這個不利于概念導入的演示實驗先不要做，如果要演示可以在“左手定則”和洛倫茲力大小公式得到后，作為特殊值進行實驗驗證。

4.2 小組合作探究“影響洛倫茲力的方向的因素”的設(shè)計

探究“影響洛倫茲力的方向的因素”是本節(jié)的重點。從教材中第93頁圖1所示的實驗裝置出發(fā)，筆者自制分組探究學具，學生自主嘗試并用三色棒記錄磁場的方向、電荷運動的方向、運動電荷的受力方向。

4.2.1 學具準備

筆者在實驗裝置的制備上，先后做了兩次嘗試，制作裝置如圖3中的裝置1、2，配置硫酸銅飽和溶液，用銅絲做電極，電源用學生電源24 V檔。相比而言，裝置1有缺陷：改變連接電極的正、負接線柱后，溶液反向旋轉(zhuǎn)非常微弱，為什么呢？其實，這個化學實驗中除了氯化鈉的電解反應外，外殼的鋁也參加了反應，當轉(zhuǎn)換了極性后，反應形式被改變，離子數(shù)減少，所以旋轉(zhuǎn)就不明顯了。而裝置2用的器皿是塑料的，銅做電極，溶液是硫酸銅溶液，就沒有這個問題。

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裝置1 裝置2

圖3 實驗裝置

除了裝置2以外，每組還配有演示用的蹄形磁鐵，3根不同顏色細棒。

4.2.2 學生猜想

在實驗前，就“影響洛倫茲力的方向的因素有哪些？”讓學生進行猜想，前面的3個演示實驗給學生提供了猜想依據(jù)，能夠猜到以下幾種因素：磁場的方向；電荷的正負電性；電荷的定向移動方向。

4.2.3 提供表格，自主實驗記錄

根據(jù)學生的猜想給學生提供如表2所示的實驗記錄表格，引導學生自主實驗探究，完成表格，為討論和交流提供依據(jù)。

4.2.4 結(jié)論交流

結(jié)論1：洛倫茲力f的方向與v、B的方向有關(guān)；

結(jié)論2：洛倫茲力的方向——仍用左手定則判斷。

有了上面兩個結(jié)論，“洛倫茲力與安培力同質(zhì)”的總結(jié)呼之欲出。為了深化認識，可以提供圖4的情境（這是第三章第一節(jié)教材的插圖），要求學生嘗試著用磁場對運動電荷的作用力來解釋通電導線擺動的原因。

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圖4 教材插圖

自主探究后得到結(jié)論3：洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)；安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。

同時生成問題：洛倫茲力的大小多少？如何計算呢？自然過渡到課堂的下一個環(huán)節(jié)。

4.3 問題化理論推導“洛倫茲力的大小”

既然，上面的探究得到了“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”，筆者將理論探究隱藏在一個具體的問題中。

例1 設(shè)有一段長為L，橫截面積為S的直導線，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q，自由電荷定向移動的速率為v。（已知電流大小I與上述的幾個物理量之間滿足關(guān)系： I=nqvS ），現(xiàn)將這段通電導線垂直磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中，試推導一個自由電荷受到的洛倫茲力為多大？

安培力：F=BIL（1）

自由電荷總數(shù)：N=nLS（2）

I=nqvS（3）

洛倫茲力：f=■（4）

聯(lián)立解得f=qvB。

再設(shè)置具體的問題情境，引導學生思考更一般的情況。

例2 已知勻強磁場，磁感應強度大小為B，運動電荷帶電量為q，速度大小為v。①正電荷運動方向與磁場方向同向（如圖5所示），②正電荷運動與磁場方向有一夾角θ（如圖6），求這兩種情況下運動電荷受到的洛倫茲力。

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圖5 例2題圖

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圖6 例2題圖

通過例2，讓學生通過對圖6中運動電荷的速度的分解，自主推導到洛倫茲力的一般計算式f=qvBsinθ。同時與例1聯(lián)系到一塊，可以看到帶電粒子運動方向與磁場同一直線或垂直是兩個特例，洛倫茲力大小有一個范圍：0≤f≤qvB。

對于教學任務4和教學任務5是學生應用所學知識交流和討論的過程，教師要積極巡視和傾聽，借助這個環(huán)節(jié)反饋學生的學情，通過客觀的評價激發(fā)學生的成就動機，提升物理學習情感。

參考文獻：

[1]劉桂枝.基于“5E”模式的高中物理探究型教學內(nèi)涵及實踐[J].中學物理教學參考，2013，（10）：2.

[2]趙硯田，王振忱.洛倫茲力是怎樣表現(xiàn)為安培力的[J].物理教學探討，2008，（10）：20.

（欄目編輯 劉 榮）