基于實驗探究—研討模式構建磁感應強度概念

楊海青 楊皓

摘 要： 本文以實驗探究-研討教學模式，根據(jù)磁感應強度的矢量性特點和學生的認知規(guī)律，設計了一個有序的系列性實驗，從方向到大小的探究，由定性到定量的研討，讓學生經(jīng)歷實驗探究活動，在研討交流中建構磁感應強度B的概念，培養(yǎng)其實驗探究能力和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：實驗探究；磁感應強度；DIS實驗；研討式教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）8-0078-3

磁感應強度是電磁學的基本概念，也是核心概念之一，它對于“磁場”及其后續(xù)知識的學習，都有著關鍵性的作用。教材通過與電場強度的類比，以比值定義的方法給出了磁感應強度的概念。事實上，學生在學習認知上還是存在很大的困難，對于尋找如何描述磁場強弱和方向的物理量依然存在很多困惑。

若能以實驗探究-研討教學模式，讓學生在探究、研討中學習磁感應強度的概念，經(jīng)歷實驗探究過程，能有效地建構磁感應強度的概念。更重要的是，有助于學生掌握物理實驗的基本技能，提高實驗探究能力，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，激發(fā)學生的創(chuàng)造力。所設計的實驗探究是實驗觀察，感性認知——小磁針的作用；老材新用，定性研討——探究影響磁場中通電導線受力的因素；DIS 實驗，定量探究——定量探究影響磁場中通電導線受力的因素。

1 實驗觀察，感性認知

【構建問題環(huán)境，提出實驗課題】

老師引導性設問（如圖1）：小磁針有什么作用呢？

提出實驗課題：研究小磁針的作用。

【課堂操作】

給每組學生發(fā)一根條形磁鐵和一盒小磁針，提醒學生觀察小磁針的指向特點（如圖2），讓學生體驗小磁針的作用，進而定義磁感應強度的方向。

【實驗結論】

小磁針靜止時N極所指的方向，定為該點的磁感應強度方向，簡稱為該點的磁場方向。

【設計意圖點評】

提出本節(jié)課的研究課題——“磁場描述的相關概念”，給學生在學習內(nèi)容上做心理定向。磁感應強度這個物理觀念具有抽象性的特點，本探究實驗能給學生的感性認識提供探究資源，培養(yǎng)觀察、思維能力。同時，營造本節(jié)課實驗探究的教學模式氛圍，也點燃學生在實驗中探究、研討、構建物理概念，形成物理觀念的熱情。

2 老材新用，定性研討

【構建問題環(huán)境，提出實驗課題】

老師引導性設問：磁場的方向研究清楚了，那么如何研究磁感應強度的大小呢？

提出實驗課題：影響通電導線受力有哪些因素呢？

【課堂操作】

采用研討式的教學模式，研討指向？圯分發(fā)器材？圯學生獨立探索？圯成果分享及學生研討？圯老師點評。

研討指向：（1）基于研討課題，猜想通電導線在磁場中受力可能與哪些因素有關？（2）多因素問題，請思考用什么實驗方法呢？（3）選擇什么實驗器材？如何改變變量電流和導線長度，觀察、探究、測量力的大?。?/p>

分發(fā)器材（如圖3）：干電池、電流表、滑動變阻器、安培力實驗儀、電鍵和導線。

學生獨立探索，老師扮演研討會主持人，引導學生分享符合自己的研究成果，具體操作：

老師：哪位同學愿意分享你的研究成果呢？

學生A：……

老師：其他同學有沒有補充？

學生B：……

老師：還有沒有同學愿意分享你的研究？

學生C：……

老師點評：謝謝幾位同學成果的展示與討論，你們真的很棒！第一位同學思路很清晰，操作很規(guī)范，表達很準確，他發(fā)現(xiàn)了力F隨電流I的增大而增大的規(guī)律。第二位同學視角獨特，觀察很仔細，研究很細膩，她發(fā)現(xiàn)了力F隨通電導線長度L的變短而減小的規(guī)律。第三位同學太了不得了，他有極強的實驗總結和歸納能力，得出了本實驗的實驗結論！他有很強的問題意識，已經(jīng)不滿足定性的研究，按捺不住內(nèi)心定量研究的沖動了，我真的欣賞你的研究能力！

【實驗結論】

（如圖4）在同一磁場中（電流方向與磁場方向垂直）當導線長度L一定時，電流I越大，受磁場力F越大；電流I一定時，導線長度L越長，受磁場力F越大。

【設計意圖點評】

用研討式教學模式，滲透控制變量法的物理實驗思想，讓學生在實驗活動中自主探究，合作研討。通過生生、師生間的言語交流，思維碰撞，學生經(jīng)歷實驗探究過程，充分體現(xiàn)了學生的主體地位，老師適時引導，發(fā)揮主導作用。這是物理學科新課程理念所倡導的。本實驗是安培力實驗裝置的創(chuàng)新使用。比教材提供的實驗方案更新奇，學生更感興趣；操作更簡單，便于學生實驗；實驗現(xiàn)象更明顯，教學效果更好。因此，從認知心理學的角度講，學生更容易建構磁感應強度的概念。

3 DIS實驗，定量探究

【構建問題環(huán)境，提出實驗課題】

老師引導性設問：實驗二只是定性研究，能不能設計一個實驗進一步定量研究呢？提出實驗課題——“定量探究磁感應強度”。

【課堂操作】

老師：請看這個實驗裝置（如圖5），你能發(fā)現(xiàn)它的特別之處嗎？

老師介紹：力傳感器測量力，電流傳感器測量電流，數(shù)據(jù)采集器將實驗數(shù)據(jù)輸入表格，對表格數(shù)據(jù)進行作圖處理，進行定量化研究。

老師實驗操作演示：閉合開關，采集數(shù)據(jù)，移動滑動變阻器，改變電流I，繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，斷開開關，采集數(shù)據(jù)結束，作圖，線性擬合。大家請看，右手示意學生看多媒體（如圖6）：力F與I成正比。接換不同的接線柱，改變通電導線的長度，研究力F與通電導線L的定量關系，實驗證明也成正比。將線圈放在磁場不同的位置，多次重復測量，結論相同。F與IL成正比，實驗結果如圖6。

基于實驗結果老師追問，學生研討：

（研討1） 在F、IL、B 三者中，你認為哪個物理量可用來描述磁場的性質(zhì)？為什么？（在學生思考的基礎上，通過實驗數(shù)據(jù)分析得出：在同一磁場中F/IL是個定值——比值反映規(guī)律性。）

（研討2） 在一般的（非勻強）磁場中，還能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎？為什么？ （ 分析實驗數(shù)據(jù)可見：在不同（勻強）磁場中，F(xiàn)/IL為另一個確定的比值，且比值大小與磁場的強弱相關——比值具有客觀性。）

（研討3）在一般的（非勻強）磁場中，還能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎？為什么？（啟發(fā)學生用“無限分割、以勻代變”的極限思想進行推理分析。通過具體實驗再加上合理的外推，得出的規(guī)律F/IL依然能描述它的性質(zhì)，應該是具有普遍意義的。）

【實驗結論】

磁場中通電導線受力F與電流I和長度L的乘積IL成正比。問題引導，構建磁感應強度的概念。

【設計意圖點評】

由于一根導線受力很微小，筆者用一個線圈，受力效果疊加，實現(xiàn)微小量放大；線圈采用多匝抽頭的辦法，改變通電導線的長度。

多個磁鐵組合，增強了磁性，放大微小力；磁間距可調(diào)，磁感應強度人為可控性好。

DIS數(shù)字信息系統(tǒng)，使探究定量化；數(shù)據(jù)收集處理信息化、快捷化；物理規(guī)律顯性化，直觀化。

微小量放大的物理思想的滲透，自制教具、DIS數(shù)字信息系統(tǒng)等多媒體技術的整合，問題引探、學習進階理論的指導，實驗探究、問題研討的教學模式等都是為了優(yōu)化實驗教學效果，助力學生構建磁感應強度這一核心的物理概念，培養(yǎng)學生的問題意識、證據(jù)意識、時代意識和創(chuàng)新精神。

4 教學反思

利用小磁針、安培力實驗裝置，自制實驗裝置與DIS數(shù)字信息系統(tǒng)整合等，通過一系列實驗探究，讓學生參與實驗觀察、提出問題、制定計劃與設計實驗、動手實驗、收集數(shù)據(jù)等實驗活動，在探究活動中構建磁感應強度的概念，更重要的是培養(yǎng)學生的實驗基本技能和實驗探究能力。通過教學手段、實驗器材及多媒體技術的多元整合，教學模式、探究實驗的多重創(chuàng)新，物理思想、創(chuàng)新思維的多角度滲透，目的就是充分發(fā)揮老師的智慧，培養(yǎng)學生的物理觀念，實現(xiàn)物理課堂教學由培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)向培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)轉變。

參考文獻：

[1]廖伯琴，張大昌.普通高中物理課程標準（實驗）解讀[M].武漢：湖北教育出版社，2004：27—50.

[2]潘韻雅.安培力的大小與哪些因素有關的實驗改進[J].中學物理教學參考，2016，42（6）：65—66.

[3]李佑春.在中學物理課堂中運用現(xiàn)代教學媒體的探討[J].物理教學探討，2015，33（12）：37—38.

[4]郭衛(wèi)強.以生成問題為主線，提升探究教學有效性——“磁場對通電導線的作用力”教學設計[J].物理教學探討，2015，33（8）：22—24.

[5]蔡冬陽.基于實驗的物理問題式教學[J].物理教學探討，2016，34（3）：5—7.