構(gòu)建邏輯主線彰顯概念本質(zhì)

臧富華 趙曉蕊 邢紅軍

摘 要： 高中物理的磁場教學(xué)是對初中物理磁場教學(xué)的進(jìn)一步深化，應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出繼承基礎(chǔ)上的螺旋式上升.基于目前高中物理教材編寫并未體現(xiàn)這一思想，為此對高中物理磁場的教學(xué)進(jìn)行了重新設(shè)計，以期對高中物理電與磁部分的教學(xué)有所裨益.

關(guān)鍵詞： 磁場;邏輯主線;概念本質(zhì);高端備課

文章編號： 1008-4134（2019）23-0009 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 傳統(tǒng)教學(xué)的困局

磁場作為一個比較抽象的物理概念，在初、高中學(xué)段均有涉及.人教版初中物理教材[1]磁場部分的內(nèi)容主要包括磁現(xiàn)象、磁場的定義、磁感線分布的特點、地磁場、電流磁效應(yīng)、通電螺線管的磁場和右手螺旋定則.人教版高中物理教材磁場部分的內(nèi)容主要包括磁現(xiàn)象、電流的磁效應(yīng)、磁感線、三種常見的磁場、安培分子電流假說.對比初高中教材內(nèi)容并結(jié)合當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，目前高中磁場教學(xué)還存在以下問題：

1.1 教材大量重復(fù)初中內(nèi)容，邏輯主線不甚明了

研究發(fā)現(xiàn)，高中教材中有很大一部分內(nèi)容與初中教材有重合，且在講解電流產(chǎn)生的磁場部分時，把單根通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流和通電螺線管的磁場看成是三種常見的磁場，但并未說明它們之間的聯(lián)系，缺乏一條清晰的邏輯主線.筆者認(rèn)為，初中學(xué)段學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁場的部分內(nèi)容，故高中階段磁場教學(xué)的一個重要任務(wù)就是要厘清哪些是初中講過的？哪些是沒有講過的？兩者的區(qū)別在哪里？此外，還要進(jìn)行初高中教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)領(lǐng)和整合，使學(xué)生經(jīng)過高中階段的學(xué)習(xí)之后，能建立一個貫通、完整的磁場概念.

1.2 混淆磁性起源的兩種理論，造成磁場教學(xué)的邏輯偏誤

人教版高中物理教材中提到了磁性起源的一種理論-分子電流假說，這是解釋通電直導(dǎo)線周圍存在磁場的一種理論假說.值得注意的是，物理學(xué)發(fā)展史上還存在另外一種磁性起源的假說-磁荷理論，這一理論主要用來解釋永磁體的磁性起源.關(guān)于磁荷理論，教材中并未提及，這不僅有礙學(xué)生全面認(rèn)識磁場，也會影響后續(xù)楞次定律的學(xué)習(xí).筆者認(rèn)為，交代磁性起源的兩種理論，是高中物理磁場教學(xué)中非常關(guān)鍵的一環(huán).因為，唯有真正從本質(zhì)上理解磁性的起源，才能使學(xué)生真正理解磁場概念，更好地學(xué)習(xí)后續(xù)與磁場有關(guān)的內(nèi)容.

2 彰顯邏輯的高端備課

基于對上述問題的深入思考，我們設(shè)計磁場的高端備課如下：

2.1 重溫磁現(xiàn)象 實現(xiàn)磁場概念進(jìn)階

通過初中學(xué)習(xí)，學(xué)生頭腦中已經(jīng)初步建立了磁場概念：磁體周圍存在的一種看不見、摸不著、能使磁針偏轉(zhuǎn)的物質(zhì)，永磁體和通電直導(dǎo)線周圍均存在著磁場，可以用磁力線或磁感線來形象地描述磁場，磁體外部磁力線是由N極指向S極的曲線.高中磁場的學(xué)習(xí)要在初中的基礎(chǔ)上進(jìn)一步理解磁場的概念，構(gòu)建更全面的磁場概念.因此，可以采用向?qū)W生展示指南針指示方向、奧斯特電流的磁效應(yīng)實驗、磁體對通電導(dǎo)線磁場的作用實驗以及平行通電直導(dǎo)線之間存在相互作用力四個實驗引入本節(jié)課.表1所示實驗，既有永磁體與永磁體磁場之間、通電導(dǎo)體與通電導(dǎo)體磁場之間的相互作用，又有永磁體與通電導(dǎo)體之間磁場的相互作用.通過觀察，學(xué)生能直觀感受電流周圍同樣存在磁場的事實，并且能通過本組磁現(xiàn)象的實驗，類比電荷之間的相互作用，得出磁體與磁體之間、磁體與通電導(dǎo)體之間，以及通電導(dǎo)體與通電導(dǎo)體之間的相互作用是通過磁場發(fā)生的結(jié)論，進(jìn)而實現(xiàn)磁場概念理解的進(jìn)階.

2.2 尋找規(guī)律 厘清磁場之間的邏輯關(guān)系

初中階段，學(xué)生已經(jīng)知道了通電螺線管周圍的磁場分布與條形磁體的磁場一樣，并且學(xué)會了用右手螺旋定則判定通電螺線管的極性，但并未將直導(dǎo)線、環(huán)形導(dǎo)線、螺線管三者的磁場建立起明確的聯(lián)系.為此，我們將三種磁場的關(guān)系梳理如下.由表2可見，通電環(huán)形導(dǎo)線其實就是將單根直導(dǎo)線做了一下彎曲，通電螺線管則可以看成是多個通電環(huán)形導(dǎo)線的疊加.根據(jù)這樣的邏輯，學(xué)生就能很好地理解三種磁場的磁感線分布規(guī)律了.值得注意的是，這里出現(xiàn)了安培定則的兩種握法，教師要向?qū)W生澄清的是，教材所示判定單根通電直導(dǎo)線的安培定則同樣也適用于通電環(huán)形電流和通電螺線管，但出于直觀方便的需要，我們常采用教材上所示的另一種握法來判定通電環(huán)形導(dǎo)線和通電螺線管的磁場方向，以防學(xué)生困惑.

2.3 彰顯本質(zhì) 澄清磁性起源的兩種理論

在初中階段學(xué)習(xí)右手螺旋定則時，學(xué)生已經(jīng)知道通電螺線管是可以看作條形磁鐵來處理的，到了高中階段，教師常常利用結(jié)合磁極、磁感應(yīng)線等概念對磁現(xiàn)象進(jìn)行講解.然而，認(rèn)真追究起來，永磁體與通電螺線管外部磁場分布是一致的，但內(nèi)部磁場分布卻是不同的[2].究其原因，還是教師對磁場本質(zhì)的理解不到位，筆者認(rèn)為，在磁場一節(jié)的教學(xué)中必須要澄清磁性起源兩種理論的基本概念和適用條件.

2.3.1 “磁荷”理論

永磁體之間存在相互作用，與兩種電荷之間的相互作用相似，于是，人們就將電荷的相關(guān)概念引入磁現(xiàn)象的研究之中.認(rèn)為在磁的研究中同樣存在兩種磁荷，分布于磁棒的兩極，N極帶正磁荷，S極帶負(fù)磁荷，當(dāng)磁極的幾何線度遠(yuǎn)比它們之間的距離小時，稱磁極上的磁荷為點磁荷[2].“磁荷”觀點認(rèn)為磁荷也可以激發(fā)磁場，描述磁場的基本物理量定義為磁場強(qiáng)度H.由于電和磁的相似性，于是定義磁場中某一點的磁場強(qiáng)度H的大小等于單位正磁荷在該處所受的磁場力F的大小，方向與該處正磁荷受力方向一致[3].磁荷和電荷激發(fā)的場具有相似性，故磁場也應(yīng)該為有源場.磁荷與磁荷之間將按照磁庫侖定律發(fā)生相互作用，就會有同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的規(guī)律，從這就可以看出，只有在“磁性起源于磁荷”的觀點中才能提及磁極的概念.同時，磁荷觀點中采用磁場強(qiáng)度H描述磁場的強(qiáng)弱，用磁力線（H線）形象描述磁場強(qiáng)度的分布，由于磁場為有源場，所以磁力線（H線）不閉合，它起于正磁荷止于負(fù)磁荷.所以，當(dāng)把通電螺線管“等效”為條形磁鐵時，管內(nèi)管外磁力線均起于N極，止于S極.

2.3.2 “分子電流”理論

安培提出了“分子電流”假說，他認(rèn)為“在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部，存在著一種環(huán)形電流———分子電流，未磁化的鐵棒，內(nèi)部分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁性相互抵消，對外不顯磁性.當(dāng)受到外界磁場的作用時，各分子電流的取向變得大致相同，鐵棒被磁化，兩端對外界顯示出比較強(qiáng)的磁作用[1].”在了解了原子的結(jié)構(gòu)后，我們知道不論對于磁鐵還是導(dǎo)體中的電流，它們的本質(zhì)都是電荷的運動，也就是運動的電荷之間存在磁相互作用.從而形成了“磁場是電流激發(fā)的”觀點，該理論也將電和磁統(tǒng)一了起來.與磁荷理論相對應(yīng)，在“分子電流”理論中描述電流激發(fā)磁場的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B，用磁感應(yīng)線（B線）形象地描述磁場強(qiáng)弱的分布，需要指出的是，B線與H線不是同一種線.磁感應(yīng)線（B線）是與電流環(huán)連的無頭無尾的閉合曲線，沒有端點.并且，該理論認(rèn)為磁場為無源場，不可能有“磁極”的概念.由此可知，有關(guān)磁極的概念，均屬于磁性起源于磁荷的觀點.

綜上所述，“磁荷”理論與分子電流理論均可以獨立解釋磁現(xiàn)象.通常兩種理論所得到的結(jié)果也相同，但歸根結(jié)底，兩者還是存在差異的.所以，在分析磁場問題的時候，只能選用其中一種觀點來解釋，不能混用，否則在后續(xù)的學(xué)習(xí)中就會出現(xiàn)問題.我們在此將“磁荷”理論與“分子電流”理論進(jìn)行對比，見表3.

3 高端備課的啟示

3.1 體現(xiàn)物理教學(xué)邏輯

在進(jìn)行通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流、通電螺線管周圍激發(fā)的磁場教學(xué)時，由于充分把握三種磁場的內(nèi)在聯(lián)系，是體現(xiàn)物理教學(xué)邏輯，從而彰顯了教學(xué)規(guī)律的重要環(huán)節(jié).顯然，環(huán)形電流其實就是通電直導(dǎo)線彎曲而成的，螺線管則是多個環(huán)形導(dǎo)線的疊加，這樣就建立了通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流、通電螺線管之間的聯(lián)系.在教學(xué)中按照先向?qū)W生呈現(xiàn)一個通電直導(dǎo)線的磁場，再彎曲成環(huán)形導(dǎo)線，最后纏繞成通電螺線管的順序，依次向?qū)W生呈現(xiàn)三種不同的磁場，依此邏輯，學(xué)生只要理解了通電直導(dǎo)線周圍激發(fā)的磁場特點，就能夠很好理解后兩種磁場的分布了，這也為學(xué)生的思維發(fā)展找到了一個非常好的邏輯通道，同時促進(jìn)學(xué)生思維能力的提高.

3.2 實現(xiàn)磁場學(xué)習(xí)進(jìn)階

所謂學(xué)習(xí)進(jìn)階，其實質(zhì)就是對學(xué)生在各學(xué)段，學(xué)習(xí)同一主題知識時所遵循的連貫的、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)路徑的描述，一般表現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列[4].磁場概念在初高中均有涉及，初中階段學(xué)生只是初步建立了磁場概念，因此，高中階段磁場教學(xué)的關(guān)鍵在于融通初高中物理磁場概念，加深對磁場的認(rèn)識，實現(xiàn)磁場學(xué)習(xí)進(jìn)階.然而，達(dá)成以上目標(biāo)的前提是要搞清概念的起點、節(jié)點和終點.不難發(fā)現(xiàn)，磁場概念教學(xué)的起點是學(xué)生已經(jīng)有永磁體能吸引鐵鈷鎳、指南針能指示方向的生活經(jīng)驗，節(jié)點是建立磁場的初步概念，了解永磁體、知道通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流、通電螺線管的磁場分布特點，能對磁場概念有全面深刻的理解，知道通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流、通電螺線管三種磁場之間的關(guān)系和特點，終點是能從本質(zhì)上解釋磁場的起源.顯而易見，按照磁場概念的三個進(jìn)階層次進(jìn)行教學(xué)，不但能較好地融通初高中內(nèi)容，而且能促進(jìn)課程的螺旋式上升，實現(xiàn)學(xué)生磁場概念學(xué)習(xí)進(jìn)階.

3.3 彰顯概念教學(xué)本質(zhì)

對物理概念本質(zhì)的掌握是物理概念教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是物理教學(xué)的本真所在，體現(xiàn)著物理教學(xué)的至高境界.因此，在本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，著重提出要澄清磁場起源的兩種理論，說明兩種理論的差別所在和適用范圍，幫助學(xué)生從根源上理解磁場到底是怎么來的.我們認(rèn)為，學(xué)生唯有到了“知其所以然”這一步，才表明真正建立起了磁場的物理觀念，達(dá)到了認(rèn)識磁場的最高境界.否則，學(xué)生對磁場的認(rèn)知還只是建立在一個“知其然”的模糊的磁場概念之上，這是不穩(wěn)固的，容易在后續(xù)的學(xué)習(xí)中陷入思維誤區(qū).

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[4]劉晟，劉恩山.學(xué)習(xí)進(jìn)階：關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和生活經(jīng)驗[J].教育學(xué)報，2012，8（2）：81-87.

（收稿日期：2019-09-09）