基于核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)探索

林婉瑩 洪益軍

摘? ?要：以探究“安培力大小與B、I、L的關(guān)系”為例，通過問題導(dǎo)向教學(xué)，設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程，利用學(xué)生已有知識和實(shí)驗(yàn)技能，在不斷解決問題的過程中，完成對探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，整節(jié)課以學(xué)生為主體，重視培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；問題導(dǎo)向；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路及依據(jù)

1.1? 教材分析及教學(xué)重點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)選自魯科版選擇性必修二“安培力及其應(yīng)用”，課程標(biāo)準(zhǔn)要求：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識安培力。能判斷安培力的方向，會計(jì)算安培力的大小[ 1 ]。要求學(xué)生：認(rèn)識和了解安培力，了解影響安培力的大小和方向的相關(guān)因素。要求教師：設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生逐步認(rèn)識安培力的大小和方向。安培力方向的判斷和大小的計(jì)算是本節(jié)課的重點(diǎn)。

備課過程，參考了教師用書中給到的教學(xué)建議：除教材介紹的迷你實(shí)驗(yàn)室外可以增加一些拓展實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)安培力的興趣，進(jìn)一步明確安培力的影響因素，總結(jié)出計(jì)算公式F=BIL[ 2 ]。明確適用條件：在勻強(qiáng)磁場中，且B與I垂直。

本節(jié)課的知識有承上啟下的作用，對前面而言，學(xué)完電對磁的作用后，再學(xué)習(xí)磁對電的作用，完善了電磁相互作用的理論體系，在培養(yǎng)與安培力有關(guān)的相互作用觀念中有重要的作用。對后面而言，安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，學(xué)好安培力可以為后面學(xué)習(xí)洛倫茲力打下基礎(chǔ)。

1.2? 學(xué)情分析及教學(xué)難點(diǎn)

在知識儲備上，學(xué)生在初中階段已經(jīng)初步了解安培力的大小與通電導(dǎo)線的電流、所處的磁場強(qiáng)度和通電導(dǎo)線的有效長度有關(guān)，但是關(guān)于這幾個(gè)物理量之間的定量關(guān)系不明確。課本也沒有演示實(shí)驗(yàn)或者相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)說明F=BIL，學(xué)生在對公式的理解與應(yīng)用中缺乏可靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為依托，學(xué)生容易記錯(cuò)，或者與后面的相關(guān)公式混淆。

在技能上，學(xué)生已初步掌握控制變量法。不足之處：對電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，對實(shí)驗(yàn)條件的控制能力不足，比如：①對于磁場的強(qiáng)度控制與測量；②對安培力的測量；③如何改變通電導(dǎo)線的有效長度。

綜上，本節(jié)課的探究性實(shí)驗(yàn)是必要的，針對教材中缺乏實(shí)驗(yàn)事實(shí)，設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，分別探究了安培力F與B、I、L的關(guān)系。

2? 設(shè)計(jì)思路與教學(xué)目標(biāo)

2.1? 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的在于把對規(guī)律的認(rèn)識與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合。將探究實(shí)驗(yàn)的過程展現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在發(fā)現(xiàn)和解決問題中，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維，提高科學(xué)探究能力，加深對F=BIL的理解，進(jìn)而達(dá)到提高學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

在教學(xué)中采用問題導(dǎo)向教學(xué)方法，通過創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，提出并解決問題，得出解決方案。帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)以學(xué)生為主體，以學(xué)生發(fā)展為目標(biāo)的課標(biāo)要求。

2.2? 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)合學(xué)生情況，制定教學(xué)目標(biāo)

物理觀念：

①通過實(shí)驗(yàn)探究，得出F=BIL，進(jìn)一步理解相互作用觀。

②認(rèn)識安培力，會計(jì)算安培力的大小。

科學(xué)思維：

能用磁感線和勻強(qiáng)磁場等模型分析安培力問題，將實(shí)際裝置轉(zhuǎn)化為抽象的物理模型。

科學(xué)探究：

了解影響安培力的大小和方向的相關(guān)因素，知道采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，收集、處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：

知道科學(xué)發(fā)展對實(shí)驗(yàn)器材的依賴性，能對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析，實(shí)事求是。

3? 教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的順序照本宣科地閱讀一遍，忽略了每一個(gè)環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系。比如：當(dāng)你設(shè)計(jì)完實(shí)驗(yàn)，才會知道這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要哪些儀器，實(shí)驗(yàn)該如何操作，步驟先后順序才明了。因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生而言，常出現(xiàn)一些問題：實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幻鞔_的，不清楚實(shí)驗(yàn)原理就是該實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)，不知道操作順序，不清楚注意事項(xiàng)，不明白該記錄哪些數(shù)據(jù)，也不知道如何處理和分析數(shù)據(jù)。以至于實(shí)驗(yàn)題得分率都不高。對此，要打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分立式的模塊講解，設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的問題情境，通過不斷解決問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、器材選擇，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識和解決問題的能力。

如圖1所示，整節(jié)課分為四個(gè)環(huán)節(jié)。

4? 基于問題導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

4.1? 新課引入

教師通過簡單的問題快速引入課題：

（1）什么是安培力？

學(xué)生：磁場對通電導(dǎo)線的作用力。

（2）力是矢量，如何判斷安培力的方向？

引導(dǎo)學(xué)生回答：左手定則。

引入新課：安培力的大小與那些因素有關(guān)？

4.2? 新課教學(xué)

（1）猜想

引導(dǎo)學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示，并總結(jié)：發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流方向與磁場方向不垂直時(shí)，線圈偏轉(zhuǎn)角度變小，即安培力變小。引導(dǎo)學(xué)生思考影響安培力大小的因素有哪些？

學(xué)生猜想：安培力的大小與磁場和電流方向有關(guān)，還跟B、I、L有關(guān)。

教師進(jìn)一步分析：因?yàn)榻嵌炔缓每刂?，可先取固定值分析，又?dāng)B垂直I時(shí)，線圈偏轉(zhuǎn)角度最大，所以可控制B垂直與I，再研究F與B、I、L的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)原理

采用問題導(dǎo)向教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

問題1：探究當(dāng)B垂直I時(shí)，F(xiàn)與B、I、L的關(guān)系，應(yīng)采用什么實(shí)驗(yàn)方法？

引導(dǎo)學(xué)生回答：控制變量法。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生鞏固控制變量法的使用情況。

問題2：如何測量安培力？選用什么工具？

引導(dǎo)學(xué)生回答：根據(jù)二力平衡原理，用彈簧測力計(jì)水平拉線圈，當(dāng)線圈靜止時(shí)，安培力與拉力相等

教師補(bǔ)充：因彈簧測力計(jì)精度不夠，改用如圖3甲中的數(shù)字測力計(jì)或圖3中乙的力傳感器進(jìn)行測量。

設(shè)計(jì)意圖：①讓學(xué)生學(xué)會遷移，復(fù)習(xí)鞏固測量力的方法。

②要求學(xué)生學(xué)以致用，先用左手定則判斷F的方向，令安培力方向與測力計(jì)的拉力方向相反。

本環(huán)節(jié)創(chuàng)新點(diǎn)：突破安培力難以測量的問題，巧用二力平衡原理測量未知力的大小，化抽象為具體。

問題3：如何獲得勻強(qiáng)磁場？

引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)幾種常見的磁場模型并進(jìn)行選擇：

①通電螺線管的內(nèi)部磁場。但因螺線管內(nèi)部操作不便所以舍棄。

②蹄形磁鐵兩磁極間的磁場近似為勻強(qiáng)磁場。該磁場最容易獲得，可以考慮。

③亥姆霍茲線圈。

教師引導(dǎo)學(xué)生利用兩個(gè)相同的通電線圈平行放置產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場引出第三種獲得勻強(qiáng)磁場的方式，即：亥姆霍茲線圈。

設(shè)計(jì)意圖：①復(fù)習(xí)幾種常見的磁場模型，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)以致用。

②為后面提供改變磁場的方法埋下伏筆。

該環(huán)節(jié)難點(diǎn)：學(xué)生對亥姆霍茲線圈比較不熟悉，可以通過引導(dǎo)學(xué)生分別取兩個(gè)通電線圈的不同磁極來引入亥姆霍茲線圈。

本環(huán)節(jié)創(chuàng)新點(diǎn)：通過引導(dǎo)學(xué)生思考，尋找便于實(shí)驗(yàn)操作的勻強(qiáng)磁場。

（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作

實(shí)驗(yàn)一：保證B和L不變，探究F與I的關(guān)系。

可以通過控制磁鐵和線圈不變，來保證B和L 不變，再探究F與I 的關(guān)系。

問題4：如何測電流 I 以及控制電流大小。

學(xué)生根據(jù)已學(xué)的電學(xué)知識，很自然地提出用電流表測量，但是電流表精度有限，且不易讀數(shù)，教師可以適時(shí)引出電流傳感器，具有精度高便于讀數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

針對改變電流的方法，學(xué)生也會利用剛學(xué)的控制電路的兩種方法，選用限流式接法，通過改變電阻的大小，來改變電路中電流的大小。教師進(jìn)一步分析：限流式接法電流小且變化不大，引導(dǎo)學(xué)生選用學(xué)生電源或電池組，通過直接改變電源電壓來改變線圈的電流。這樣電路簡單、易操作。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會遷移應(yīng)用，評估實(shí)驗(yàn)方案，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

該環(huán)節(jié)的優(yōu)勢：數(shù)字化多媒體配合教學(xué)，具有高效、便捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)二：保證B和I不變，探究F與L的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)通過控制磁鐵和線圈兩端電壓不變來保證B和I不變，再探究F與L 的關(guān)系。

問題5：L的含義以及如何改變L。

重點(diǎn)讓學(xué)生明確：當(dāng)電流與磁場垂直時(shí)，L是通電導(dǎo)線在磁場中的長度。即有界磁場中：L=線圈匝數(shù)N×磁場寬度d。引導(dǎo)學(xué)生得出兩種改變L 的方法：改變N 或改變d。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析比較兩種方法的可行性：①改變N則要換線圈，電流不易保證相同，所以舍棄。②改變d，如圖4所示，可以逐一增加蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)來改變線圈所處的磁場寬度，進(jìn)而改變L，可行性和可操作性較高，但要求三個(gè)磁鐵的磁性大致相同。

設(shè)計(jì)意圖：再次明確實(shí)驗(yàn)的前提條件：電流方向與磁場方向垂直培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)換研究對象的思維方式。

（4）數(shù)據(jù)處理

通過觀看實(shí)驗(yàn)視頻，得出定性關(guān)系：當(dāng)B和L不變時(shí)，F(xiàn)隨 I 增大而增大；當(dāng)B與I不變時(shí)，F(xiàn)隨 L 增大而增大。

教師給出具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）（表2）進(jìn)行進(jìn)一步分析。

用作圖法處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合（圖5）。

從圖5可以看出，圖像是一條近似過原點(diǎn)的直線，因此得出結(jié)論一：在誤差允許范圍內(nèi)，F(xiàn)與I成正比。

用作圖法處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合（圖6）。

從圖6可以看出，圖像是一條近似過原點(diǎn)的直線，因此得出結(jié)論二：在誤差允許范圍內(nèi)，F(xiàn)與L成正比。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)由教師展示數(shù)據(jù)處理的方法，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力。

教師提問：安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系要如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

實(shí)驗(yàn)三：保證I和L不變，探究F與B的關(guān)系。

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需明確如何保證不變量以及如何控制變量：可以通過保證線圈兩端電壓和磁鐵個(gè)數(shù)不變來保證I和L不變。那如何控制變量呢？引出問題6：如何測量和改變B？

① 測量工具：電磁傳感器。

② 控制和改變磁場：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)磁鐵的磁場不可控，繼而引導(dǎo)學(xué)生回想問題3中的幾種磁場，想到利用電流的磁效應(yīng)，換用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場如圖7甲或者在磁鐵上加線圈如圖7乙，將磁鐵改造成電磁鐵，通過改變線圈的I，來改變B的大小。

設(shè)計(jì)意圖：①讓學(xué)生感受傳感器的優(yōu)勢、科技的魅力。

②突破固有思維方式，靈活選擇實(shí)驗(yàn)器材，大膽假設(shè)。

該環(huán)節(jié)優(yōu)勢：打破學(xué)生的固有思維方式，與前面獲得勻強(qiáng)磁場的方式前后呼應(yīng)。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生對現(xiàn)有的儀器設(shè)備進(jìn)行改造、創(chuàng)新。該環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生課后自行完成，得出結(jié)論。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)B與I垂直時(shí)，通電直導(dǎo)線受到的安培力F=BIL。

拓展：當(dāng)B與I不垂直時(shí)，如何計(jì)算安培力？

引導(dǎo)學(xué)生類比力做功的方法，如圖8所示，求出L垂直于B方向的分量，即當(dāng)I與B不垂直時(shí)：F=BILsinθ，所以當(dāng)B不垂直于I時(shí)，線圈的偏轉(zhuǎn)角變小。

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，與課前引入前后呼應(yīng)。

5? 教學(xué)反思

通過不斷提出問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中，幫助學(xué)生完成對概念、規(guī)律由具體到抽象逐漸加深的認(rèn)識過程。本節(jié)課所有問題情境均由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中自然而然地呈現(xiàn)出來，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)問題情境的邏輯性，使學(xué)生能夠在大腦里形成清晰的物理實(shí)驗(yàn)過程。在整個(gè)過程中，學(xué)生能夠充分利用已學(xué)的知識解決問題，強(qiáng)調(diào)知識體系建構(gòu)的重要性。體現(xiàn)對比學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)換研究對象等科學(xué)方法、科學(xué)思維的重要性。

探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程需要教師引導(dǎo)學(xué)生一步一步地完成設(shè)計(jì)，帶領(lǐng)學(xué)生體會物理實(shí)驗(yàn)的魅力，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，鞏固學(xué)生已有的知識，提高學(xué)生的遷移能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維。重視實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，讓學(xué)生感受和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思維與快樂，一方面，學(xué)生在解實(shí)驗(yàn)題時(shí)，可以站在出題者的角度，揣摩出題者的設(shè)計(jì)意圖，另一方面，學(xué)生的思維可以很大的提升，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

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