高中物理必修和選擇性必修課程打通教學(xué)案例分析
——以人教版“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例

李春來

(深圳市教育科學(xué)研究院 廣東 深圳 518029)

王鑫淼

(人大附中深圳學(xué)校 廣東 深圳 518119)

余耿華

(廣東省教育研究院 廣東 深圳 510035)

1 新課標(biāo)要求和新教材編寫特點(diǎn)為打通教學(xué)創(chuàng)造了條件

1.1 物理課程結(jié)構(gòu)和教材編寫特點(diǎn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出,高中物理課程由必修、選擇性必修和選修3類課程構(gòu)成,注重課程的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性.同時(shí),現(xiàn)行教材編寫采用“雙循環(huán)”的內(nèi)容設(shè)置模式[2],即力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)中的主干內(nèi)容至少出現(xiàn)兩次,或者說循環(huán)兩次.

必修課程內(nèi)容供全體學(xué)生共同修習(xí),是高中物理的基礎(chǔ)內(nèi)容,屬于第一次循環(huán).選擇性必修課程內(nèi)容是必修課程內(nèi)容的拓展和深化,根據(jù)學(xué)生個(gè)性特點(diǎn)和升學(xué)需要選擇修習(xí),是第二次循環(huán).雙循環(huán)設(shè)置模式優(yōu)勢明顯,課程內(nèi)容按照“從宏觀到微觀”“從定性到定量”的思路編排,符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,降低了物理學(xué)習(xí)的起點(diǎn).

1.2 打通必修與選擇性必修課程教學(xué)是現(xiàn)實(shí)需要

目前,學(xué)校教學(xué)的現(xiàn)實(shí)情況是,進(jìn)入高二年級(jí)的學(xué)生,已經(jīng)確定了在學(xué)業(yè)水平考試中的選考方向,也清楚了選學(xué)模塊的內(nèi)容.

針對確定選考物理科目的高二學(xué)生,尤其基礎(chǔ)較好的物理班學(xué)生,課程內(nèi)容的教學(xué)順序安排就更加靈活,不一定完全按照模塊順序修習(xí),可以創(chuàng)新性地使用新教材.

如表1所示,必修三中的“電磁場與電磁波初步”主題就可以與選擇性必修二中的相關(guān)主題打通教學(xué),進(jìn)行內(nèi)容整合,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),幫助學(xué)生建構(gòu)學(xué)科知識(shí)體系,以期取得更好的教學(xué)效果.

表1 必修三和選擇性必修二中主題內(nèi)容對比

1.3 對高二年級(jí)模塊教學(xué)實(shí)情的調(diào)研分析

對深圳市2020級(jí)全體高中學(xué)生進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)針對學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試,確定選考物理科目的占比65.74%,其余學(xué)生選考?xì)v史,可以說大部分高二年級(jí)學(xué)生繼續(xù)選學(xué)物理選擇性必修課程.調(diào)研結(jié)果顯示,深圳市各學(xué)校高二年級(jí)物理模塊教學(xué)內(nèi)容的開設(shè)順序多達(dá)6種方案,如表2所示.方案多種多樣,至于那種方案更科學(xué)合理,尚無定論,都在實(shí)踐摸索之中.

表2 高二模塊教學(xué)的開設(shè)順序情況統(tǒng)計(jì)

由表2可知,對于選考物理的學(xué)生的教學(xué),內(nèi)容順序的差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一個(gè)是必修三與選擇性必修一的開設(shè)先后順序,另一個(gè)是必修三與選擇性必修二是否進(jìn)行打通教學(xué).

可見,新課程新教材背景下,如何合理高效地實(shí)施模塊教學(xué)是目前教研員和學(xué)校教師面對的重要研究課題.下面就以人教版“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)為例,探討打通教學(xué)的可行性設(shè)計(jì)方案.

2 限于第一循環(huán)內(nèi)教學(xué)設(shè)計(jì)方案分析

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)方案1——基于教材的常規(guī)教學(xué)

2.1.1 教材內(nèi)容分析

人教版必修三“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”一節(jié)課文共有3個(gè)小標(biāo)題,分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度、勻強(qiáng)磁場、磁通量,涉及物理模型、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和要達(dá)成的概念,如表3所示.

表3 “磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”課文主要內(nèi)容

2.1.2 教材內(nèi)容呈現(xiàn)順序

教材編寫依據(jù)“只定性不定量”的原則,兼顧高中全體學(xué)生物理知識(shí)的全面性,注重類比法、比值定義法等科學(xué)方法的運(yùn)用,具體內(nèi)容的呈現(xiàn)順序和教學(xué)思路如圖1所示.

圖1 教材內(nèi)容呈現(xiàn)順序和教學(xué)思路

2.1.3 依據(jù)教材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢與困惑

優(yōu)勢：以知識(shí)線索編排課文,有利課堂教學(xué)的實(shí)施,也易于學(xué)生自學(xué).要求定性了解,難度較小,適合于不同地區(qū)、不同條件、不同學(xué)情下的廣泛使用.

困惑：第一,如圖2所示,定性實(shí)驗(yàn)“在勻強(qiáng)磁場中探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”,在沒有確定通電導(dǎo)線受力方向的情況下進(jìn)行探究,學(xué)生是有困惑的,如“導(dǎo)線的擺動(dòng)方向就是受力方向嗎”,如果邏輯上說不通,就有假探究之嫌.第二,沒有給出安培力的概念,無法測量力的大小,課本中只能泛泛地說“分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后人們認(rèn)識(shí)到……”.第三,結(jié)論“F與I和l的乘積Il成正比,F=BIl,B是與導(dǎo)線的長度和電流的大小都沒有關(guān)系”是直接給出的,學(xué)生只能生硬地接受.第四,定義磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)限定條件“B⊥I”的原因是什么,教材中沒有交代.

圖2 探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

這些處理方式,導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度定義的建構(gòu)過程有缺憾,學(xué)生雖然知道了“是什么”,但不知道“為什么”.

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)方案2——引入傳感器定量實(shí)驗(yàn)

2.2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

考慮時(shí)間因素,該教學(xué)設(shè)計(jì)方案中沒有進(jìn)行“磁通量”概念教學(xué),留作下一節(jié)課繼續(xù)學(xué)習(xí).磁通量是一個(gè)獨(dú)立的概念,與本節(jié)課的核心任務(wù)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念建構(gòu)沒有必然聯(lián)系,這樣的安排是合理的.增加了兩個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),“探究通電導(dǎo)線受力大小與磁場中導(dǎo)線位置的關(guān)系”和“測量勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小”,具體教學(xué)流程如圖3所示.

圖3 引入傳感器定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程

2.2.2 引入定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢與困惑

優(yōu)勢：第一,通過借助傳感器實(shí)驗(yàn)可以定性探究“通電導(dǎo)線與磁場方向的位置關(guān)系對導(dǎo)線受力大小的影響”,如圖4所示,可以得到結(jié)論:“通電導(dǎo)線與磁場平行時(shí),受力為零;通電導(dǎo)線與磁場垂直時(shí),受力最大”.該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生很好地理解了定義磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)限定條件“B⊥I”的意義.第二,通過借助傳感器實(shí)驗(yàn)可以定量測量勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,并且探究出對于一個(gè)給定的勻強(qiáng)磁場,“B不隨I、l的變化而變化,是一個(gè)定值”,深化了對磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的理解.

通過以上分析可知,改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)于常規(guī)教學(xué)設(shè)計(jì),分組探究和測量性實(shí)驗(yàn)發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究能力,更有利于學(xué)生建構(gòu)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念,但也有教學(xué)邏輯上的不足.

3 基于選考物理科目 打通教學(xué)單元整體設(shè)計(jì)

針對選考物理的學(xué)生,對于磁場相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行單元整體設(shè)計(jì),即打通必修三和選擇性必修二模塊,根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知水平情況,靈活實(shí)施教學(xué).

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)方案3——初級(jí)打通教學(xué)

在第1節(jié)“磁場 磁感線”的教學(xué)中,已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁場的方向,即小磁針靜止時(shí)N極所指的方向,用磁感線形象地描述磁場的強(qiáng)弱和方向,以及幾種典型磁場的磁感線分布情況.

3.1.1 打通教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課首先補(bǔ)充必要的知識(shí)點(diǎn),如左手定則和安培力的概念,為定性探究實(shí)驗(yàn)(圖2)和傳感器定量測量實(shí)驗(yàn)做好了知識(shí)準(zhǔn)備.

同樣,把“磁通量”概念教學(xué)安排在下一節(jié)課,本節(jié)課重點(diǎn)是磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念建構(gòu),具體教學(xué)流程如圖5所示.

圖5 初步打通教學(xué)流程圖

圖6 深度打通下的第1課時(shí)教學(xué)流程

當(dāng)然,本節(jié)課只初步進(jìn)行B與I垂直情況下的探究和學(xué)習(xí),至于安培力F方向與B、l的位置關(guān)系探究,還有對左手定則的更深入學(xué)習(xí),下節(jié)課繼續(xù)進(jìn)行,踐行學(xué)習(xí)進(jìn)階理論.

3.1.2 打通教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢分析

在進(jìn)行“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”和“運(yùn)用傳感器測量勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小”的分組實(shí)驗(yàn)中,由于交代了左手定則這個(gè)知識(shí)點(diǎn),學(xué)生進(jìn)行定性探究實(shí)驗(yàn)和定量測量實(shí)驗(yàn)時(shí)就有了邏輯上的自洽性.通過對通電線框受力分析,就可以得到磁場對導(dǎo)線的作用力與傳感器示數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系,這樣的探究才有意義,學(xué)生明確了“為什么要這樣探究和測量”.

由于課堂時(shí)間關(guān)系,只選擇在B⊥I的情況下進(jìn)行探究,沒有進(jìn)行“通電導(dǎo)線受力大小與導(dǎo)線位置的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)探究.當(dāng)然,留作下節(jié)課繼續(xù)深化.

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)方案4——深度打通教學(xué)

3.2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

對于選考物理的學(xué)生,如果知識(shí)基礎(chǔ)較好、學(xué)習(xí)能力相對較強(qiáng),就可以進(jìn)行基于“磁場”大概念的單元教學(xué)設(shè)計(jì),并以突破“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念為重點(diǎn).把必修三與選擇性必修二打通,進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn),定性和定量相結(jié)合,追求邏輯嚴(yán)謹(jǐn),幫助學(xué)生建構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念.第1課時(shí)教學(xué)流程如表6所示.

3.2.2 教學(xué)思路和環(huán)節(jié)分析

在“B⊥I”的情況下,探究安培力方向與磁場方向、電流方向之間的關(guān)系,同時(shí),學(xué)習(xí)左手定則,為定量探究安培力大小F與I、l關(guān)系做好準(zhǔn)備.利用如圖7所示的傳感器裝置,通過探究得到結(jié)論“通電導(dǎo)線與磁場平行時(shí),受力為零;通電導(dǎo)線與磁場垂直時(shí),受力最大”,即“磁場中導(dǎo)線擺放方向不同,安培力大小就可能不同”,所以先選定B與I垂直情況下來研究“F與I、l的定量關(guān)系”,并得出“F與I和l的乘積Il成正比,即F=BIl”.同時(shí)發(fā)現(xiàn),“B是與導(dǎo)線長度和電流大小都沒有關(guān)系的物理量,但不同磁場中其數(shù)值不同,且只與磁場本身有關(guān)”,所以它可以用來描述磁場的強(qiáng)弱和方向,從而建構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念.

圖7 基于傳感器的探究和測量裝置

該設(shè)計(jì)方案采取由淺入深、循序漸進(jìn)的原則實(shí)施教學(xué).在B與I不垂直的情況下安培力方向與磁場方向、電流方向關(guān)系的探究,以及勻強(qiáng)磁場中在B與I不垂直情況下,安培力大小的計(jì)算公式F=BIlsinθ的學(xué)習(xí)安排在第2課時(shí)完成.這樣的安排學(xué)生容易接受,提高了教學(xué)效果.

4 打通教學(xué)方式有助于實(shí)施分層教學(xué)

筆者將以上4種教學(xué)設(shè)計(jì)方案在課堂教學(xué)中實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)它們都具有可行性和實(shí)效性.教學(xué)設(shè)計(jì)2、3、4中運(yùn)用了傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備,體現(xiàn)了信息技術(shù)深度融合物理教學(xué),是對教材的創(chuàng)新性使用.建議在具體課堂教學(xué)中,面向選考?xì)v史的學(xué)生,或者選考物理但基礎(chǔ)稍弱的,采用教學(xué)設(shè)計(jì)方案1或2實(shí)施教學(xué),體現(xiàn)基礎(chǔ)性.面向選考物理且基礎(chǔ)較好的學(xué)生,采用教學(xué)設(shè)計(jì)方案3或4實(shí)施教學(xué),強(qiáng)調(diào)教學(xué)邏輯的合理性,發(fā)揮打通教學(xué)的優(yōu)勢.