基于科学思维的实验教学实践研究*——以“磁感应强度”的概念建立为例

张利国

(北京交通大学附属中学 北京 100081)

梁吉峰

(北京航空航天大学实验学校中学部 北京 100191)

邓靖武

(北京教育学院数理学院 北京 100120)

1 通过实验感悟磁场的存在思考其本质属性

本环节的教学过程以问题引领，如表1所示，因为磁场看不见摸不着，所以必须借助第三方来感受磁场的存在和强弱，课堂中借助的第三方是小磁针(图1)或通电导线(图2).通过观察小磁针的指向和磁场中通电导线的运动来感知磁场.

图1 小磁针 图2 通电导线

表1 以问题引领教学

设计意图：本环节的任务是通过问题驱动线索，运用多种手段来“感受”磁场及其强弱.磁场虽然看不见摸不着，但通过小磁针的旋转和通电导线的受力可以推知磁场的存在和磁场的强弱.教师引导学生可持续性的理解磁场的存在、磁场的强弱.有了磁场存在的证据，下一步就要思考如何引入一个新的物理量来描述场，在此环节教师帮助学生结合运用简单枚举归纳方法和消去归纳的方法通过持续思考尝试并最终确定描述磁场属性的物理量，彰显科学思维的魅力.总体而言，从科学思维的角度，本环节重在“模型建构”，抓住磁场的本质属性，即对放入其中的小磁针以及通电导线有力的作用；从科学探究的角度，本环节重在“问题”，即体会磁场的存在，发现磁场强弱的不同，需要一个描述方法.

2 通过演示实验来共同探究共同体验共同领悟

图3 探究影响磁场力因素实验电路图

图4 探究影响磁场力因素实验实物图

探究步骤1：猜测.学生比较容易猜到磁场力F和导线中的电流I相关，和处在磁场中通电导线的长度L有关，不容易猜到与通电导线和磁场的夹角θ有关，此时轻转磁场，如图5所示，学生看到力传感器示数的变化，就会建立磁场力与夹角之间的联系.

图5 磁场与通电导线之间的夹角变化

探究步骤2：调零.在线圈不通电的情况下力传感器的示数等于线圈所受的重力，调零，使力传感器仅显示线圈所受的磁场力，示数的正负反映磁场力的方向.

探究步骤3：变I.控制变量，保证磁场中导线长度L不变，为了示数比较明显，取通电导线和磁场的夹角θ=90°，移动滑动变阻器的滑片，改变电流I，读出磁场力F，记录数据(表2)，并用Excel表格作出图像如图6所示，可知力F与电流I成正比.

表2 F-I数据表格

图6 F-I图像

探究步骤4：变θ.控制变量，保证磁场中导线长度L不变及电流I不变，依次改变通电导线和磁场的夹角θ，读出磁场力F，记录数据(表3)，并用Excel表格作出图像如图7所示.

表3 F-θ数据表格

图7 F-θ图像

图像似乎是一条正弦图像，可以追问学生，“由依据Excel表格拟合的散点图，是否可以断定F与sinθ成正比？如果该推断还不够严谨，应如何改进？”帮助学生化曲为直，用Excel表格处理F与sinθ的关系(图8)，通过图像确定二者间的正比关系.

图8 F-sin θ图像

探究步骤5：变L.理论探究磁场力F与磁场中导线长度L的关系，在保证电流I，夹角θ=90°的条件下，依次接通“1，2”“1，3”和“1，4”时，问学生，“导线所受磁场力如何变化？”成倍数改变磁场中通电导线的长度，相当于成倍数增加磁场力的个数，如图9所示，即力F与长度L成正比.

图9 F-L关系示意图

设计意图：本环节的任务是探究影响磁场力大小的因素，也就是说要找到通电导线所受磁场力F与电流I、导线长度L以及夹角正弦值sinθ之间的“神奇的数学关系”——正比关系，在相关探究和推理的过程中，教师引导学生首先是灵活地选定了需要控制的物理量和最易于探究的线框的状态，在探究过程中3次运用了控制变量法，经历了一系列的比较分析和总结归纳，并最终通过综合归纳找到了描述磁场强弱的物理量.特别是在帮助学生寻找磁场力F与夹角θ以及夹角的正弦值sinθ之间的函数关系的时候，学生发现了磁场力的“正负”，以及磁场力与角度的非线性关系，这些环节深刻地激发了学生的认知冲突，引发了学生的巨大疑问，进而就有了更加深入的思考，进一步帮助学生领悟了源于质疑归宿于创新的科学精神！寻找各物理量关系的探究过程可谓“一波多折”，此时教师引导学生回忆可能相关的数学函数，并且运用Excel进一步定量探究出最简洁的结论.实验结论的得出过程精彩纷呈，彰显了物理之美，大大激发了学生对于物理的热爱，教学设计还是比较精妙的.在本环节中每次正比规律的得出，都经过了对实验数据的分析，最后归纳出磁场力F与电流元IL的关系，这就是科学思维中“科学推理”要素在本节课中的具体运用；对实验结果以及实验结论的反思需要学生的质疑精神和创新能力，尤其是作出F-θ图像后，看似正弦图像，但是否是正弦关系，需要进一步画出F-sinθ图像，这充分体现了科学思维中的“质疑创新”要素.从科学探究的角度来说，本环节设计实验、获取数据、作出图像的过程，都是在寻找“证据”.

3 通过师生的持续交流辅助学生建立磁感应强度的概念

本环节旨在通过师生之间持续、深刻的交流和研讨，提升学生的质疑创新以及类比迁移的能力.

图10 同一磁场中F-ILsin θ图像

图11 不同磁场中F-ILsin θ图像

讨论3：电场强度E和磁感应强度B在定义方式上有何异同？

设计意图：本环节基于最终确定的磁场属性表达式，不仅通过比值定义法明确了磁感应强度的定义，然后进一步理解其定义式、大小、方向和单位，还要通过比较电场强度和磁感应强度的定义方式，加深学生对“场”的概念的全面理解，并且建立场强定义方法之间的横向联系，以期转化为学生解决具体问题的总体思路和方法.“在多维度深化概念内涵的同时，发展了学生迁移创新的能力.”[4]本环节侧重科学探究的“解释交流”，学生横向对比3种场的各方面特点，在师生充分研讨的过程中逐步完成概念的建构过程.一节优秀的概念规律课通常伴随着演示实验的层层推进而精彩纷呈，物理实验中科学思维和科学探究交叉重叠而又并行不悖.在物理课堂实践的实施过程中，物理核心素养的渗透恰如清明之雨，润物无声，也许教师仅仅需要思考关注哪一雨滴.