林壽木

摘 要：新的一輪高中物理課程改革序幕逐漸拉開(kāi)，課程改革在落實(shí)三維目標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實(shí)驗(yàn)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任” 組成。本文基于洛倫茲力作用下勻速圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)，在開(kāi)放式、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，突出教師引導(dǎo)下的學(xué)生為主體的平等對(duì)話(huà)和知識(shí)建構(gòu)，突出學(xué)生積極思考和合作探究，從而達(dá)到踐行培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的理念。

關(guān)鍵詞：教學(xué)弊端；核心素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)探究

引言

傳統(tǒng)物理教學(xué)弊端：忽視學(xué)生的自主意識(shí)、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，忽視學(xué)生主體性的發(fā)展意識(shí)，主要表現(xiàn)在：重知識(shí)講授不重探索，填鴨式教學(xué)、上課面面俱到、實(shí)驗(yàn)課“紙上談兵”；重結(jié)果而不重過(guò)程，只給出結(jié)論，不經(jīng)歷感受、理解知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程；重考試成績(jī)而不重全面發(fā)展，這一切不僅造成學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)加重，學(xué)習(xí)物理興趣散失，而且極大地妨礙了學(xué)生主體性發(fā)展，不利于新課程物理課堂改革全面實(shí)施。教育部在2014年3月30日印發(fā)了《關(guān)于全面深化改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)》，第一次明確提出了“核心素養(yǎng)”的概念，明確指出各級(jí)各類(lèi)學(xué)校要將核心素養(yǎng)落實(shí)到各學(xué)科的教育教學(xué)中 [1 ]。物理核心素養(yǎng)是什么？物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì) [2 ]。主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“實(shí)驗(yàn)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。那么，怎樣將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)落實(shí)到物理學(xué)科教學(xué)中？本人結(jié)合洛倫茲力作用下勻速圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)談一談實(shí)踐過(guò)程和感悟。

1 物理觀念

教學(xué)片斷1：

師：關(guān)于場(chǎng)，已經(jīng)學(xué)過(guò)了重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)，現(xiàn)在我們一起討論帶電粒子在只有一個(gè)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。

如圖1所示A、B、C都做什么運(yùn)動(dòng)（用帶有箭頭的力線(xiàn)分別表示重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）

學(xué)生1：當(dāng)帶電小球初速度為0時(shí)，重力場(chǎng)做自由落體運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)中做初速度為0勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、在磁場(chǎng)中處于靜止?fàn)顟B(tài)。

師：很好！若有初速度而且速度方向與場(chǎng)方向同向或反向又做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生2：在重力場(chǎng)中做豎直上拋或豎直下拋、電場(chǎng)中做勻加速或勻減速運(yùn)動(dòng)、在磁場(chǎng)中……

讓我想一想，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性應(yīng)該和電場(chǎng)一樣……

學(xué)生3：（補(bǔ)充）不對(duì)，應(yīng)該做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗俣确较蚺c磁場(chǎng)方向平行受力為0。

師：很好！我們不能隨便遷移，做什么運(yùn)動(dòng)還是從受力入手，這是正常物理思維。那么如果有初速度而且方向與場(chǎng)方向豎直，他們又做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生4：（很快回答）在重力場(chǎng)做平拋運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)中也應(yīng)該做平拋運(yùn)動(dòng)如圖2（學(xué)生定勢(shì)思維再一次曝露出來(lái)）。

師：（用目光掃視教室一周）平拋運(yùn)動(dòng)的條件是什么？

學(xué)生5：有初速度且垂直于恒定的合外力。

師：對(duì)的，那我們不妨來(lái)考察一下磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖2C圖根據(jù)左手定則洛倫茲力垂直紙面向里，轉(zhuǎn)化成俯視圖，請(qǐng)一位學(xué)生來(lái)畫(huà)軌跡圖，如圖3所示畫(huà)好后），當(dāng)運(yùn)動(dòng)到位置2畫(huà)受力圖。

學(xué)生6：（畫(huà)好后頓悟）不是做類(lèi)平拋，應(yīng)該做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

師：（微笑點(diǎn)點(diǎn)頭）反問(wèn)：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？（教室再一次安靜下來(lái)），請(qǐng)一個(gè)同學(xué)回顧勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件是什么？

學(xué)生7：速度大小不變，且方向垂直于大小不變，方向始終指向圓心的合外力。

師：考察一下滿(mǎn)足條件嗎？

學(xué)生8：可能是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槁鍌惼澚Ψ较蚴冀K垂直于速度，所以洛倫茲力始終不做功，速度大小不變，根據(jù)洛倫茲力的公式可知洛倫茲力也不變。但方向會(huì)不會(huì)始終指向圓心？

師：（教室響起雷鳴般的掌聲）那怎么辦？

學(xué)生9：（很自信大聲說(shuō)）實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)……（也許他們已經(jīng)看到我?guī)е鴮?shí)驗(yàn)儀器進(jìn)入教室，有點(diǎn)按耐不住了，而且非常希望揭開(kāi)“謎底”）

師：對(duì)的，但別著急，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器太小先看PPT照片。

介紹原理：圖4甲兩個(gè)共軸螺旋管形成垂直圓面似認(rèn)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)（若順時(shí)針電流打點(diǎn)磁場(chǎng)，逆時(shí)針電流打叉磁場(chǎng)）。圖乙大球形玻璃泡充滿(mǎn)著低壓汞蒸氣，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)發(fā)出綠光可以看到電子的軌跡，內(nèi)部有發(fā)射電子槍?zhuān)?jīng)過(guò)加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng)；通過(guò)玻璃泡旋轉(zhuǎn)可以改變電子速度方向。圖丙控制面板偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)、加速電場(chǎng)、磁場(chǎng)（磁場(chǎng)強(qiáng)弱通過(guò)控制電流實(shí)現(xiàn)）。

請(qǐng)兩位學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：控制電子速度方向與磁場(chǎng)方向平行。

結(jié)論：電子做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn) 2：控制電子速度方向與磁場(chǎng)方向垂直。

結(jié)論：電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

點(diǎn)評(píng)1：物理觀念是物理學(xué)視角形成關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量等基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華。而學(xué)生最容易混淆的“類(lèi)平拋和勻速圓周運(yùn)動(dòng)”物理概念，是屬于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量基本認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：只有洛倫茲力下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)學(xué)生交流討論使物理觀念更清晰化，讓學(xué)生明白滿(mǎn)足什么條件做什么樣的運(yùn)動(dòng)。而如果教師對(duì)這部分教材處理只給結(jié)論，不關(guān)注物理觀念建立和形成過(guò)程，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生“洛倫茲力就做圓周運(yùn)動(dòng)，初速度與力垂直就做類(lèi)平拋”的錯(cuò)誤觀念。建構(gòu)主義認(rèn)為“教師要由知識(shí)的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)建構(gòu)意義的幫助者、促進(jìn)者；學(xué)生要從外部刺激的被動(dòng)接受者和知識(shí)的灌輸對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者” [3 ]。

2 科學(xué)探究與科學(xué)思維

教學(xué)片斷2：

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明軌跡是圓形，可以說(shuō)明：只有在磁場(chǎng)中速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。那么勻速圓周運(yùn)動(dòng)我們最關(guān)注是什么？

學(xué)生1：圓的半徑和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間（即周期）。

師：很好，先猜想一下圓的半徑跟什么有關(guān)？

學(xué)生2：可能與質(zhì)量有關(guān)，因?yàn)橘|(zhì)量越大慣性也越大，運(yùn)動(dòng)方向不容易改變所以半徑越大。

學(xué)生3：可能與粒子速度有關(guān)，因?yàn)樗俣仍酱螅\(yùn)動(dòng)方向不容易改變所以半徑越大（和車(chē)轉(zhuǎn)彎的道理一樣）。

學(xué)生4：可能與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度越大，洛倫茲力也越大，運(yùn)動(dòng)方向很容易被改變，所以半徑越小

學(xué)生5：可能與帶電粒子電量有關(guān)，因?yàn)殡娏吭酱螅鍌惼澚σ苍酱?，運(yùn)動(dòng)方向很容易被改變，所以半徑越小。

師：同學(xué)講非常好，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)一一驗(yàn)證，半徑可能和四個(gè)量有關(guān)，用控制變量法，但由于電子槍只能發(fā)射電子，所以電量和質(zhì)量都沒(méi)辦法改變，實(shí)驗(yàn)只能控制速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)3：保持速度（加速電壓為120V），改變磁感應(yīng)強(qiáng)度（改變螺旋管電流），觀察到現(xiàn)象：磁感應(yīng)強(qiáng)度（電流越大）半徑越小，相反半徑越大；如圖5.

怎么測(cè)量半徑呢？

學(xué)生6：用手機(jī)在同一位置依次拍下不同電壓或不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的圖片，測(cè)量半徑時(shí)從軌跡寬度中點(diǎn)測(cè)量開(kāi)始。

老師：很好，請(qǐng)兩位同學(xué)進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)記錄：加速電壓為120V，在同一位置拍攝相片，如表1。

作半徑為縱坐標(biāo)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫坐標(biāo)，呈現(xiàn)過(guò)（0，0）點(diǎn)直線(xiàn)，結(jié)論：當(dāng)速度一定時(shí)，半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度成 反比。

實(shí)驗(yàn)4：保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變（改變螺旋管電流1.0A不變），改變速度大小（改變加速電壓），觀察到現(xiàn)象：速度越大半徑越大，相反半徑越?。蝗鐖D6。

數(shù)據(jù)記錄：電流為1.0A，在同一位置拍攝圖片，如表2。

作與半徑為縱坐標(biāo)，速度為橫坐標(biāo)，呈現(xiàn)過(guò)（0，0）點(diǎn)直線(xiàn)。結(jié)論：磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí)，半徑與速度成正比。

師：很好，同學(xué)們交流討論實(shí)驗(yàn)誤差、不足之處、是否有改進(jìn)。

學(xué)生7：作圖時(shí)出現(xiàn)有的點(diǎn)偏離直線(xiàn)，說(shuō)明測(cè)量存在誤差。誤差分析：（1）半徑測(cè)量，由于圓軌跡呈“帶”狀； （2）拍攝照片不能保證在同一位置和比例尺是否相同；（3）控制面板旋鈕指示值不夠準(zhǔn)確。

學(xué)生8：不足之處：（1）帶電粒子質(zhì)量和電量改變不了，只能探究半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度、速度關(guān)系；（2）速度太大無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證周期與速度無(wú)關(guān)。改進(jìn)：（1）用三腳架固定照相機(jī)進(jìn)行拍攝；（2）電壓或電流通過(guò)外輸入控制加速電場(chǎng)電壓和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電流，然后用電壓表和電流表準(zhǔn)確的測(cè)定電壓和電流；（3）半徑應(yīng)該多次測(cè)量求平均值。

師：請(qǐng)同學(xué)上臺(tái)板演推導(dǎo)過(guò)程。

點(diǎn)評(píng)2：科學(xué)思維突出理想化思維，其內(nèi)涵是物理學(xué)視角對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是分析綜合、推理、論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品質(zhì) [4 ]。研究過(guò)程螺旋管內(nèi)部磁場(chǎng)近似勻強(qiáng)磁場(chǎng)、發(fā)射粒子速度近似相等，測(cè)量半徑時(shí)從軌跡寬度中點(diǎn)測(cè)量開(kāi)始（化帶狀為線(xiàn)狀），這反映理想化思維，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程；通過(guò)學(xué)生對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑?jīng)Q定因素條件交流討論，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理思維，即演繹推理、歸納推理、類(lèi)比推理。

點(diǎn)評(píng)3：科學(xué)探究是指具備科學(xué)探究意識(shí)，能在真實(shí)情景中提出物理問(wèn)題，形成猜測(cè)和假設(shè)，利用科學(xué)方法獲取和處理信息，形成結(jié)論，以及對(duì)科學(xué)研究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思能力[4 ]。通過(guò)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑?jīng)Q定因素條件討論交流，提出猜測(cè)和假設(shè)，用控制變量法方法獲取數(shù)據(jù)，列表和作圖方法處理數(shù)據(jù)，最后形成結(jié)論。特別是學(xué)生對(duì)誤差分析和實(shí)驗(yàn)不足的分析交流討論，可養(yǎng)成對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，既體現(xiàn)教學(xué)開(kāi)放性理念，又體現(xiàn)科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

3 科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任

片斷3：

老師：自從湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，微觀從此被打門(mén)，人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，來(lái)觀察它們的變化情況，怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？怎樣才能獲得更大能量？

學(xué)生1：由一個(gè)電容器加速獲得高能量的帶電粒子如圖7甲，要獲得更大能量用多個(gè)電容器連續(xù)加速圖7乙。

老師：實(shí)驗(yàn)表明：直線(xiàn)加速器能量只能被加速到4×104eV的能量，能量是有限的，而且需要很大空間，怎么解決？

學(xué)生2：可以將圖7乙首尾連起來(lái)做成圓形，在外加一個(gè)垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，讓帶電粒子處于加速和偏轉(zhuǎn)交替進(jìn)行的狀態(tài)，原理如圖7丙所示，從而減小了加速器的占有空間長(zhǎng)度，節(jié)約空間，能量得到有效提高。

學(xué)生3：加速電場(chǎng)不用那么多，一個(gè)就夠如圖7丁所示，粒子每轉(zhuǎn)一周就得到一次加速。

學(xué)生4：同學(xué)3設(shè)計(jì)方式很簡(jiǎn)潔，節(jié)約材料，但問(wèn)題是：每轉(zhuǎn)一圈電場(chǎng)方向改變一次，如何解決 ？ 能否人為控制？況且隨著速度增加半徑也在增大，加速電場(chǎng)工藝怎么做？

老師：說(shuō)的很好，這個(gè)問(wèn)題美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯制作回旋加速器如圖戊，因?yàn)橹芷谂c速度無(wú)關(guān)，通過(guò)同步方式解決改變電場(chǎng)方向。由于勞倫斯制作回旋加速器貢獻(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但是隨加速能量運(yùn)動(dòng)粒子速度接近光速時(shí)，同步被打破，怎么辦呢？這時(shí)人類(lèi)開(kāi)始思考直線(xiàn)型優(yōu)越性。

點(diǎn)評(píng)4：科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境等關(guān)系基礎(chǔ)上形成對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任心。具有學(xué)習(xí)物理和探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、和善于反思的創(chuàng)新精神 [4 ]。沒(méi)有科學(xué)探究精神、沒(méi)有創(chuàng)新精神，就沒(méi)有科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，不管從直線(xiàn)加速器演變到回旋加速器最后又重新思考直線(xiàn)加速器價(jià)值，還是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜再到簡(jiǎn)單加速器演變過(guò)程，無(wú)不體現(xiàn)人類(lèi)探索自然經(jīng)歷艱辛、曲折的漫長(zhǎng)過(guò)程，這需要勇于探索自然內(nèi)在動(dòng)力和熱情，更體現(xiàn)人類(lèi)敢于質(zhì)疑、和善于反思的創(chuàng)新精神。學(xué)生只有參與感受、理解知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，才能更好地形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

教師在物理課堂教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該多創(chuàng)設(shè)開(kāi)放式、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境，這樣學(xué)習(xí)環(huán)境才能突出學(xué)生為主體的平等對(duì)話(huà)和知識(shí)建構(gòu)，突出學(xué)生積極獨(dú)立思考、形成批判性和創(chuàng)造性思維，才能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、共同探究、實(shí)事求是的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)有責(zé)任和擔(dān)當(dāng)?shù)娜瞬?，從而達(dá)到踐行物理核心素養(yǎng)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)人的價(jià)值的體現(xiàn)和喚醒。

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