论高中物理“磁感应强度”教学的逻辑

石 尧 陈清梅 邢红军

（1.首都师范大学物理系，北京 100048；2.北京中医药大学基础部，北京 100102）

1 问题的提出

《中学物理教学参考》2012年第10期刊登了《物理教学中的概念精准与逻辑严密——基于“磁感应强度”一节的文本分析与教学建议》一文，作者对“人教版普通高中课程标准实验教科书《物理3-1》中“磁感应强度”一节作了“概念精准”和“逻辑严密”的相关考量，指出了教材中存在的问题，并在深入研究的基础上，提出了宝贵的教学建议.然而，文章并没有很好地解决磁感应强度教学的逻辑问题.有鉴于此，本文就磁感应强度概念的引入提出不同见解并给出相应的教学设计，希冀对磁感应强度的教学有所裨益.

2 教学的逻辑

作者在文中指出：教材中磁感应强度的引入存在逻辑上的混乱，同时提出应该以比值定义法的科学性诠释问题，这无疑是正确的.但接下来文章的诠释却又回到教材编写的老路上——以安培力的公式为出发点，利用公式变形，间接得出磁感应强度的表达式.［1］显然，文章并没有触及到比值定义法的内涵，同时也未能依据“概念精准”和“逻辑严密”的考量解决教材的逻辑混乱问题.究其原因，可能还是未能真正把握比值定义法的核心思想与内涵.

那么何谓比值定义法呢？比值定义法就是用两个或多个物理量的比值来定义一个新的物理量，其核心思想是比较.在这里，比较的关键是选取相同的标准，因为只有选取相同的标准，比较的结果才有意义.因此，比值定义法采用两个或多个物理量相比，事实上就是选取相同标准的一个基本手段.［2］如果不清楚这一点，就不可能明晰比值定义法的本质.接下来，我们立足于比值定义法的本质，以一种高端备课的视野来进行磁感应强度的教学设计.

2.1 踏破铁鞋无觅处：比较两通电直导线在不同磁场中的受力情况

力作为高中物理学的重要概念，在学生的认知结构中起着举足轻重的作用，物理概念的建立往往以分析受力，比较受力为切入点.因此，磁感应强度概念的教学就应立足于“比较”导线受力“大小”这种朴素的动机.由此，本节课的教学逻辑应把“探究影响安培力大小的因素”思路转变为“比较通电导线在磁场中受力”的思路，把研究方法由“控制变量法”转变为“比值定义法”.我们认为，这才是这节课教学设计的核心思想，亦可称为创新.因为这既与学生日常经验的认知倾向相吻合，又符合比值定义法的核心思想.于是，磁感应强度概念的建立过程就在这一思想引领下展开.

据此，可以引导学生提出：通过直接比较通电导线在强弱磁场中的受力情况来判断磁场的“强”“弱”，进而得出磁感应强度的表达式.因此，我们借用小说写作的4个步骤：起因、经过、高潮、结局，将“直接比较通电导线在不同磁场中的受力”作为教学的出发点，称为“起因”.

首先，选用多块规格不同的马蹄形磁铁来提供匀强磁场，把一段通电直导线作为试探物放入磁场中，发现其受到力的作用，进而明确研究目标：通过测量其受力大小来定义磁场的强弱.

教学步骤为：先在强磁场中放一长为0.2m、通电1A的直导线，所受磁场力为0.12N；后在弱磁场中置一长为0.1m、通电3A的直导线，所受磁场力为0.15N.结果表明：通电直导线在强磁场中受力小，在弱磁场中受力大！这显然与学生的日常生活经验相矛盾，从而引发认知冲突.

对此，教师引导学生分析：导致直接比较出现错误的根源在于没有选取相同的标准.于是，解决问题的方法就是在比较时选取相同的标准.

2.2 山穷水尽疑无路：选取相同的标准继续比较两通电直导线的受力

为了使比较的结果有意义，需要把比较的标准变成一样，即把相同长度，通以相同大小电流的长直导线置于强弱磁场中，这意味着将导线的长度及电流大小统一了标准.然而，这并非要对直导线进行任何实质上的变化，而是利用除法这一数学工具，用导线所受磁场力F除以电流强度I、导线长度L，使标准化为“单位长度并通以单位电流”.然后，得到比值就可以有效地进行比较了.

这一比值为什么不同于“比较导线受力大小”的初衷？比值的含义是什么？这些问题在本环节均未得到解决.由此，我们把教学引入“高潮”.

2.3 柳暗花明又一村：诠释比值的物理意义

在尔后的教学环节中，选择多组不同规格的直导线，比较它们在强弱磁场中受力，用来解答上述两个问题并通过量化分析研究比值的内涵，通电导线在磁场中受力测量与计算的结果如表1所示.

表1

研究发现，比值同通电导线受力并无关系！至此，研究思路发生了重大变化.原本我们是要比较在不同磁场中通电导线的受力大小，结果却得到了一个与受力无关的常量.这一步的教学环节经历了研究结论从“山穷水尽疑无路”到“柳暗花明又一村”的变化，同时把研究带入“高潮”.

2.4 人情练达即文章：联系学生的生活经验理解比值定义法

与一般的陈述性知识不同，比值定义法是一种程序性知识，它涉及的不是物质世界本身，而是人们认识物质世界的途径与方法，具有高度的抽象性，学生对其理解会存在一定的困难.认知同化理论也指出：新知识与学生认知结构中已有经验发生相互作用，导致新旧知识的同化，才能形成新的认知结构.［3］

有鉴于此，最后一个教学环节就要联系学生的日常经验，增强学生对比值定义法的理解.教师可以举出下面的例子.

当今社会上网冲浪已融入人们的生活.对此网络公司出台了不同的包时形式：（1）40h512kB（即0.5MB）网速的50元；（2）50h1MB网速的75元，问哪种上网形式更经济合算？

对此，学生很容易理解，比较时要选取相同的标准，即比较一个小时一兆网速的价格.这样，通过联系学生的日常生活经验，很好地契合了他们的认知水平，促进了其认知结构的形成.可以说，该教学环节绝非画蛇添足，而是起到了锦上添花的效果.同时也为我们的教学设计画上了完满的“句号”.

对于中学物理教学，不仅要让学生“知其然”，更要“知其所以然”.正是在对比值定义法“知其所以然”的基础上，我们展开了磁感应强度概念教学的4个教学步骤的设计（如表2所示）.图1是我们设计的教学流程图.

表2

图1

3 建议与启示

3.1 厘清教学逻辑，促进思维发展

中学物理教学兼顾传授物理知识和发展学生思维的双重任务，其中促进学生的思维发展需要把握教学的时空次序，即教学逻辑.因此，在教学中必须厘清比值定义法与磁感应强度的内在逻辑关系——以比较通电导线在不同磁场中的受力为突破口，利用比值的形式对比较的标准进行统一，最终得到磁感应强度B的表达式.

在此后的教学设计中，我们正是遵循这一逻辑展开教学的，将整个教学脉络呈现出来，从而为学生的思维发展找到合理的逻辑通道.

相比之下，教材由安培力F＝BIL经一步变形便得出公式的方法则存在着逻辑上的迂回，过渡过于突兀.特别是对于“为什么要变形”这一核心问题语焉不详，没有揭示出数学技巧背后蕴含的物理本质.这无疑将导致学生的认识停留在对磁感应强度概念的死记硬背上，使学生的思维原地踏步、停滞不前.

3.2 打破原有平衡，形成认知结构

根据自组织理论，非平衡是有序之源，学生对物理概念的掌握是由于原有认知平衡被打破，发生同化和顺应的结果.［4］在我们的教学设计中，从比较通电导线在磁场中的受力开始到最后以比值F IL的形式定义磁场的强弱，研究结果完全背离了研究的初衷.这就打破了学生思维原有的平衡状态，从而将学生的大脑引入了非线性的耗散结构状态，激发了关于比值定义法的思考.

通过对大量信息的比较分析，最终使学生的大脑越过临界区域，形成新的认知结构，从而完成对磁感应强度概念的掌握.与我们的教学设计不同，教材经安培力公式变形得出磁感应强度的表达式，显然与学生司空见惯的数学运算无异，根本无法引起认知冲突.可以想象，这种简单、直白的方式很难打破学生思维的平衡状态，使学生的思维难以得到有效发展.

3.3 传授科学方法，落实方法教育

科学方法既是教学逻辑的主线，也是获取科学知识的主要途径.因此，对于科学方法传授不能仅仅停留在对名称的记忆层面，而要把科学方法置于教学过程的中心，使学生能领悟到科学方法的内涵及操作步骤.反观教材在磁感应强度教学的处理中，仅仅向学生列举了相关知识和概念，并未将有关科学方法（即比值定义法）体现在概念的建立过程中.与之形成鲜明对比的是，我们立足于高端备课的视角，在充分洞察并显化比值定义法内涵的基础上，以四步环节展开相应的教学设计，脉络清晰，环环相扣，生动地向学生展现了运用比值定义法获取磁感应强度概念的全部过程，从而使磁感应强度的教学水到渠成.

1 朱建廉.物理教学中的概念精准与逻辑严密——基于“磁感应强度”一节的文本分析与教学建议［J］.中学物理教学参考，2012（10）：21-23.

2 邢红军.按照比值定义法的本质改进高中物理概念的编写［J］.物理教师，2004（4）：5-7.

3 陈琦，刘德儒.当代教育心理学 ［M］.北京：北京师范大学出版社，2007.

4 邢红军.论教学过程的自组织转变理论［J］.课程·教材·教法，2006（11）：27-33.