利用课程资源发展科学思维

卞艺玲　付丽萍

摘 要：科学思维能力的培养是物理教学的重要任务之一。本文以司南版《探究磁场对电流的作用》一节为例，挖掘有利于学生思维活动的课程资源，以发展学生科学思维为目标进行教学设计。

关键词：科学思维；课程资源；安培力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）8-0065-5

1 问题提出

科学思维作为物理学科核心素养的重要组成部分，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[1]。科学思维的形成，有助于学生在面对思维障碍时寻找解决的途径，利于学生的终身发展。物理教学过程中要实现对学生科学思维的培养，应注重引导学生经历物理知识建立的思维过程，而这个过程需要课程资源的支撑。

物理课程资源潜在于自然界和社会的方方面面，且呈现出多样性的特征[2]。《普通高中物理课程标准（2017年版）》在实施建议中指出“重视课程资源的开发、整合与利用”[1]，这势必要求教师强化课程资源意识，将课程资源的利用定位于培养学生的科学思维，为物理教学提供进行思维活动的环境，以贯彻课程改革目标。

2 以发展科学思维为目标的教学设计

司南版选修3-1第6章第1节《探究磁场对电流的作用》是本章的教学重点。课标对本节的要求是：通过实验，认识安培力；能判断安培力的方向，会计算安培力的大小；了解安培力在生产生活中的应用[1]。本节是在学习了磁场基本特性的基础上对电与磁之间相互作用的进一步探索，通过实验探究和逻辑推理的思维过程，让学生认识磁场对电流的作用规律。

从知识层面看，学生对电、磁两个模块的内容有一定的知识基础，但对两者的联系还缺乏深入的了解，对安培力在生活中的应用没有直观的感性认识。从能力层面看，安培力方向的规律涉及三维空间，而学生的思维能力很难直接找出三个方向的相互关系，建构模型的能力不足。另外，学生虽然具备一定的实验探究能力和分析推理能力，但对安培力大小的定量探究仍需教师引导。

基于以上分析，我们在“用教材教”的基础上进一步挖掘有助于学生思维活动的课程资源，对本节课进行教学开发。教学思路如图1所示。

我们以发展学生的科学思维为目标，结合2017版课标对物理学科核心素养中科学思维的水平划分，在各教学环节中针对科学思维的各要素制定学习目标，如表1所示。

2.1 新课导入

任务1 渗透学史，启发思维

奥斯特发现通电导线能使小磁针发生偏转，法国物理学家安培进一步研究总结出判断磁针偏转方向的右手定则，并提出磁铁与通电导线相类似，具有磁性是由于磁体内“分子电流”产生磁效应。通过这一科学发展进程启发学生的思维，引导学生经历安培的思考过程：既然磁铁间存在力的相互作用，通电导体对磁铁也有力的作用，那么通电导体之间是否也存在力的相互作用呢？

利用图2中的实验装置演示通电导体间力的相互作用，在学生建立感性认识后，指明：安培经过研究得出，不论是磁铁间力的相互作用，还是通电导体间力的相互作用，本质上都是磁场对电流的作用力。为此，我们要深入探究磁场对电流的作用力的规律。

学生对三组实验结果分析推理，会发现仅当通电导线处于磁场中时才会受到力的作用。

评析 本节新课导入的环节教师通常直接采用直观的演示，让学生知道磁场对电流力的作用的存在，但往往忽视了为何要对这个问题进行研究。为此，我们将物理学史这一重要的课程资源融入到新课导入的环节中，带领学生追本溯源，经历科学家探索的科学思维过程，体会物理学家发现问题的科学思维活动，明确研究安培力的意义。再结合实验直观演示，引导学生用控制变量法分析不同条件下的实验现象，激发学生对电与磁之间相互作用的深入思考。

2.2 新课教学

任务1 探寻安培力方向，学会模型建构方法

安培力方向的教学难点是如何把通电导体受力的方向、电流方向、磁场方向三者的空间关系表示出来。教学中我们采用分步引导的方式引导学生建立空间模型，发现三者的空间关系。

情景1：利用上述图3中的实验装置，分组探究影响安培力方向的因素，学生用表格的形式记录实验结果（表2）。但根据表格记录的数据，学生很难找出三者方向的关系。

情景4：学生以方向不变的物理量为轴依次进行旋转，会发现三组实验结果可用同一空间模型描述。

由此，引导学生类比得出F、B、I三者的空间位置关系也是固定不变的。在学生对三者关系有较为深入认识的基础上，引导学生联想用左手描述三者间的位置关系，介绍左手定则的具体内容。

评析 学习中学生对左手定则的内容能够很快地记住并会使用，但左手定则的建立过程学生不太清楚。我们借助生活中容易获得的木棍、橡皮泥构建空间立体模型作为课程资源，让学生经历从记录实验结果，到平面图示理解，再上升到模型建构的思维过程，学会模型建构的方法。

任务2 定量探究，强化科学论证能力

传统的实验装置只能对安培力大小进行定性探究，但无法实现定量测量。引进DIS实验系统，借助传感器及DIS通用软件进行实验数据采集及处理，以实现对安培力大小的定量测量。

利用强磁铁形成匀强磁场，将长宽比为2∶1的线圈与力传感器相连后一条边置于磁场中，使安培力在竖直方向上以便测量（如图6所示）。把线圈连入分压式电路中，通过改变滑动变阻器的阻值使电流从零开始变化，探究安培力大小与电流的关系；通过改变处于磁场中导线的长度，探究安培力大小与通电导线长度的关系。

通过图7所示数据，学生可以定量分析出安培力隨着电流的增大而增大，利用DIS系统的绘图功能，建立F-I坐标系并记录数据点如图8所示。通过观察数据点的分布情况，引导学生推理两者间近似是什么关系？再通过系统的“线性拟合”进行论证，得到图9所示的一次函数图像。

评析 数字媒体已成为物理学习的重要课程资源[1]，将DIS实验系统与传统实验课程资源进行整合，能弥补传统实验无法定量测量安培力大小的不足。DIS系统能将数据直观表现和及时处理，但如果将数据处理的结果直接展示给学生，不利于培养学生的科学论证能力。我们在教学中先使用实验数据定量分析影响安培力大小的因素，引导学生基于数据进行合理猜想，再利用DIS系统验证，强化科学论证能力。

任务3 由特殊到一般，提高科学推理能力

为把安培力大小规律推广到一般情况，教学中我们运用理论推理与实验探究相结合的方法，拓展学生思维。

情景1：问题引导，启发学生利用已知规律，推导出更普遍的规律：

（1）安培力大小公式F=BIL的适用条件是什么？

（2）B与I方向间夹角为θ时，如何求解磁场对电流的作用力大小？

（3）磁感应强度是矢量，如何分解？

学生能将磁感应强度按垂直于电流和平行于电流两个方向分解，推理出安培力大小的一般表达式为F=BILsinθ。

情景2：利用图10所示装置，转动转盘改变B与I的夹角θ进行演示实验，并利用DIS实验系统绘制F-θ图像（结果如图11所示），引导学生理解安培力公式的物理意义。

评析 经历物理规律由特殊条件到一般形式的理论推理过程，再利用DIS实验系统的课程资源帮助学生理解，提高学生的科学推理能力。

2.3 课外延伸

任务1 动手自制

磁电式电流计是安培力的应用之一，课后我们组织学生进行简易电流计的制作（图12）。

将漆包线绕成10～15匝的矩形线圈，两端留出一定长度。用较粗的直漆包线从线圈中穿过作为转轴，并用线圈两端留出的线把转轴固定，然后以转轴为中心绕成螺旋形并固定在底板上作为扭转力。把适当长度的漆包线固定到线圈的一端作为指针，将制作好的线圈放在支架上，线圈平面与水平面平行。

将上述线圈与滑动变阻器、电流表、电源串联，置于蹄形磁铁中。改变滑动变阻器的阻值，根据电流表示数制作刻度盘。

任务2 设置系列问题，提升思维

在制作的过程中，引导学生思考：

（1）初始状态为什么要让线圈平面与水平面平行？

（2）线圈为什么会停在某一位置？

（3）观察制作好的电流计刻度盘是否均匀？若不均匀，是什么原因？

学生在制作的过程中，对以上问题进行独立思考，解释磁电式电流计的工作原理及各个部件的作用，进一步加深对安培力规律的认识。

评析 开展制作电流计的课外活动，能提高学生的动手能力，是对课程资源较好的补充。动手实践的过程，不仅激活了学生的思维，也促进了学生科学思维能力的提升。

3 结 语

教学中合理地开发、利用课程资源，以课程资源为载体，创设利于学生思维活动的情境，使学生长期处于科学思维训练的环境中，充分发挥课程资源的教育价值是物理教师的重要任务。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王较过，郑锋士.新课程理念下物理课程资源及其利用初探[J].陕西师范大学继续教育学报，2005（2）：93-96.

[3]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2005：110.

[4]丁加旗.初中物理科学思维水平划分与提升学生思维能力途径探讨——以“运动的相对性”一课为例[J].中学物理教学参考，2018，47（3）：1-3.

[5]张羽燕.初中物理教学中学生科学思维的培养——以“牛顿第一定律”为例[J].物理教学探讨，2018，36（1）：32-35.

[6]张正严.走向课堂教学的物理教学资源开发和利用[J].中学物理教学参考，2017，46（11）：16-20.

[7]张廷凯.基于课程资源的有效教学研究[J].课程·教材·教法，2012，32（5）：3-7.

[8]包慧軍.基于物理核心素养导向的教学设计——以摩擦力教学为例[J].物理教学探讨，2018，36（2）：31-33.

（栏目编辑 张正严）