利用可视化物理模型突破中学物理疑难概念教学——以“磁通量”为例

何学美 朱福菊 王酉顺 姚 斌

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

刘 垚

(云南师范大学体育学院 云南 昆明 650500)

物理概念是物理学的基石.物理概念的教学，则是物理教学中的关键.为了引导学生更好地理解物理概念，文献[1,2]利用类比法、比较法等科学方法引导学生有效建构和理解物理概念；文献[3]通过影视资源提取物理原始问题，从教育生态化的理念出发研究物理概念教学，促进学生对物理概念的理解；文献[4]将SOLO分类理论应用于物理概念教学中，促进学生从易到难地完成问题探索，实现认知的提升，从而更好地理解物理疑难概念；文献[5]利用游戏的方式创造出一种竞争的学习氛围，引导学生从不同角度讨论进而理解物理概念；文献[6]基于促进生成的教学原则进行物理概念的大概念教学设计，从而促进物理概念的教和学.然而，部分物理概念(如电场、磁场、磁通量等)非常抽象，看不见、摸不着，学生难以借助生活经验或传统的演示实验建构自我思维中的物理模型，导致了物理疑难概念的形成.对于这类概念，设计明显、直观的可视化物理实验，引导学生通过视觉、触觉感知物理世界，进而构建自我思维中的物理模型，能够启发学生深入理解物理概念，培养高阶思维，提升物理核心素养.本文在组装激光阵列和设计控制电路的基础上，自制了“磁感线的可视化实验装置”；利用该装置，以“磁通量”的教学片段为例，探讨如何利用可视化物理模型突破中学物理疑难概念的教学.

1 中学物理疑难概念的特点

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象，是观察、实验和思维相结合的产物[7].中学物理概念教学中存在很多疑难概念，既不利于教师教学也不利于学生学习.这些疑难概念的特点为：

(1)来源于大量的工程实践，建构过程难以再现；

(2)经过严密分析、推理、论证而抽象出来的结果，思维逻辑严密；

(3)历经高度概括和推导，理想化、看不见、摸不着，是人为定义并用以理解某些客观物质和规律的概念.

2 可视化物理模型的优势

可视化物理模型将一类抽象的事物、复杂的过程、冗长的数据、复杂的问题等，通过实物、图表、动画、模拟仿真等多种形式的可视化工具展现出来[8].它有助于学生观察、实验，从而理解物理概念、原理和规律，弥补了传统概念教学中的不足.将可视化物理模型应用到中学物理疑难概念的教学中，具有以下优势：

(1)抽象概念具象化，激发学习动机.通过可视化物理模型创建具体的学习情境，用以讲解抽象的、晦涩难懂的概念，指引学生置身于生动的情境中，通过感官的体验获得科学概念，符合学生的认知规律，促进学生对物理概念的理解.

(2)理性知识感性化，加强思维建构.物理概念是一种理性认识.通过可视化物理模型将理性知识展现出来，引导学生经历感性认知到理性认知的跨越，促进学生科学思维的建构，更易理解疑难概念.

(3)虚拟现象现实化，加强理解能力.有些物理概念因其看不见、摸不着、真实存在的特性，使得教学过程中缺乏有力的证据和形象的类比而不被理解.根据物理现象的本质特征创造可视化物理模型，为概念的建构提供有力支撑，便于引导学生借助感官深入理解、掌握疑难概念.

3 磁感线的可视化实验装置设计及说明

本文所设计的“磁感线的可视化实验装置”如图1所示.

图1 磁感线的可视化实验装置

该实验装置由激光阵列、光屏、转轴、量角器、调压降压器、24 V直流电源、滑动变阻器、开关、导线组成，其中，激光阵列由5行4列共20个红色激光头按等间隙排列而成，光屏可以绕转轴转动，以模拟不同角度接收到的磁感线数量，光屏上自带量角器，可方便测出光屏的偏转角度.

磁感线的可视化实验装置的电路原理图如图2所示.实验时，需正确连接电路，将24 V直流电源接入市电，适当调节调压降压器，使激光阵列正常发光.激光阵列将产生等间距的平行光束(在光屏之间喷洒雾或烟，可看见明显的平行光束)，用以模拟磁感线，进而模拟匀强磁场.在合适的距离放置与平行光束垂直(即与磁感线或磁场方向垂直)的光屏，在光屏上观察到的光点数目可看作是磁感线穿过平面的条数，即磁通量.

图2 磁感线的可视化实验装置电路原理图

4 利用可视化物理模型突破中学物理疑难概念教学实例

本节利用本文所设计的“磁感线的可视化实验装置”，以“磁通量”的部分教学片段为例，阐明如何利用可视化物理模型突破中学物理疑难概念.

“磁通量”作为中学物理中的疑难概念之一，是经过科学家理想化抽象而得的结果.比较虚幻，看不见、摸不着，但又真实存在.在实际教学中构建“磁通量”概念存在一定的难度，学生在理解上很难通过直接的感官刺激感知其物理意义.为了促进学生物理核心素养的养成，引导学生深入理解该疑难概念，下面将通过“磁感线的可视化实验装置”这一可视化物理模型，模拟建构“磁通量”概念的过程，启发学生更好地从定性和定量两个层面理解磁通量.

4.1 利用可视化模型激发学习兴趣为理解疑难概念做铺垫

师：我们已经在之前的课程中了解了磁场.知道匀强磁场的概念，并能够进行定量计算.了解了磁感线，知道能够用磁感线的多少来表示磁感应强度的大小.那么今天我们来认识一下打开电磁学大门的钥匙——磁通量.

演示实验1：将磁感线的可视化实验装置接通电源，在激光阵列和光屏之间喷入雾或烟，如图3所示.请学生们观察现象.

图3 磁感线可视化实验装置产生的平行光线

生：出现了平行的光线.

师：根据之前所学的知识，我们不妨假设这些光线为磁感线，那么这些光线所在的空间就可以看作是一个匀强磁场的局部.激光在光屏上形成的圆点的数量可看作磁感线穿过该光屏的数量.

设计意图：利用“磁感线的可视化实验装置”，将看不见、摸不着的抽象的磁感线直观、形象地展示在学生眼前，通过感官刺激激发学生学习兴趣，引导学生在自我思维中建构起磁感线的物理模型，为后续理解“磁通量”做准备.通过这个过程，也可以培养学生学习物理的兴趣和构建物理模型的能力，进而培养高阶思维能力，提升物理核心素养.

4.2 实验数据可视化直观展示虚拟现象理解疑难概念

演示实验2：通过控制开关控制激光头的工作状态，实验现象如图4所示.接通电路，先闭合S1和S2，观察光屏上的光点；再依次闭合S3，S4，S5，分别观察光屏上的光点数量.将不同磁感应强度下穿过光屏的磁感线数量填入表1中.

图4 演示实验2的实验现象

师：请同学们根据数据所反映的现象，描述磁感线穿过光屏的规律.

生：通过表1的数据分析可知，随着磁感应强度的增大，穿过光屏的磁感线的条数增多.

表1 不同磁感应强度下穿过光屏的磁感线数量

师：如果将光屏表面积设为1，磁感应强度B与穿过光屏的磁感线数量Φ有什么样的数量关系呢？

生：穿过光屏的磁感线的条数等于磁感应强度B与平面面积S的乘积.

由此可以得出磁通量的定义，即：设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量，简称磁通，用字母Φ表示.

设计意图：利用“磁感线的可视化实验装置”，把磁感线定量、可视化地展示出来，引导学生在仔细观察的基础上，借助定量可视化的磁感线数量，理解物理概念.这样设计可以摆脱枯燥的概念灌输，带领学生经历从定量数据和实验现象中提取并理解物理概念的过程，锻炼学生的抽象思维能力，提升学生的物理核心素养.

4.3 问题冲突可视化提升高阶思维深入理解疑难概念

师：磁通量的定义中我们强调光屏与磁场方向要垂直，那如果不垂直会有什么现象发生呢？

演示实验3：保持磁感应强度不变(激光头工作数量为20个不变)，让与磁场方向垂直的光屏偏转一定角度，如图5所示.让磁感线穿过偏转后的光屏及其投影面，实验现象结果如图6所示.

图5 光屏与磁场方向关系的剖面图

图6 演示实验3的实验现象(取部分数据)

师：请同学们观察实验现象.将观察到的结果填入表2中.讨论一下，根据这些实验现象及结果，我们能得出什么规律？

表2 探究磁通量与光屏偏转角度之间的关系(取部分数据)

生甲：随着光屏偏转的角度越大，穿过平面的磁感线就越少，说明磁通量越小.

生乙：穿过偏转后的光屏的磁感线与穿过它的投影面的磁感线一样多.

生丙：由相关的数据可见，穿过光屏的磁通量Φ=

BScosθ.

由此引出有效面积，既在匀强磁场B中，若磁感线与平面不垂直，公式Φ=BS中的S应为平面在垂直于磁感线方向上的投影面积，Φ=BScosθ式中Scosθ即面积S在垂直于磁感线方向的投影，我们称为“有效面积”.可见，在同一匀强磁场中，同一平面垂直于磁场时，穿过平面的磁通量最大；当平面与磁场偏转一定角度时，穿过平面的磁通量较小；当平面与磁场平行时，穿过平面的磁通量为零.

设计意图：在学生刚刚获得物理概念时，为引导学生更深刻地理解其意义，从已有的概念出发，制造可视化的问题冲突，更利于启发学生进一步深入思考对原有概念的理解，构建更全面、更准确的物理概念，达到深入理解物理概念的目的.教学过程中，通过实验数据的对比，学生能够清晰地感受到实验现象的变化，并能够定量地对现象、规律进行数据分析，从而凝练出物理现象蕴含的本质特征，真正理解疑难概念.这个过程可以锻炼学生思考并提升原有概念的思维能力，极大促进高阶思维能力的培养，为学生以后学习其他疑难概念打下思维能力基础.

5 结论

在中学物理疑难概念教学中，可视化物理模型为实际教学提供了新的思路.通过可视化物理模型让学生更加生动、形象地理解疑难概念，还能培养学生的科学思维，提升学生分析、推理、概括和创造等高阶思维.将生活实际与疑难概念相结合，设计或创造出形象生动的可视化物理模型，可为突破中学物理疑难概念教学提供新思路.