基于解决问题的教学策略----以“带电粒子在磁场中运动的圆模型”为例

基于解决问题的教学策略 ---- 以“带电粒子在磁场中运动的圆模型”为例

关映霞

福建省 莆田华侨中学 351115

摘要：问题情境既是学生学科核心素养形成和发展的重要载体，也是为激发学生的认知建构与素养表现搭建的平台。教师应站在学生学习和成长的角度，选择合适的真实问题情境，让学生有解决实际问题的经历和体悟，促进学生与经验知识的深度互动，最终转化为学生的素养发展。本文以“带电粒子在磁场中运动的缩放圆模型”微专题为例，探索基于问题解决的教学策略。

关键词 真实问题；核心素养；教学策略；缩放圆

发展核心素养，倡导学生在面对各种复杂多样的真实问题情境中，能够合理有效地运用科学的思维方式与方法，有效整合已有的知识与经验，运用相关学科能力，创造性地分析问题、解决问题。[1]真实具体、富有价值的问题情境，是学生学科核心素养形成和发展的重要载体，也为学生学科核心素养提供了真实表现的机会。[2]

运用物理知识解决真实问题能力的高低，取决于学生将问题情境与所学知识联系的水平。能否把描述情境的文字、数据、图表等形式的信息，抓住主要信息构建出物理模型，进而解决物理问题是物理学科核心素养发展水平的重要标志。

在实际解决问题中，由于有的学生模型意识不强，建模能力不足，导致在解决难度稍大的新情境和实际问题时，无法正确构建模型进而解决问题。这就需要教师站在学生角度，通过教学设计，选择和确定合适的真实问题情境，让学生有解决实际问题的经历和体悟，促进学生主动建构认识，最终转化为学生的素养发展。

带电粒子在磁场中的运动是历年高考考查的热点，可以很好地考查学生逻辑推理、模型建构、质疑创新等科学思维。以《带电粒子在磁场中运动的缩放圆模型》微专题为例，教师通过设计一系列真实问题，引导学生经历缩放圆模型的建构过程，让学生在反思建模中，感悟所用的思维方式与方法，理解模型适用的条件，运用模型解决实际问题，促进学生核心素养的发展。

一、创设问题情境，经历模型建构

问题是思维的源泉。通过情境问题，将知识内容转化为学习任务，形成驱动性任务，引导学生主动学习，在前概念基础上不断探究，进行知识建构。

[问题1]在磁感应强度为B的匀强磁场中的0点有一粒子源，能够向外发射质量为m、带电量为q(q<0)的带电粒子(不计重力)以速度v垂直进入磁场(如图1所示)，请画出粒子在磁场中的运动轨迹。

[问题2]保持粒子入射方向不变，改变速度大小请画出速度大小分别为2v₀，3v₀，4v₀，5v₀时，粒子的运动轨迹。

图1 图2

设计意图：在实际问题解决中，由于有的学生缺乏规范作图意识，不重视精准建模，漫无目的地试错，甚至不画粒子的运动轨迹，导致遇到稍微复杂点的问题往往不知从何入手。通过有效问题的导引，让学生经历利用尺规，规范作出带电粒子运动轨迹的过程，感悟确定轨迹圆圆心与半径的方法。以入射速度为v的粒子运动轨迹为基准，按照比例关系，准确画出其他几个轨迹圆(如图2所示)，培养学生规范作图的意识，引导准确建模。

二、感悟模型特点，理解模型条件

实际问题情境中的有界磁场形状各异，有的学生由于未能真正理解掌握模型本质，反被形状各异的边界所迷惑，导致遇到新情境问题时，无法将其转化为所学的经典物理模型进行分析、解决问题。让学生反思模型建构、就是让他们与正在学习的内容之间进行深入思考，建立一种紧密联系。只有这样，事物的本质才会显现，准确理解模型条件。

[问题3]观察、总结轨迹圆和圆心分布特点。

学生通过观察，总结轨迹圆和圆心分布特点：①轨迹圆内切于入射点；②圆心均分布在入射速度的垂线上；③入射速度增大，轨迹圆半径增大，但圆周运动的周期相同。学生在反思感悟中，理解模型条件--入射速度方向一定、大小各异。

三、运用变式问题，突出模型本质

通过设置多层次的变式问题，突出其中不变因素，有利于学生形成对问题多角度、全方位的认识，深刻理解模型本质。这需要学生清楚问题情境下他们已有的知识，并在问题情境中主动应用所掌握的知识，运用特定的程序和方法解决问题。

[问题4]如图3所示，若带电粒子与y轴成0角垂直射入匀强磁场后，从y轴射出磁场，求粒子在磁场中运动的时间。

图2 图4

从无界磁场变化为直线边界磁场，粒子与边界成一定夹角射入，分析解决问题的思路和方法还是定圆心、找半径、画轨迹。找到运动轨迹对应的圆心角，即可求得运动时间。进一步分析发现，无论粒子入射速度多大，只要是从同一边界进、出磁场的，运动轨迹对应的圆心角相等，运动时间也相同。

四、变化问题情境，深化模型本质

多样的问题情境，为学生搭建在具体情境中经历获取、选择、提取信息，解决新情境下的问题等认知过程的平台。常见的有界磁场有矩形、三角形、圆形等等(如图5所示)，学生在解决这些真实具体的问题过程，需要去除非本质属性的干扰--形状各异的边界，抓住模型本质--缩放圆模型，才能实现知识的有效迁移和应用。学生在将具体问题解决的过程，即可感悟到无论磁场边界是何形状，只要符合缩放圆模型条件的，即可将实际问题转换成对应的物理模型，通过分析推理，解决问题。

图5

五、灵活运用模型，解决真实问题

学习需要经历知识的获取、反思、感悟、理解、迁移和应用的过程，再次经历建构新的认识、反思、感悟，形成新的思路和方法的螺旋式上升地体验。学习活动中，教师要设计富有挑战性的问题情境，让学生保持与真实问题情境的持续互动，促进学生与经验知识的深层次交流，深刻理解事物本质。在理解中尝试应用，在应用中深化理解。

正如国际经济合作与发展组织在2005年遴选和界定核心素养时所明确指出的那样，核心素养是个体在面对复杂的、不确定的现实生活化情境时，表现出来的综合性品质。只有让我们的学生有着丰富的解决真实问题的经历和体悟，把握事物的本质，才能认识本质的多样表现、各种变化。在经历和体悟中，扩展与提升经验，将内化的知识外显化、操作化，将抽象的符号转化为具体的问题解决过程，实现从提高解题能力向提高解决问题能力的转变，促进学生核心素养的养成和发展。

参考文献

[1]程力，李勇. 基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J]. 中国考试，2019(12)：43.

[2]刘月霞，郭华. 深度学习：走向核心素养[M]. 北京：教育科学出版社，2018：101