基于“问题教学法”提升物理核心素养的教学设计研究——以《磁场对运动电荷的作用力》为例

基于“问题教学法”提升物理核心素养的教学设计研究——以《磁场对运动电荷的作用力》为例

曹娜  庞礼军

贵州师范大学物理与电子科学学院  贵州贵阳  550025

摘    要：问题教学法以问题为主线，以解决问题为核心。教师通过问题引导，层层递进地开展课堂教学，从而提高课堂教学效率，打造高效课堂，提升学生的物理核心素养。

关键词：问题教学法；物理；核心素养；教学；设计

1.引言

在2017年颁布的《普通高中物理课程标准（2017版）》中，核心素养被凝练为物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四方面[1]。《磁场对运动电荷的作用力》在课程标准中的内容要求：“通过实验，认识洛伦兹力；能判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小”。学业要求：“能分析带电粒子在磁场中运动的问题”。

2.教学设计目标探讨

在《磁场对运动电荷的作用力》的教学中，让学生知道什么是洛伦兹力，并且会判断洛伦兹力的方向。通过推导洛伦兹力，培养学生严密的逻辑推理能力；在对安培力微观本质的探究过程中，培养学生的科学猜想能力；在宏观现象推导微观机制的过程中，使学生学会分析洛伦兹力方向及大小的方法，提升观察、分析、推理的能力。

3.教学过程

3.1视觉直观，引发兴趣

通过问题串，引导学生，开启思维。

【问题串1】通过多媒体播放极光视频。这种美景是怎么形成的呢？

【问题串2】之前学习了磁场对电流的作用力。如图1所示，导体棒所受的安培力的方向、大小如何判定？若将导体棒逆时针旋转，安培力的大小和方向又如何？如图2所示，若电子以速度垂直射入磁场，是否会受到磁场力的作用？

图1   判断安培力             图2  判断是否受磁场力

3.2新课教学，思维加工

教师引导学生设计实验，验证洛伦兹力，并介绍阴极射线管实验原理。

【问题串3】如何利用阴极射线管设计实验证实猜想？

利用条形磁铁在阴极射线管的周围加一个磁场，并由学生进行实验演示。

在没有外磁场时，电子束沿直线运动；当蹄形磁铁靠近电子射线管时，发现电子束运动轨迹发生了偏转。

【问题串4】电子束的直线运动和偏转说明了什么？

这说明磁场对运动电荷有力的作用。引出洛伦兹力的定义，并介绍物理学家洛伦兹。

【问题串5】如图3所示，运动电荷在磁场中受到了洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？

进行实验演示。

【问题串6】安培力与洛伦兹力有什么关系？怎么样确立、、的关系呢？

学生讨论、师生共同总结后归纳得出左手定则。

电流是由定向移动的电荷所形成的。安培力是通电导线在磁场中受的力，是作用在运动电荷上的力（洛伦兹力）的宏观表现。在高中阶段判断力均用左手。随后再与学生共同归纳总结洛伦兹力的左手定则，并且强调运动电荷为负电荷时，4指指向负电荷运动的反方向。最后进行巩固练习。

既然安培力是洛伦兹力的合力，就可以用安培力公式推导洛伦兹力公式。

建立模型：设有一段长度为的通电导线，横截面积为，导线每单位体积内含有的自由电荷数为，粒子的电荷量记为，定向移动的平均速率为，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为的磁场中。

【问题串7】要求同学们写出电流的微观表达式、这段导线所受的安培力、这段导线总自由电荷数、每个自由电荷所受的洛伦兹力。

由一名学生上台在黑板上推导，得到洛伦兹力的公式，并且强调条件为。

【问题串8】思考若与不垂直，如何计算洛伦兹力大小？引导学生类比安培力。

将速度分解到平行于磁场与垂直于磁场的两个方向，得到。

介绍电视显像管的原理及构造。

【问题串9】如图4所示，要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？

         图3   判断洛伦兹力方向         图4  显像管原理示意图（俯视图）

3.3学会归纳，总结提升

【问题串10】请学生总结本节课所学的知识，并在总结后进行点评。

3.4解决问题，学以致用

学生分组讨论，解答极光形成的原因。

4.总结

在课堂教学中，教师通过问题串，可以引导学生去探索生活中的物理现象，主动参与到物理课堂之中，逐步提升合作交流的能力与科学分析问题的能力，培养物理核心素养，提高课堂的教学效率。

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]杨利球．以问题为导向构建高效物理课堂[J].中学物理教学参考，2015，44（06）：7-8