石 堯 陳清梅 邢紅軍

（1.首都師范大學(xué)物理系，北京 100048；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)部，北京 100102）

1 問題的提出

《中學(xué)物理教學(xué)參考》2012年第10期刊登了《物理教學(xué)中的概念精準(zhǔn)與邏輯嚴(yán)密——基于“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)的文本分析與教學(xué)建議》一文，作者對“人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理3-1》中“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)作了“概念精準(zhǔn)”和“邏輯嚴(yán)密”的相關(guān)考量，指出了教材中存在的問題，并在深入研究的基礎(chǔ)上，提出了寶貴的教學(xué)建議.然而，文章并沒有很好地解決磁感應(yīng)強(qiáng)度教學(xué)的邏輯問題.有鑒于此，本文就磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的引入提出不同見解并給出相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，希冀對磁感應(yīng)強(qiáng)度的教學(xué)有所裨益.

2 教學(xué)的邏輯

作者在文中指出：教材中磁感應(yīng)強(qiáng)度的引入存在邏輯上的混亂，同時提出應(yīng)該以比值定義法的科學(xué)性詮釋問題，這無疑是正確的.但接下來文章的詮釋卻又回到教材編寫的老路上——以安培力的公式為出發(fā)點(diǎn)，利用公式變形，間接得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式.［1］顯然，文章并沒有觸及到比值定義法的內(nèi)涵，同時也未能依據(jù)“概念精準(zhǔn)”和“邏輯嚴(yán)密”的考量解決教材的邏輯混亂問題.究其原因，可能還是未能真正把握比值定義法的核心思想與內(nèi)涵.

那么何謂比值定義法呢？比值定義法就是用兩個或多個物理量的比值來定義一個新的物理量，其核心思想是比較.在這里，比較的關(guān)鍵是選取相同的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橹挥羞x取相同的標(biāo)準(zhǔn)，比較的結(jié)果才有意義.因此，比值定義法采用兩個或多個物理量相比，事實(shí)上就是選取相同標(biāo)準(zhǔn)的一個基本手段.［2］如果不清楚這一點(diǎn)，就不可能明晰比值定義法的本質(zhì).接下來，我們立足于比值定義法的本質(zhì)，以一種高端備課的視野來進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計.

2.1 踏破鐵鞋無覓處：比較兩通電直導(dǎo)線在不同磁場中的受力情況

力作為高中物理學(xué)的重要概念，在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用，物理概念的建立往往以分析受力，比較受力為切入點(diǎn).因此，磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的教學(xué)就應(yīng)立足于“比較”導(dǎo)線受力“大小”這種樸素的動機(jī).由此，本節(jié)課的教學(xué)邏輯應(yīng)把“探究影響安培力大小的因素”思路轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨容^通電導(dǎo)線在磁場中受力”的思路，把研究方法由“控制變量法”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨戎刀x法”.我們認(rèn)為，這才是這節(jié)課教學(xué)設(shè)計的核心思想，亦可稱為創(chuàng)新.因?yàn)檫@既與學(xué)生日常經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知傾向相吻合，又符合比值定義法的核心思想.于是，磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的建立過程就在這一思想引領(lǐng)下展開.

據(jù)此，可以引導(dǎo)學(xué)生提出：通過直接比較通電導(dǎo)線在強(qiáng)弱磁場中的受力情況來判斷磁場的“強(qiáng)”“弱”，進(jìn)而得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式.因此，我們借用小說寫作的4個步驟：起因、經(jīng)過、高潮、結(jié)局，將“直接比較通電導(dǎo)線在不同磁場中的受力”作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，稱為“起因”.

首先，選用多塊規(guī)格不同的馬蹄形磁鐵來提供勻強(qiáng)磁場，把一段通電直導(dǎo)線作為試探物放入磁場中，發(fā)現(xiàn)其受到力的作用，進(jìn)而明確研究目標(biāo)：通過測量其受力大小來定義磁場的強(qiáng)弱.

教學(xué)步驟為：先在強(qiáng)磁場中放一長為0.2m、通電1A的直導(dǎo)線，所受磁場力為0.12N；后在弱磁場中置一長為0.1m、通電3A的直導(dǎo)線，所受磁場力為0.15N.結(jié)果表明：通電直導(dǎo)線在強(qiáng)磁場中受力小，在弱磁場中受力大！這顯然與學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)相矛盾，從而引發(fā)認(rèn)知沖突.

對此，教師引導(dǎo)學(xué)生分析：導(dǎo)致直接比較出現(xiàn)錯誤的根源在于沒有選取相同的標(biāo)準(zhǔn).于是，解決問題的方法就是在比較時選取相同的標(biāo)準(zhǔn).

2.2 山窮水盡疑無路：選取相同的標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)比較兩通電直導(dǎo)線的受力

為了使比較的結(jié)果有意義，需要把比較的標(biāo)準(zhǔn)變成一樣，即把相同長度，通以相同大小電流的長直導(dǎo)線置于強(qiáng)弱磁場中，這意味著將導(dǎo)線的長度及電流大小統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn).然而，這并非要對直導(dǎo)線進(jìn)行任何實(shí)質(zhì)上的變化，而是利用除法這一數(shù)學(xué)工具，用導(dǎo)線所受磁場力F除以電流強(qiáng)度I、導(dǎo)線長度L，使標(biāo)準(zhǔn)化為“單位長度并通以單位電流”.然后，得到比值就可以有效地進(jìn)行比較了.

這一比值為什么不同于“比較導(dǎo)線受力大小”的初衷？比值的含義是什么？這些問題在本環(huán)節(jié)均未得到解決.由此，我們把教學(xué)引入“高潮”.

2.3 柳暗花明又一村：詮釋比值的物理意義

在爾后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，選擇多組不同規(guī)格的直導(dǎo)線，比較它們在強(qiáng)弱磁場中受力，用來解答上述兩個問題并通過量化分析研究比值的內(nèi)涵，通電導(dǎo)線在磁場中受力測量與計算的結(jié)果如表1所示.

表1

研究發(fā)現(xiàn)，比值同通電導(dǎo)線受力并無關(guān)系！至此，研究思路發(fā)生了重大變化.原本我們是要比較在不同磁場中通電導(dǎo)線的受力大小，結(jié)果卻得到了一個與受力無關(guān)的常量.這一步的教學(xué)環(huán)節(jié)經(jīng)歷了研究結(jié)論從“山窮水盡疑無路”到“柳暗花明又一村”的變化，同時把研究帶入“高潮”.

2.4 人情練達(dá)即文章：聯(lián)系學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)理解比值定義法

與一般的陳述性知識不同，比值定義法是一種程序性知識，它涉及的不是物質(zhì)世界本身，而是人們認(rèn)識物質(zhì)世界的途徑與方法，具有高度的抽象性，學(xué)生對其理解會存在一定的困難.認(rèn)知同化理論也指出：新知識與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有經(jīng)驗(yàn)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致新舊知識的同化，才能形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu).［3］

有鑒于此，最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)就要聯(lián)系學(xué)生的日常經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對比值定義法的理解.教師可以舉出下面的例子.

當(dāng)今社會上網(wǎng)沖浪已融入人們的生活.對此網(wǎng)絡(luò)公司出臺了不同的包時形式：（1）40h512kB（即0.5MB）網(wǎng)速的50元；（2）50h1MB網(wǎng)速的75元，問哪種上網(wǎng)形式更經(jīng)濟(jì)合算？

對此，學(xué)生很容易理解，比較時要選取相同的標(biāo)準(zhǔn)，即比較一個小時一兆網(wǎng)速的價格.這樣，通過聯(lián)系學(xué)生的日常生活經(jīng)驗(yàn)，很好地契合了他們的認(rèn)知水平，促進(jìn)了其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成.可以說，該教學(xué)環(huán)節(jié)絕非畫蛇添足，而是起到了錦上添花的效果.同時也為我們的教學(xué)設(shè)計畫上了完滿的“句號”.

對于中學(xué)物理教學(xué)，不僅要讓學(xué)生“知其然”，更要“知其所以然”.正是在對比值定義法“知其所以然”的基礎(chǔ)上，我們展開了磁感應(yīng)強(qiáng)度概念教學(xué)的4個教學(xué)步驟的設(shè)計（如表2所示）.圖1是我們設(shè)計的教學(xué)流程圖.

表2

圖1

3 建議與啟示

3.1 厘清教學(xué)邏輯，促進(jìn)思維發(fā)展

中學(xué)物理教學(xué)兼顧傳授物理知識和發(fā)展學(xué)生思維的雙重任務(wù)，其中促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展需要把握教學(xué)的時空次序，即教學(xué)邏輯.因此，在教學(xué)中必須厘清比值定義法與磁感應(yīng)強(qiáng)度的內(nèi)在邏輯關(guān)系——以比較通電導(dǎo)線在不同磁場中的受力為突破口，利用比值的形式對比較的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，最終得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B的表達(dá)式.

在此后的教學(xué)設(shè)計中，我們正是遵循這一邏輯展開教學(xué)的，將整個教學(xué)脈絡(luò)呈現(xiàn)出來，從而為學(xué)生的思維發(fā)展找到合理的邏輯通道.

相比之下，教材由安培力F＝BIL經(jīng)一步變形便得出公式的方法則存在著邏輯上的迂回，過渡過于突兀.特別是對于“為什么要變形”這一核心問題語焉不詳，沒有揭示出數(shù)學(xué)技巧背后蘊(yùn)含的物理本質(zhì).這無疑將導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)識停留在對磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的死記硬背上，使學(xué)生的思維原地踏步、停滯不前.

3.2 打破原有平衡，形成認(rèn)知結(jié)構(gòu)

根據(jù)自組織理論，非平衡是有序之源，學(xué)生對物理概念的掌握是由于原有認(rèn)知平衡被打破，發(fā)生同化和順應(yīng)的結(jié)果.［4］在我們的教學(xué)設(shè)計中，從比較通電導(dǎo)線在磁場中的受力開始到最后以比值F IL的形式定義磁場的強(qiáng)弱，研究結(jié)果完全背離了研究的初衷.這就打破了學(xué)生思維原有的平衡狀態(tài)，從而將學(xué)生的大腦引入了非線性的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，激發(fā)了關(guān)于比值定義法的思考.

通過對大量信息的比較分析，最終使學(xué)生的大腦越過臨界區(qū)域，形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而完成對磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的掌握.與我們的教學(xué)設(shè)計不同，教材經(jīng)安培力公式變形得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式，顯然與學(xué)生司空見慣的數(shù)學(xué)運(yùn)算無異，根本無法引起認(rèn)知沖突.可以想象，這種簡單、直白的方式很難打破學(xué)生思維的平衡狀態(tài)，使學(xué)生的思維難以得到有效發(fā)展.

3.3 傳授科學(xué)方法，落實(shí)方法教育

科學(xué)方法既是教學(xué)邏輯的主線，也是獲取科學(xué)知識的主要途徑.因此，對于科學(xué)方法傳授不能僅僅停留在對名稱的記憶層面，而要把科學(xué)方法置于教學(xué)過程的中心，使學(xué)生能領(lǐng)悟到科學(xué)方法的內(nèi)涵及操作步驟.反觀教材在磁感應(yīng)強(qiáng)度教學(xué)的處理中，僅僅向?qū)W生列舉了相關(guān)知識和概念，并未將有關(guān)科學(xué)方法（即比值定義法）體現(xiàn)在概念的建立過程中.與之形成鮮明對比的是，我們立足于高端備課的視角，在充分洞察并顯化比值定義法內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以四步環(huán)節(jié)展開相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，脈絡(luò)清晰，環(huán)環(huán)相扣，生動地向?qū)W生展現(xiàn)了運(yùn)用比值定義法獲取磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的全部過程，從而使磁感應(yīng)強(qiáng)度的教學(xué)水到渠成.

1 朱建廉.物理教學(xué)中的概念精準(zhǔn)與邏輯嚴(yán)密——基于“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)的文本分析與教學(xué)建議［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2012（10）：21-23.

2 邢紅軍.按照比值定義法的本質(zhì)改進(jìn)高中物理概念的編寫［J］.物理教師，2004（4）：5-7.

3 陳琦，劉德儒.當(dāng)代教育心理學(xué) ［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.

4 邢紅軍.論教學(xué)過程的自組織轉(zhuǎn)變理論［J］.課程·教材·教法，2006（11）：27-33.