物理核心素养

核心素养理念下物理教学实践—基于洛伦兹力作用下匀速圆周运动教学句容市实验高级中学孙冬何为核心素养？•“素养”最初涵义是指基本的修养，包括由训练和实践而获得的技巧或能力，具体指个体平时修养而成的知识、能力、品德、观念、方法等。•国际经济合作与发展组织（OECD）广邀学者自1997年至2005年进行了为期近九年的“素养的界定与选择”专题研究。研究指出，素养是对知识、能力、态度的统整，是个体在与情境的长期互动中逐渐生成的。凸显了情感、态度、价值观的重要性，强调了人的反省思考及行动与学习。高中物理核心素养物理观念：物质观、运动观、能量观、相互作用观及应用科学思维：模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新科学探究：问题、证据、解释、交流科学态度与责任：科学本质、科学态度、科学伦理、STSE1、物理观念教学片断1：师：关于场，已经学过了重力场、电场、磁场，现在我们一起讨论带电粒子在只有一个场中的运动情况。如图1所示A、B、C都做什么运动（用带有箭头的力线分别表示重力场、电场、磁场）A重力场B电场C磁场学生1：当带电小球初速度为0时，重力场做自由落体运动、电场中做初速度为0匀加速直线运动、在磁场中处于静止状态。师：很好！若有初速度而且速度方向与场方向同向或反向又做什么运动？学生2：在重力场中做竖直上抛或竖直下抛、电场中做匀加速或匀减速运动、在磁场中……让我想一想，根据对称性应该和电场一样……学生3：（补充）不对，应该做匀速直线运动，因为速度方向与磁场方向平行受力为0。师：很好！我们不能随便迁移，做什么运动还是从受力入手，这是正常物理思维。那么如果有初速度而且方向与场方向竖直，他们又做什么运动？学生4：（很快回答）在重力场做平抛运动，在电场做类平抛运动，在磁场中也应该做平抛运动如图2（学生定势思维再一次曝露出来）。师：（用目光扫视教室一周）平抛运动的条件是什么？学生5：有初速度且垂直于恒定的合外力。师：对的，那我们不妨来考察一下磁场中运动轨迹（如图根据左手定则洛伦兹力垂直纸面向里，转化成俯视图，请一位学生来画轨迹图，如图所示画好后），当运动到位置2画受力图。学生6：（画好后顿悟）不是做类平抛，应该做匀速圆周运动。师：反问：做匀速圆周运动吗？请一个同学回顾匀速圆周运动的条件是什么？学生7：速度大小不变，且方向垂直于大小不变，方向始终指向圆心的合外力。师：考察一下满足条件吗？学生8：可能是匀速圆周运动，因为洛伦兹力方向始终垂直于速度，所以洛伦兹力始终不做功，速度大小不变，根据洛伦兹力的公式可知洛伦兹力也不变。但方向会不会始终指向圆心？师：那怎么办？学生9：实验，实验……（也许他们已经看到我带着实验仪器进入教室，有点按耐不住了，而且非常希望揭开“谜底”）学生最容易混淆的“类平抛和匀速圆周运动”物理概念，是属于物质运动和相互作用、能量基本认识。通过实验证明：只有洛伦兹力下做匀速圆周运动。经过学生交流讨论使物理观念更清晰化，让学生明白满足什么条件做什么样的运动。而如果教师对这部分教材处理只给结论，不关注物理观念建立和形成过程，学生就会产生“洛伦兹力就做圆周运动，初速度与力垂直就做类平抛”的错误观念。建构主义认为“教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者；学生要从外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者”。2、科学探究与科学思维教学片断2：师：通过实验证明轨迹是圆形，可以说明：只有在磁场中速度方向与磁场方向垂直时带电粒子做匀速圆周运动。那么匀速圆周运动我们最关注是什么？学生1：圆的半径和运动的时间（即周期）。师：很好，先猜想一下圆的半径跟什么有关？学生2：可能与质量有关，因为质量越大惯性也越大，运动方向不容易改变所以半径越大。学生3：可能与粒子速度有关，因为速度越大，运动方向不容易改变所以半径越大（和车转弯的道理一样）。学生4：可能与磁场强度有关，因为磁感应强度越大，洛伦兹力也越大，运动方向很容易被改变，所以半径越小学生5：可能与带电粒子电量有关，因为电量越大，洛伦兹力也越大，运动方向很容易被改变，所以半径越小。师：同学讲非常好，我们通过实验一一验证，半径可能和四个量有关，用控制变量法，但由于电子枪只能发射电子，所以电量和质量都没办法改变，实验只能控制速度和磁感应强度。实验3：保持速度（加速电压为120V），改变磁感应强度（改变螺旋管电流），观察到现象：磁感应强度（电流越大）半径越小，相反半径越大；如图.怎么测量半径呢？学生6：用手机在同一位置依次拍下不同电压或不同磁感应强度时的图片，测量半径时从轨迹宽度中点测量开始。老师：很好，请两位同学进行操作。实验4：保持磁感应强度不变（改变螺旋管电流1.0A不变），改变速度大小（改变加速电压），观察到现象：速度越大半径越大，相反半径越小；如图。螺旋管内部磁场近似匀强磁场、发射粒子速度近似相等，测量半径时从轨迹宽度中点测量开始（化带状为线状），这反映理想化思维，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；通过学生对匀速圆周运动的半径决定因素条件交流讨论，培养学生科学推理思维，即演绎推理、归纳推理、类比推理。通过对圆周运动的半径决定因素条件讨论交流，提出猜测和假设，用控制变量法方法获取数据，列表和作图方法处理数据，最后形成结论。特别是学生对误差分析和实验不足的分析交流讨论，可养成对实验过程和结果进行交流、评估、反思的能力，既体现教学开放性理念，又体现科学探究的核心素养。3、科学态度与社会责任片断3：老师：自从汤姆生发现电子，微观从此被打门，人们要用能量很高的带电粒子去轰击原子核，来观察它们的变化情况，怎样才能在实验室里产生高能量的带电粒子呢?怎样才能获得更大能量？学生1：由一个电容器加速获得高能量的带电粒子如图7甲，要获得更大能量用多个电容器连续加速图7乙。老师：实验表明：直线加速器能量只能被加速到4×104eV的能量，能量是有限的，而且需要很大空间，怎么解决？学生2：可以将图7乙首尾连起来做成圆形，在外加一个垂直纸面的匀强磁场，让带电粒子处于加速和偏转交替进行的状态，原理如图7丙所示，从而减小了加速器的占有空间长度，节约空间，能量得到有效提高。学生3：加速电场不用那么多，一个就够如图7丁所示，粒子每转一周就得到一次加速。学生4：同学3设计方式很简洁，节约材料，但问题是：每转一圈电场方向改变一次，如何解决？能否人为控制？况且随着速度增加半径也在增大，加速电场工艺怎么做？老师：说的很好，这个问题美国物理学家劳伦斯制作回旋加速器如图戊，因为周期与速度无关，通过同步方式解决改变电场方向。由于劳伦斯制作回旋加速器贡献获得诺贝尔奖。但是随加速能量运动粒子速度接近光速时，同步被打破，怎么办呢？这时人类开始思考直线型优越性。不管从直线加速器演变到回旋加速器最后又重新思考直线加速器价值，还是从简单到复杂再到简单加速器演变过程，无不体现人类探索自然经历艰辛、曲折的漫长过程，这需要勇于探索自然内在动力和热情，更体现人类敢于质疑、和善于反思的创新精神。学生只有参与感受、理解知识产生和发展的过程，才能更好地形成科学态度与责任。教师在物理课堂教学过程中应该多创设开放式、多元化的学习环境，这样学习环境才能突出学生为主体的平等对话和知识建构，突出学生积极独立思考、形成批判性和创造性思维，才能培养团队协作、共同探究、实事求是的科学素养，培养有责任和担当的人才，从而达到践行物理核心素养理念，实现对人的价值的体现和唤醒。谢谢各位！