运用“NB物理实验”软件，提升学科核心素养——以“带电粒子在匀强磁场中的运动”的教学设计为例

乐露露 元 瑶 廖湘萍* 王诗龙

（1.湖南工业大学理学院，湖南 株洲 412007；2.株洲市八中，湖南 株洲 412000）

当前基础教育理论伴随着信息化建设水平的不断更新与提高，对中学物理教学相应也提出了更高的要求：物理课程要始终以提升学生的物理核心素养为目标，并且作为一门以实验为依托的基础性学科，提倡让学生在充分经历科学探究的过程中学习科学研究方法，锻炼实践能力和创新能力，养成科学态度与精神.［1］因此，教师在物理教学的过程中，既要重视培养学生的能力，又要注重信息技术与课堂融合以提高教学质量.虚拟仿真实验是一种新兴实验手段，能为我们的物理实验教学提供新的选择，也是教育信息化服务于教学的重要应用.笔者以“带电粒子在匀强磁场中的运动”教学设计为例，探讨如何运用“NB物理实验”仿真软件，优化课堂教学，提升学生核心素养.

1 “NB物理实验”软件的特点

NOBOOK虚拟实验软件（NB物理实验）中包含力、热、电、磁、光和声学6个独立应用APP，是专门为初高中教师打造的物理实验操作与演示工具.其优点在于：学生可自主在平台上设计实验探究方案；能任意选择并组装相应实验仪器、不受实验步骤限制地完成实验并记录实验数据与结果；不受时空限制，充分利用碎片化时间自主学习，以达到加深对实验的理解，提高实验教学效率的目的.虚拟仿真实验运用于教学之中的形式多样，需要教师根据多角度多因素来精心设计.

2 教学设计

笔者选择以最新高中物理教材选择性必修2“带电粒子在匀强磁场中的运动”为例，融合仿真实验辅助教学，以提升学生的学科核心素养.仔细研读新教材后，制定如图1所示的课堂教学流程.

图1 课堂教学流程图

2.1 情景引入

（1）情景引入，激趣设疑.

教师播放一段我国最北部漠河上空的北极光短视频，提问“同学们知道极具炫目的极光现象是怎样形成的吗？极光的运动轨迹为什么是曲线呢？在我们株洲上空怎么就没有？”（由于太阳风暴粒子被地球磁场捕获，与地球大气摩擦碰撞发光而形成，指出带电粒子的运动情况与它所受到的力有关），由此抛出今天的课题.

（2）回顾旧知，形成物理观念.

让学生回顾：什么是洛伦兹力？怎样确定它的方向和大小？然后启迪学生思考：在洛伦兹力作用下，带电粒子在匀强磁场中究竟会做什么性质的运动？教师试探性地提问：做匀速直线运动还是曲线运动？平抛运动还是匀速圆周运动？（粒子考虑重力／不考虑重力、垂直入射／平行入射）不管学生做怎样回答，都立即追加他所判断的依据：为什么呢？步步引导学生，直到他们有理有据、相对完整的阐述自己的观点.

设计意图：（1）通过播放实际生活中的漠河极光短视频为学生创设一个良好的物理情境，以调动他们主动参与课堂新知探究的积极性；再通过不断启发式的提问与质疑为学生开启思考按键，培养学生利用初步建立起来的磁场、运动电荷以及相互作用等物理观念，从物理学视觉角度解释自然现象的意识.［2］

（2）复习巩固上一节课的知识：启发学生从已有的知识（运动的粒子在磁场中受到“洛伦兹力”）进入本节课的研究：这个“力”对带电粒子在匀强磁场中运动的影响.使学生明白两节课之间的内在联系，一举突破（不计重力）垂直入射的带电粒子为什么会做匀速圆周运动的难点.

2.2 实验探究

（1）科学推理，抛出问题.

经过刚才学生们的推理与假设，多数认为：“若忽略重力，带电粒子垂直入射某一匀强磁场，依据左手定则，洛伦兹力方向始终与粒子速度方向垂直，这个力将永不做功，只改变速度方向而不改变速度大小，做匀速圆周运动.

关于运动性质的猜想是否正确，需要实验验证.

此时，教师用PPT展示洛伦兹力演示仪，结合书本内容，向学生简单地介绍仪器的基本结构、功能和工作原理，并请他们思考：若粒子运动确如猜想的一样，哪些因素可改变它运动轨迹半径r的大小？

（2）提出猜想，作出假设.

学生：仔细观察演示仪，认真思考与分析，组内交流与讨论，踊跃回答问题.

学生1：改变加速电压U的大小.

学生2：改变励磁电流I的大小.

（3）设计方案，探究验证.

学生“虚拟探究”验证：教师打开“NB物理实验”，找到对应的洛伦兹力演示仪，并简要介绍软件的操作方法，鼓励学生代表上台动手亲自操作.改变不同的参数，一一验证刚刚同学们的猜想，检验其正确与否.

演示1.学生使用NB物理实验软件进行虚拟演示操作验证自己的猜想.

实验现象：明显看出，① 电子在没有外加磁场作用时运动轨迹是一条直线；② 电子在加上某一匀强磁场之后的运动轨迹是一个圆形；③ 电压越大轨迹圆越大，电流越大轨迹圆越小.

图2 虚拟洛伦兹力演示仪

教师“真实实验”证实：再次验证学生对于运动轨迹的猜想.

演示2.教师利用真实的洛伦兹力演示仪进行操作（图3）.

图3 真实洛伦兹力演示仪

“虚拟探究”和“真实实验”结果一致.

（4）理论分析，总结归纳.

洛伦兹力提供向心力，粒子在平面内做匀速圆周运动.通过上面的实验探究，尝试让学生归纳总结，教师完善补充.

结论：增大或减小加速电压U以及励磁电流I都会影响粒子运动的半径r.其实质是：加速电压和励磁电流的改变分别引起粒子速度v和磁感应强度B的变化，导致运动半径的改变.

设计意图：笔者改变传统教学模式，将一般演示实验改为学生虚拟探究实验+教师真实验证实验，不仅为学生提供了自主动手操作的机会，同时也增强了知识的直观性和实验的信服力.让学生在历经猜想、设计方案、实验探究和验证、归纳总结的过程中，提升科学探究能力，从而更好地掌握物理概念及规律.

2.3 理论深究

匀强磁场B中，一电荷量为q，质量为m的带电粒子以速度v垂直射入，不计重力，分别求出粒子做圆周运动的半径r以及周期T.

说明：（1）从推导出的公式，发现影响带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动轨迹半径r的因素除了速度v、磁感应强度B外，其实还与另一个因素荷质比有关.刚才的实验无法体现，是因为同一个洛伦兹力演示仪它发射的粒子比荷是确定的.粒子运动速度v和荷质比属于内因，磁感应强度B属于外因.

（2）影响运动周期T的因素有：荷质比、磁感应强度B，与运动速度v无关.

然后，教师打开“NB物理实验”软件，模拟带电粒子在匀强磁场中的运动情况，显示粒子在圆周运动时的洛伦兹力、加速度、速度大小参数，如图4-6所示.

图4 虚拟仿真演示实验：带电粒子进入匀强磁场中界面参数设置

图5 带电粒子以不同的速度进入磁场

图6 带电粒子以不同的角度进入有界磁场

设计意图：（1）利用虚拟实验演示带电粒子的运动情况，学生能非常直观动态地“看到”洛伦兹力总是与速度垂直，有效克服思维定势对学习的影响；（2）拓展在有界磁场中，带电粒子以不同的角度进入磁场，加强学生关于带电粒子运动规律的感性认识；（3）引导学生从几何圆的知识寻找圆心位置，最后确定带电粒子在磁场做圆周运动所用的时间t.

2.4 真题探源，核心素养聚焦

笔者以一道经典例题为引子，来强化学生对所学原理和规律的掌握程度.

例题.如图7所示，x轴下方存在一匀强磁场B.P是y轴上与原点相距为h的点，N0是x轴上与原点相距为a的点.A是一块距离x轴的平行挡板，板长度略小于，板中点交于y轴.若带电粒子与挡板A碰撞前后，x方向速度不变，y方向速度反向、大小不变.［3］一质量为m，电荷量为+q的粒子沿PN0方向入射，最后又回到P点.求粒子入射速度的所有可能值（不计重力）.

图7

素养聚焦：本道例题通过在有界磁场中带电粒子的运动考查物理观念中的运动观念，① 需要学生通过逆向思维推理粒子射出磁场的速度方向、碰撞挡板前后的速度方向；② 结合数学几何知识，确定粒子匀速圆周运动的圆心位置及半径大小；③ 依据粒子和板碰撞的次数，分析在磁场中圆弧轨迹对应的弦长变化关系，考查学生的动态思维能力；④ 强化学生解题素质（图9），让他们得到高层次的提高.

图9 解题的基本素质

图8 解析图

解析过程（如表1）.

表1

设计意图：通过对例题的精心设计和具体实施，引导学生对基础知识和基本物理过程做不断深入思考与领悟、总结与迁移，让学生有解决其它异类情境问题的能力.

3 案例特色与思考

（1）以情景为依托、“问题”为主线，培养学生科学思维能力.［4］课堂从引入“极光”开始，一个良好的物理情景可以使每一位学生积极地参与到课堂上来.然后以开放式的题目、启发式的提问为学生们提供充足自主探究的机会，拓展他们的思维空间，同时实现师生间的有效互动.

（2）重视实验教学，让学生在历经科学的自主探究过程中加强感性认识.在探讨影响粒子轨道半径因素的教学过程中，一改传统的教学模式，将演示实验改为学生虚拟探究实验、教师真实验证实验相结合的模式.在教师的指导下，学生大胆猜想、积极思考，然后应用“NB物理实验”仿真软件，进行科学探究，充分发挥学生的主体地位；然后通过教师真实实验的演示巩固和强化，虚实融合，丰富学生的感官体验.

（3）培养探究和解决物理问题的科学方法，形成科学的理念.物理除了基本概念和规律的教学外，还需要有适当的习题教学以提高学生的解题技巧和解题素质.让学生在科学理念的指导下，把握联系，看清本质.

（4）本节课容量较大.首先，要学生突破对垂直入射某一匀强磁场的带电粒子做匀速圆周运动这一知识难点的理解.然后，能推导出运动基本规律公式；还要求学生能根据对称性、几何关系能找到圆心位置.最后，笔者所挑选的例题属于高考原题，有一定代表性和难度，想要达到一个较为理想的教学效果，还需进一步地实践与改进.

4 结论

本文以“带电粒子在匀强磁场中的运动”教学设计为例，运用“NB物理实验”仿真软件，使虚拟探究实验与真实实验相融合，让学生历经提出猜想—设计方案—实验探究和验证—归纳总结—理论升华的过程，提升科学探究能力，实现在物理课堂教学中更好地培育和提升学生核心素养.