浅谈核心素养视角下科学探究能力的培养
——以“探究安培力的大小”教学为例

顾梦婷 吕华平

(江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏 徐州 221116)

“安培力的大小”是人教版选修3-1第三章第4节“通电导线在磁场中受到的力”这一节中的教学内容，在《义务教育物理课程标准(2011年版)》中，对这一节的要求是：通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，知道力的方向与哪些因素有关.而在最新的《普通高中物理课程标准(2017年版)》中，对这一节的要求是：通过实验，认识安培力，能判断安培力的方向，会计算安培力的大小，了解安培力在生产生活中的应用.并指出可以利用电流天平等简易装置测量安培力.可见，“安培力的大小”这一内容的重要性有所提升.并且对于“安培力的大小”这一内容，在以往的教学中，大多数教师会基于课本内容进行理论分析，得出一般情况下安培力的计算公式.

基于新课改的教学理念，人教版选修3-1对于“安培力的大小”这一教学内容的编排有以下两点不足.其一，教材指出在学习“磁感应强度的大小”时，通过“探究影响通电导线受力的因素”这个实验，已经得到了“通电导线与磁场方向垂直时，导线所受安培力大小为F=ILB”这一结论.但事实上该实验为定性实验，是通过观察位于磁场中的导线摆动角度的大小来比较导线受力的大小，故而得出“安培力大小与电流强度、导线长度成正比”显然不妥，有失严谨性；其二，教材直接给出了“当磁感应强度B的方向与导线方向平行时，导线受力为零”这一结论，并未给出任何探究过程或解释.事实上，这是教师“传授知识，强调结果”的越位现象，显然不符合新课标倡导的自主性学习、体验性学习与研究性学习.

物理新课标指出物理核心素养包括：物理观念、科学探究、科学态度与责任、科学思维这4个方面.因此，为了契合新课标的理念以及使学生更深刻地理解和掌握“安培力的大小”这一教学内容，我们以培养学生科学探究能力为目标，设计了使用电子秤测量安培力，并结合实验探究结果进行理论分析的创新性教学方案.

1 实验原理与装置

1.1 实验原理

安培力的大小一般都较小，要精确测量具有一定的难度，因此可以利用电子秤测量安培力，从而可以精确到10-2～10-3N.将线圈放置在电子秤上，使其上边框导线处于匀强磁场区域内，打开电子秤，由于线圈对电子秤有压力，电子秤上会显示线圈的质量，将示数调零.再在线圈中通入电流，此时通电线圈对电子秤的压力大小即为线圈所受安培力的大小.且当安培力的方向向下时，电子秤上的示数为正值,如图1所示；当安培力的方向向上时，电子秤上的示数为负值,如图2所示.

图1 安培力方向向下时，电子秤示数为正值

图2 安培力方向向上时，电子秤示数为负值

1.2 实验装置

根据以上思路，设计了如图3所示的实验原理图，实物装置图如图4所示.

图3 实验原理图

图4 实物装置图

实验装置包括:(1)安培力演示仪,由电子秤、大号槽型磁铁、磁极固定架、线圈、刻度圆环组成.其中,电子秤精确度为0.1 g；大号槽型磁铁利用磁铁的两极提供匀强磁场；磁极固定架由透明亚克力板材制作而成，在磁极固定架上方放置磁铁，在磁极固定架内部放置电子秤；多匝线圈如图5所示，由0.3 mm的漆包线在长为6.5 cm、宽为3.5 cm的塑料矩形线圈骨架上绕制而成，分别为1个100匝线圈、2个200匝线圈、1个300匝线圈，可以通过改变线圈匝数来改变处于磁场中的导线长度，并沿线圈下边框固定一红色箭头来标示线圈上边框导线中的电流方向；刻度圆环如图6所示，以15°为单位，共360°，并用透明胶粘于电子秤的转盘下方，这样红色箭头在刻度圆环上所指的角度即电流方向与磁场方向之间的夹角；(2)电流表；(3)学生电源；(4)滑动变阻器；(5)显示屏,从电子秤上引出数据线到自制的显示屏上，把电子秤上的数据传输到显示屏上，方便学生观察电子秤上的数据.

图5 线圈

图6 刻度圆环

在实验中，可以通过调节滑动变阻器来改变线圈中的电流，通过改变线圈的匝数来改变在磁场中的导线长度，通过改变上边框导线与磁场的夹角来改变电流与磁场方向之间的夹角，从而达到改变安培力大小的目的.

2 科学探究

在课堂之初，教师首先引导学生进行猜想，安培力的大小与什么因素有关，学生根据第二节所学知识猜想安培力的大小与电流强度、导线长度等因素有关.

2.1 探究实验一：当磁场B与电流I垂直时 安培力的大小与电流I和导线长度L的关系

2.1.1 研究安培力与电流强度的关系

教师向学生提出问题：如何改变电路中电流的大小？学生进行思考后，各抒己见：通过调节滑动变阻器或通过改变电源电压大小，并且经过讨论分析后发现采用调节滑动变阻器来调节电流大小更为方便.通过学生的思考交流，不仅活跃了课堂氛围，而且培养了学生积极思考问题和合作交流的能力.

教师向学生呈现设计好的实验方案：将一个100匝线圈置于电子秤转盘中央且使线圈上边框导线中的电流方向与磁场方向垂直(如图7和图8所示)，并接入串联电路之中，闭合开关后，在保持磁感应强度B与导线长度L均不变的情况下，改变电路中电流I的大小若干次，观察并记录显示屏(即电子秤)上的示数.

图7 磁场方向与电流方向垂直示意图

图8 磁场方向与电流方向垂直实物图

接着，师生合作进行实验.值得注意的是，在连通电路之前需将电子秤上示数调零.在实验过程中，引导学生仔细观察实验现象，及时记录下实验数据.并且引导学生思考讨论安培力的大小与电子秤上示数之间的关系，最终得出结论.例如,当测得的示数为0.9 g时，意味着此时导线所受安培力的大小等于一个0.9 g的重物对电子秤的压力大小，即安培力的大小为9×10-3N.

对于记录下来的实验数据,如表1所示，教师请学生在坐标纸上进行描点、连线，并提出问题：安培力的大小与电流强度是什么关系？

表1 安培力与电流关系的研究数据统计

如图9所示，学生通过分析图像,得出结论：安培力的大小与电流强度I成正比.在这一过程中，提高了学生处理实验数据的能力和表达能力.

图9 安培力与电流关系的研究数据拟合图

2.1.2 研究安培力与导线长度的关系

对于如何研究安培力与导线长度的关系这一问题，教师给学生一定的思考时间，并在进行交流讨论后，设计得出较为完善的实验方案：在电路中分别接入或串联接入不同匝数的线圈，便可以改变位于磁场中的线圈上边框导线的长度，保持磁感应强度B与电流强度I为0.2 A不变，观察并记录显示屏(电子秤)上的示数.

记录数据后,如表2所示，教师给学生充足的时间进行数据处理(如图10所示)、思考交流，最终得出结论：安培力的大小与导线长度L成正比.

表2 安培力与导线长度关系的研究数据统计

图10 安培力与导线长度(匝数)关系的研究数据拟合图

2.2 探究实验二：当磁场B与电流I平行时 安培力的大小为零

教师提出问题：当磁场B与电流I平行时，安培力的大小为多少？引导学生进行猜想和假设.教师转动电子秤的转盘，使线圈上边框导线中的电流方向与磁场方向平行(如图11和图12所示)，闭合开关后，观察并记录显示屏(即电子秤)上示数为零.

图11 磁场方向与电流方向平行示意图

图12 磁场方向与电流方向平行实物图

学生思考后得出结论：当磁场B与电流I平行时，安培力的大小为零.

2.3 探究活动三：当磁场B与电流I成任意夹角θ时 安培力F∝sin θ

遵循从特殊到一般的研究思路，教师引导学生提出问题：当磁场B与电流I成任意夹角θ时，安培力的大小与夹角θ的关系是什么？如何通过实验探究安培力的大小与夹角θ的关系？

教师启发学生结合之前的探究经验，以小组为单位讨论设计出实验方案进行进一步探究.小组讨论完毕后，请各小组派出代表介绍本组的实验方案.最后结合各组的方案，最终得出最佳方案：保持磁感应强度B以及电流I为0.2 A不变，通过转动电子秤的转盘来改变线圈中电流方向与磁场方向之间的夹角，每隔15°观察并记录一次数据，直到360°为止.通过这一过程，不仅培养了学生的科学探究能力，而且提高了学生的合作意识和表达能力.

记录数据如表3所示，学生对实验数据进行分析处理.经过描点、连线后，学生在一片惊呼中发现，该图像就是正弦函数的图像,如图13所示.由此得出结论：安培力的大小与sinθ成正比.

表3 安培力与夹角关系的研究数据统计

综合以上3组探究实验，学生在教师的引导下经过讨论分析得出，安培力的计算公式即为F=ILBsinθ.并且值得注意的是，在进行3组探究实验的过程中，教师尽量给学生足够的时间思考实验中可能出现的问题，在学生得出实验数据后进一步引发学生的反思和质疑：实验结果的误差是由什么原因造成的？实验中有哪些地方值得改进？目的在于强调让学生在具体情境中像“科学家”一样主动参与，积极地发现问题、研究问题、解决问题.这样，不仅获取了知识，还发展了技能，培养了综合能力，形成了初步的物理核心素养.

图13 安培力与夹角关系的研究数据拟合图

3 理论分析

在实验探究完成之后，教师应趁热打铁从理论角度出发，运用“从特殊到一般”的科学方法带领学生重新研究安培力的大小.

教师向学生展示电流I与磁场B成θ角的示意图，提出问题：如何对位于磁场中的导线进行受力分析？给学生充足的时间进行思考与交流讨论.并引导学生类比力的正交分解，将同为矢量的磁感应强度B进行分解如图14所示，分解为垂直于导线的分量B⊥和平行于导线的分量B‖.

图14 B与导线夹角为θ时B的分解示意图

结合刚才探究实验一和二的结论，学生在思考后发现，当导线处于B⊥这个磁场中时，导线所受的安培力为F=ILB⊥，即ILBsinθ；当导线处于B‖这个磁场中时，导线所受的安培力为零.

最后，根据合力是分力的等效替换，学生通过计算得出导线所受的合力F为ILBsinθ.这与实验探究的结果相一致.

4 教学效果

4.1 培养学生的问题意识

爱因斯坦曾说过：提出一个问题往往比解决一个问题更重要.教师要善于引导学生在观察后有所发现，萌发出有价值的物理问题.如当连通电路后，学生观察到电子秤上有示数时，教师要善于引导学生思考电子秤上的示数与安培力大小之间的关系.教师还可以在创设一些任务后，如在探究完电流与磁场平行时安培力为多少以后，随即让学生运用科学思维，提炼出接下来要探究的问题，即电流与磁场成任意夹角时，安培力又为多少.通过鼓励学生大胆提问、学会提问，可以提高学生学习的兴趣和主动性，也为进一步开展科学探究奠定了基础.

4.2 培养学生的探究能力

教师要尽量将课堂交还给学生，以一个探究者的身份参与到活动中去，在重要环节可以进行适当提示，培养学生分析问题的能力.例如，在探究安培力的大小时，可以提出以下问题进行引导：安培力的大小与什么因素有关呢？如何通过实验测出这些因素对安培力的影响？怎样改变电路中电流的大小呢？如何对实验数据进行处理呢？等等.但不要急于干涉学生的探究活动.教师可以在学生思考、交流时进行观察，去倾听学生的问题和想法，教授学生一些科学思维和研究方法，例如：控制变量法、等效替代法等，真正做到“授渔”而非“授鱼”.在教师适当的引导下，通过分步探究，步步深入，可以让学生像科学家做研究一样去经历探索和发现的过程，思维也经历了由浅入深、由表及里的深化过程.

4.3 培养学生的小组合作精神

在探究活动中，学生往往会基于自己的知识与经验来建构对事物的理解.但是由于每个学生已有的经验、知识背景、思考问题的角度不同，因此对事物的理解和解决方式也会不尽相同，例如，对于“如何探究当磁场B与电流I成θ角时，安培力的大小与夹角θ的关系”这个问题，每个学生会对实验方案有不同的想法，有的学生认为可以转动线圈来改变B与I之间的夹角，也有学生认为可以转动磁铁来改变夹角.此时教师如果引导学生进行小组合作与交流，就可以使学生取长补短，制定出更为完善、更为有效方便的实验方案.这样不仅提高了学生的交流表达能力，也可以培养学生的小组合作意识.

4.4 培养学生的创新能力

在学习“安培力的大小”这一节时，在实验探究后，再从理论角度出发，通过“由特殊到一般”的科学研究方法，将导线放置于特殊的磁场(与导线垂直或平行的磁场)中进行受力分析.最后运用合力是分力的等效替换这一结论，从而得出导线所受的合力，也即一般情况下安培力的计算公式.在这一过程中，引导学生使用探究实验一和二的结果进行进一步的理论分析，从而得出与实验探究相一致的结果.通过这一探究过程，让学生在思维上碰撞出了智慧与创新的火花，这样不仅培养了学生的科学探究能力，还培养了学生的创新能力.

5 教学反思

科学探究的7个步骤是：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与搜集数据、分析与论证、评估、交流与合作.为了培养学生科学探究的习惯，在日常教学活动中，教师要善于挖掘和提高学生的科学探究能力.正如在“安培力的大小”这一教学内容中，通过使用电子秤测量安培力，并结合实验探究结果进行理论分析的创新性教学方案，我们将培养学生科学探究能力的任务完美地融入到教学之中，培养了学生的问题意识、探究能力、小组合作精神以及创新能力.此外，通过让学生经历探究的过程，不仅培养了学生的科学思维，还激发了学生对物理学科的兴趣，从而产生从“要我学”到“我要学”以及从“学会”到“会学”的转变，使学生的物理核心素养得到了提升.