以洛伦兹力演示实验为例谈科学探究素养的培养

在高中物理《带电粒子在匀强磁场中的运动》一节的教学中，教师通常都会使用洛伦兹力演示仪来演示粒子的轨迹变化。为了使玻璃泡中的电子束清晰可见，一般会用一个木盒子装起来，形成暗房效果。但这也造成很大的视觉盲区，除了靠近器材正前方的学生能够清楚看到实验现象之外，两侧很多学生无法观察到现象。另外，操作面板较小，后排的学生根本看不清上面的字，前排的学生虽然能看到，但只要教师有手势操作，也很容易造成遮挡，很大程度上影响了学生的观察和体验。另外，磁场是抽象的概念，磁场线的不可见也导致学生很难直观地理解其分布情况。笔者通过信息技术、互动平台等多技术融合实验的深度应用，增加实验的互动性和探究性，培养学生的科学探究素养。

一、一体化互动教学平台的优势

目前比较普及的针对信息化教学而设计的一体化互动教学平台是希沃白板5（以下简称“平台”或“一体化平台”）。首先，高中物理实验教学强调直观性、互动性和实践性。物理实验往往涉及复杂的物理现象和过程，一体化平台以其强大的多媒体展示功能，将抽象的物理概念、复杂的实验过程以直观、生动的形式呈现出来，降低了学生的理解难度。同时，互动平台的交互性使学生能够有效参与实验教学，通过拖拽、标注、讨论等方式与教师和其他同学进行互动，提高了学习的积极性和参与度。其次，高中物理实验教学需要丰富的教学资源和多样化的教学手段。一体化平台内置了丰富的教学资源库，涵盖了物理实验教学的各个方面，为教师备课和学生自学提供了极大的便利。再者，一体化平台通过提供模拟实验环境、实时反馈机制等功能，为学生提供了更多的实践机会和创新空间。学生可以在互动平台上进行仿真实验操作、设计实验方案、分析实验数据等，这些活动不仅锻炼了学生的动手能力，还培养了学生的创新思维及解决问题能力。

在实际教学中，通过利用互动白板平台，每位学生都能积极参与实验的每一个过程，无论是实验设计、数据采集还是结果分析，每个环节都不再是单向的知识传授，而是变成了一个多方参与、互动交流的过程。

平台的“手机投屏”功能可以实时把手机拍摄的视频投放到白板上，让学生能够看到放大效果的实验演示。另外，平台的学科工具界面简洁，仿真实验操作指向性清晰简单，并且具有磁场线的可视化这一绝对优势。除此之外，利用平台中的仿真实验工具进行演示，比传统的洛伦兹力演示仪在配置成本、场地限制、参与方式、观察视角、可探究性等方面均有明显优势。

仿真实验利用虚拟现实技术，通过计算机模拟实验环境和过程，为学生提供一个安全、无风险且资源丰富的实验平台。仿真实验不受时间和空间的限制，学生可以随时随地进行实验，还可以通过模拟复杂或危险的实验场景，拓展实验教学的广度和深度。然而，仿真实验也存在着沉浸感不足、交互性有限等问题。因此，整合传统实验与仿真实验，将两者有机融合，是优化实验教学内容与流程的有效途径。

二、一体化平台改进演示实验教学的具体实践

针对传统演示实验的存在问题，教师可以借助一体化平台丰富的功能，改进洛伦兹力演示实验，培养学生的科学探究能力。

在教学过程中，教师关键要做到“留白”。首先只做基础性的、简单的操作演示，让学生能观察到带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，但不做详细的操作和解说，进而引导学生借助仿真实验，按照PTA量表开展探究活动：提出问题，猜想假设，设计实验，实施实验，分析论证，交流合作，师生总结。

改进意图：增加学生参与感、体验感，加强探究性。

改进优点：深化实验教学，培养学生科学探究素养。

1.提出问题

（1）带电粒子为什么会做匀速圆周运动？（2）带电粒子做圆周运动的半径跟什么因素有关？

2.猜想假设

猜想与假设既调动了学生的积极性，经过讨论之后明确实验的目的，避免盲目探究。全班学生分成10个小组，对第一个问题的看法基本一致：带电粒子在匀强磁场中，只受跟运动方向垂直的洛伦兹力作用，所以粒子做匀速圆周运动。而对于第二个问题，各小组在观察洛伦兹力演示仪的操作面板之后，会有不同的猜想，各组选派一名代表发表小组的想法。

甲小组：运动的半径跟偏转极电压、励磁电流有关，跟加速极电压无关。

乙小组：不对，运动的半径跟加速极电压、励磁电流有关，跟偏转极电压无关。

丙小组：都不对！我们小组一致认为运动的半径跟三者都有关，要不面板上怎么设置了三个旋钮？

3.设计实验

（1）探讨方案：各小组经过组内探讨后基本都能确定各自的实验方案。

（2）确定探究思路：多个小组能够形成“控制变量法”的思路，个别能力强的学生已经迅速地利用一体化平台把探究思路制作成思维导图，记录下来，准备进行探究。

4.实施实验

（1）学生经过尝试，发现带电粒子进入磁场的初速度大小由加速电压决定。磁场的强弱由励磁电流的大小决定。将励磁电流调为零，再将偏转极电压的选择开关扳到“上正”，可以观察到电子束向上偏转，这个是带电粒子在电场中的偏转，与本次主要探究目的无关。

（2）将偏转极电压归零，分别调节加速电压和励磁电流，观察粒子运动轨迹并做好记录。①保持加速电压一定，改变励磁电流的大小。可以观察到：励磁电流越大，也就是磁场越强，带电粒子做圆周运动的半径越小。②保持电流不变（即磁场不变），改变加速电压的大小。可以观察到：加速电压越大，也就是带电粒子进入磁场的初速度越大，运动半径越大。

5.分析论证

第一部分：在粒子速度方向跟磁场垂直时，运用控制变量法，分别探究粒子做圆周运动的半径变化情况与速度、磁场的关系。

结论：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。匀速圆周运动的半径与带电粒子的射出速度及磁感应强度有关：射出速度越大、磁感应强度越小，带电粒子运动半径越大；射出速度越小、磁感应强度越大，带电粒子运动半径越小。

第二部分是拓展：当粒子速度方向跟磁场不垂直时，粒子的运动轨迹有什么变化？

在实验中，调整“灯泡”的角度，当带电粒子射出的方向与磁场不垂直时，带电粒子的轨迹为螺旋状。

借助一体化平台的仿真实验功能把演示实验改为探究实验，不仅提高了学生的参与度，激发学生的兴趣，而且培养了学生的探究精神，提升学生的探究能力。教师在总结之后，鼓励学生在课后继续围绕洛伦兹力开展探究活动，自己动手制作演示洛伦兹力的简易实验器材。通过课后的活动，巩固课堂上所学的知识，让学生动手能力得到锻炼，科学探究能力进一步加强。

三、结语

在高中物理课堂上，一体化平台辅助演示实验甚至把演示实验改为探究性实验，解决了传统的教学方式中往往受限于实验设备、场地等问题，仿真实验不仅提高了实验的灵活性，也增加了实验的互动性，同时可以让学生更直观地观察物理现象，深入探究物理原理，增强对物理学科本质的理解，提升科学探究素养。

责任编辑 罗 峰