物理教学中的概念精准与逻辑严密，本文主要内容关键词为：精准论文,严密论文,逻辑论文,物理论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
作为教材的文本表述，若对其提出“概念的表述应该力求精准而深刻”和“逻辑的线索应该力求清晰而严密”的相应要求，这将会被认为是正当的和基础性的要求。在此认识的基础上，本文针对人教版普通高中课程标准实验教科书《物理3-1》中“磁感应强度”一节的相关文本，作所谓“概念精准”和“逻辑严密”的相关考量，指出其文本表述中所存在的若干值得深入探讨的问题，并针对相关问题的深入探讨而给出相应的教学处理建议，试图引起教材使用者们的必要关注，同时也奢望能够对教材建设起到一点积极的作用。
问题1：关于“作用力强弱”的概念表述问题
【文本片段1】巨大的电磁铁能吸起成吨的钢铁，实验室中的小磁铁却只能吸起几枚铁钉。磁体磁性的强弱，表现为它所产生的磁场对磁性物质和通电导线的作用力的强弱，也就是说，磁场有强弱之分。
【存在问题1】力是矢量，既有大小、又有方向。文本针对磁场对磁性物质和通电导线的作用力，既没有提及其“大小”、义没有提及其“方向”，给出的是另一种提法——“作用力的强弱”。于是便自然的派生出相应的问题；“作用力的强弱”是何意？“作用力的强弱”与“作用力的大小”是何种关系？与之类似的概念表述不够精准的问题是：“成吨的钢铁”和“几枚铁钉”究竟是“磁性物质”还是“铁磁性材料的物体”呢？另外，作为课题所阐述问题的引入文本，实际上还存在着如下问题：仅以“巨大的电磁铁”和“实验室中的小磁铁”作比较，只能表现出磁感应强度随着不同磁场源而改变的特征，不能表现出磁感应强度随同一磁场源中不同位置而改变的特征……
【教学处理1】鉴于对教材文本所存在问题的上述认识，建议在教学中作如下处理。
第一，考虑到教材并未针对“作用力的强弱”和“磁性物质”等概念给出定义，因此建议教学中针对相关概念提出质疑后作一般意义的理解，即“作用力的强弱”实际上应理解为“作用力的大小”；“磁性物质”实质上应该是“铁磁性材料的物体”。针对基本概念作如是较真的教学处理，无疑会对科学精神的培养、对思维品质的构建等产生积极的作用。
第二，设计演示实验而取代相应文本引入课题的功能：使磁性强弱不同的磁铁与铁钉相距同样的距离，进而比较不同磁铁对铁钉的作用力大小；使同一磁铁与铁钉相距不同的距离，进而比较同一磁场中不同位置处的铁钉所受作用力的大小。这样的两组对比性演示现象直观的表明：磁场有强弱之分；磁场的强弱与场源相关、与场中位置相关。
问题2：关于“试探物取舍”的逻辑推理问题
【文本片段2】人们很容易想到，把一枚可以转动的小磁针作为检验用的磁体放在磁场中的某一点，观察它的受力情况，由此来描述磁场……小磁针总有两个磁极……N极不能单独存在，因而不可能测量N极受力的大小，也就不可能确定磁感应强度的大小了……磁场除了对磁体有作用力，还对通电导线有作用力。能不能用很小一段通电导线来检验磁场的强弱呢？看来解决问题的办法还是有的！
【存在问题2】在检验磁场的强弱而定义磁感应强度时，我们选取了“试探电流”而舍弃了“试探磁极”。然而在试探物取舍之缘由的表述上，教材文本在逻辑上存在着如下所给出的一系列问题：N极不能单独存在吗？不是已经有了磁单极子存在的实验报道吗？测量N极受力的大小必须以其单独存在为必要的前提吗？不能测量N极受力的大小便不能确定磁感应强度的大小了吗？如果能够测量N极受力的大小便一定能够确定磁感应强度的大小了吗？如果说舍弃“试探磁极”是因为其不能单独存在，那么选取“试探电流”难道是因为其单独存在吗？如果说“试探磁极”不能单独存在，那么“试探电流”不是也不能单独存在吗？在“试探磁极”与“试探电流”间做出取舍，其根本的原因究竟是什么呢？……
【教学处理2】鉴于对教材文本所存在问题的上述认识，建议在教学中作如下处理。
第一，启发学生针对相应文本质疑，提出针对“试探磁极”与“试探电流”的取舍缘由的相应问题而组织学生讨论。针对教材文本而自觉的质疑，实际上是基于阅读的学习方式所应该关注的最为重要的内容，相应的教学处理也是旨在达成“教会学生阅读、教会学生学习”之目标。
第二，提出朴素的哲学观点：“欲要量化双方的作用，需先量化作用的双方”。指明针对“试探磁极”与“试探电流”的取舍缘由：不是因为“N极不能单独存在”和“不能测量N极受力的大小”，而是“试探磁极”未能量化而“试探电流”已被量化。事实上，即使我们能够测出“试探磁极”在磁场中某点处的受力大小，我们仍然无法确定该点处的磁感应强度。这就好像：若两个举重运动员分别举起两块未被量化的石头时，我们无法确定谁的力气更大；而若两个运动员分别举起两副已被量化了的杠铃时，我们就很容易判断谁应该得冠军。
问题3：关于“相关的因素”的实验探究问题
【文本片段3】探究影响通电导线受力的因素（教材图3.2-1），三块相同的蹄形磁铁并列放在桌上，可以认为磁极间的磁场是均匀的。将一根直导线水平悬挂在磁铁的两极间，导线的方向与磁感应强度的方向垂直。有电流通过时导线将摆动一个角度，通过摆动角度的大小可以比较导线受力的大小。分别接通“2，3”和“1，4”，可以改变导线通电部分的长度。电流由外部电路控制。先保持导线通电部分的长度不变，改变电流的大小；然后保持电流不变，改变导线通电部分的长度。观察这两个因素对导线受力的影响。
【存在问题3】一般的情况下，磁场对通电导线的作用力（安培力）的大小与四个因素相关，分别是：电流I、通电导线长度、磁感应强度B和通电导线与磁场方向间夹角θ。相应的作用力大小为
F=ILBsinθ
认识到这一点，便可以针对教材的上述文本提出问题，教材所设计的演示实验，究竟是在一般条件下“探究影响通电导线受力的因素”，还是在特定条件下“探究影响通电导线受力的因素”呢？如何处置和诠释相应的特殊条件的设定呢？……
【教学处理3】鉴于对教材文本所存在问题的上述认识，建议在教学中作如下处理.
第一，启发学生作一般性思考，并获得相应的哲学认同：一般来说，A、B之间的相互作用应与A、与B、与A和B的关系相关。磁场与通电导线间的作用，应该与磁场（B）、与通电导线（IL）、与磁场和通电导线间的关系（θ）相关。在一般的哲学认同基础上对磁场与通电导线间的作用形成认识并不困难，而养成以哲学层面为起点来思考物理学的具体问题的思维习惯，则应该被认为是思维品质的合理构建的重要举措。同时，对物体间相互作用的哲学认同，为后续教学中“深入探究比值定义法的理论依据”埋下了伏笔。
第二，在针对着磁场与通电导线间作用的一般认识基础上，限定在特殊的条件（电流元IL所在处的B是确定的；设定磁场与通电导线间方向关系为θ=90°）下而探究影响通电导线受力的因素。相应的教学运作，一方面应能够自然得出“磁场与通电导线间的作用力大小与电流I成正比、与通电导线的长度L成正比”的相应结论，另一方面还可以自然的预留下诠释“将磁场与通电导线间方向关系设定为θ=90°”的教学要求和质疑“垂直的设定”的目标诉求的思维铺垫。
问题4：关于“垂直的设定”的理由阐述问题
【文本片段4】……在导线与磁场垂直的最简单情况下……
【存在问题4】在采用“比值定义法”定义磁感应强度时，相应的操作是在“导线与磁场垂直”的特殊条件下，以“试探电流”所受磁场力（F）与电流元（IL）的比值而给出定义。教材将“垂直的设定”的理由阐述随意的表述为“……在导线与磁场垂直的最简单情况下……”显然，这样的随意性表述自然会引发出如下问题：“垂直的设定”难道真的是最简单吗？将“垂直的设定”界定为最简单其含义究竟应如何理解呢？我们究竟是出于何种理由而作“垂直的设定”呢？关于“垂直的设定”的理由究竟如何阐述才能够最大限度地表现出积极的意义呢？
【教学处理4】鉴于对教材文本所存在问题的上述认识，建议在教学中作如下处理。
第一，捕捉住教材文本表述中对“垂直的设定”的理由阐述——“最简单”，进而启发学生思考“垂直的设定”的真正缘由。引导学生预习教材的后续内容而明确磁场对通电导线的作用所具备的特性：当通电导线与磁场平行时，磁场对通电导线没有作用力；当通电导线与磁场不平行时，磁场对通电导线有作用力；当通电导线与磁场垂直时，磁场对通电导线的作用力最大。相应的特性在一定程度上反映了磁场所具备的选择性功能，采用拟人的修辞手法而描述为：你若顺从（平行）我，我就不打你（没有作用力）；你若不顺从（不平行）我，我就打你（有作用力）；你若横在我面前（垂直），我就狠狠地打你（作用力最大）。
第二，在明确磁场对通电导线的作用随其间夹角变化的特征基础上，组织学生进行相关讨论，最终能够为“垂直的设定”找到合乎情理的诠释：既然选取“试探电流”以试探磁场的力特性，那么就应该令磁场竭尽全力；既然在通电导线与磁场垂直时其间的作用力最大，那么当然就应该在“垂直的设定”基础上实施针对磁场的力特性的试探。当然，之所以针对着“垂直的设定”而冠之于“最简单”，实际上还可以有另一种解释：我们完全可以设定通电导线与磁场方向夹角θ（θ≠0），而将此时通电导线所受作用力（F）与通电导线中电流（I）、通电导线的长度（L）、通电导线与磁场方向夹角的正弦（sinθ）乘积之比值定义为通电导线所在处的磁感应强度，即
相对于这种较为繁琐的定义操作，“垂直的设定”确实可以被冠之为“最简单”。但是，由于相应的诠释并不具备更多的教学功能与学科价值，所以笔者并不主张在相应的教学实施中予以体现而宁愿采用前一种诠释。
问题5：关于“比值定义法”的理论依据问题
【文本片段5】分析了很多实验事实后人们认识到，通电导线与磁场垂直时，它受力的大小既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I和L的乘积IL成正比，用公式表示为
F=ILB
①
式中B是比例系数，它与导线的长度和电流的大小都没有关系。但是，在不同的情况下，B的值是不同的：即使是同样的I、L，在不同的磁场中，或在磁场的不同位置，一般说来导线受的力也不同。看来，B正是我们寻求的表征磁场强弱的物理量——磁感应强度。因此，在导线与磁场垂直的最简单情况下，有
②
【存在问题5】教材的这一段文本在分析了①式中比例系数B的客观性特征（式中B是比例系数，它与导线的长度和电流的大小都没有关系）后，又理性剖析了①式中比例系数B只与磁场源和磁场中位置相关的特征（在不同的情况下，B的值是不同的：即使是同样的I、L，在不同的磁场中，或在磁场的不同位置，一般说来导线受的力也不一样），接着便直接给出了“比例系数B即为描述磁场力特性的磁感应强度的定义”的认定（看来，B正是我们寻求的表征磁场强弱的物理量——磁感应强度）。于是，针对相应文本我们不得不思考如下问题：为什么在界定了比例系数B只与磁场源和磁场中位置相关而与“试探电流”无关的客观性特征后，就可以直接判断比例系数B恰好正是用于表征磁场强弱的物理量呢？用于定义磁感应强度的“比值定义法”其科学性与合理性又应该如何解释呢？……
【教学处理5】鉴于对教材文本所存在问题的上述认识，建议在教学中作如下处理。
第一，启发学生针对教材的相应文本阅读而质疑，进而提出“比值定义法”的科学性诠释的相关问题。实际上，在经历了描述电场力特性的电场强度借用“试探电荷”而运用“比值定义法”给出定义后，这节课又借用“试探电流”而再次运用“比值定义法”定义了描述磁场力特性的磁感应强度，因此有必要借此机会而将“比值定义法”的科学性诠释问题予以了断。相应的诠释如下：磁场与通电导线间的作用力取决于磁场的特性（B）、通电导线的特性（IL）和磁场与通电导线间的夹角（θ）关系，设定磁场与通电导线间的特殊关系（θ=90°），运用“比值定义法”而消去通电导线的特性（IL），剩下的便自然是用以客观描述磁场力特性的物理量——磁感应强度（B）。
第二，实际上，教学中还可以考虑将针对电场强度的“比值定义法”和针对磁感应强度的“比值定义法”作比较，进而帮助学生在更深层面上理解“比值定义法”的原理。由于电场对电荷的作用与其运动状态无关，所以针对电场强度的“比值定义法”的相关运作只需要取“试探电荷”所受到的作用力（F）与“试探电荷”的电量（q）的比值即可；由于磁场对通电导体（电流或运动电荷）的作用与其间方向的关系有关，所以，针对磁感应强度的“比值定义法”的相关运作则需要在设定磁场与通电导体的方向关系后再取“试探电流”所受到的作用力（F）与“试探电流”的相关参量（IL）的比值方可。