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摘 要：分析教材，并在分析的基础上对教材进行二次开发是实现有效教学的重要抓手，通过教材分析我们可以厘清教学的重点、难点，形成清晰的教学脉络，有助于优化教学环节，促进学生对知识、方法、能力的深层次挖掘。
关键词：教材分析；设计；探究；任务
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0024-4
“教材分析”对于我们教师而言听起来很耳熟，但是却很难做好。教材是核心课程资源，承载着课程标准，是我们实施课堂教学的重要依据。除了分析本节课的教材结构和内容，教材资源与时代、生活的联系外，还要关注本节课之前教材中与本节知识学习相关的内容。本文以人教版选修3-1《运动电荷在磁场中受到的力》一节内容的教学为例谈教材分析与设计。
1 分析本节课教材的结构和内容
课堂教学的知识、方法均外显或内隐于本节课的教材之中，分析本节课教材的结构和内容才能厘清教学的重点和难点。
例如，人教版选修3-1第三章第5节《运动电荷在磁场中受到的力》本节正文内容有：2个黑体字标题，分别为“洛伦兹力的方向和大小”“电视显像管的工作原理”；3个思考与讨论；7幅图（洛伦兹人物像未标号）；1个“小贴士”（提示电荷产生电场与磁场及在场中受力的差异，旨在从“场”中力的性质角度指引学生更深刻地认识B）。问题与练习部分由5个习题构成，其中3、4、5都与技术相联系，分别为速度选择器、磁流体发电、电视机显像管。
通过对本节课教材内容的分析，教学重点、难点自然呈现。
教学重点：学生自主探究“洛伦兹力的方向和大小”，运用“洛伦兹力”解释实际问题。
教学难点：如何直观地感受到洛伦兹力。
2 联系生活和教材前文二次开发教材
人教版新教材是2004年通过初审并投入使用的，时代在发展，技术在进步，教材的教学资源出现一些与生活、时代脱节的现象也很正常。分析本节教材内容与生活的联系、与前面教材的联系，其实质就是分析学情的过程，以此为基础进行教材的二次开发有利于凸显课堂主旨。
例如，当前生活中的电视机已经“改薄”，有些学生回家也许难寻“显像管”，而教材中对电视机显像管的工作原理“浓墨重彩”，不仅正文中首尾呼应，在问题与练习中还“要求学生分析故障”，这显然与生产、生活脱节。笔者认为在教学中应该淡化，作为知识和方法应用的情境，可以将“问题与练习”中的第3题“速度选择器”或第4题“磁流体发电”前移。
在教学重点、难点“洛伦兹力的方向和大小”的突破上，教材中用两句话：“运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。”“通电导线在磁场中受到的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。”前一句话借助于演示实验“观察阴极射线（电子束）在磁场中的偏转”让学生直观地感受到运动电荷在磁场中受力偏转，不过后一句话教材中却没有做实验，它的出现应作为一个假设，而不能作为结论，因为只有确定了“安培力与洛伦兹力同质”，才也可以用左手定则来判断其方向。教材中在这个问题上没有直观呈现，而仅仅在第95页最下面用另一句话“实验事实证明以上推断是正确的”。这个难点有没有办法突破呢？如果教学一直关注教材，不难发现就在前面一节93页有一个“做一做”如图1所示（旋转的液体），这恰好可以作为直观呈现洛伦兹力的实验资源。
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图1 旋转的液体
3 形成课堂脉络
通过对教材细致的分析，课堂脉络（即大的教学框架）就形成了，即整堂课大致分为几个部分，各个部分教师和学生的行为如何，其实质就是分析各部分内容教法的过程。
例如，通过上述分析，笔者得到《运动电荷在磁场中受到的力》这节课的脉络如表1所示。
表1 教学框架
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4 创新设计优化教学细节
通过教材分析和二次开发理顺了课堂脉络后，接下来应该思考每一个教学任务如何呈现给学生，预计学生在学习过程中会遇到怎样的困难，实现对教学细节的优化设计，确保学生在探究和讨论过程中学到知识、提升能力、升华情感。下面提供表1中的1、2、3这3个教学环节的设计。
4.1 发现“洛伦兹力”环节的设计
问题1：不计重力的电子束在真空中做什么运动？（匀速直线运动）
问题2：那么，要想让电子束偏离原来的运动轨迹，做曲线运动，你有哪些方法？
学生在学习洛伦兹力前学习了“电场力”“安培力”，也熟悉偏转电场能够使运动电荷发生偏转，这个问题的提出学生很容易从“加电场可以……”猜想“加磁场行不行？”此时，如果猜想加磁场可以使电子束偏转，势必带来验证猜想的需要，生成演示实验的需要。
接着，提供如图2所示的阴极射线管，并介绍电子束的运动方向，然后用条形磁铁进行演示实验。
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图2 阴极射线管
实验1：用条形磁铁的N极（或S极）前后方向靠近阴极射线，发现阴极射线发生偏转。（磁场对运动电荷有力的作用）
实验2：换一个磁极从实验1的同一方向靠近阴极射线，发现阴极射线偏转方向相反。（磁场的方向对运动电荷受力的方向有影响）
实验3：任意改变磁极的方向，引导学生观察阴极射线偏转情况的变化。（进一步感受磁场的方向对运动电荷受力的影响）
由上述3个演示实验，很自然地发现磁场对运动电荷有力的作用，抛出“洛伦兹力”的概念。值得注意的是，该环节的主要目的在于通过提供感性素材证明“洛伦兹力”的存在，对于“磁极正对阴极射线与电子束几乎在同一直线上时，发现电子束几乎不改变方向”这个不利于概念导入的演示实验先不要做，如果要演示可以在“左手定则”和洛伦兹力大小公式得到后，作为特殊值进行实验验证。
4.2 小组合作探究“影响洛伦兹力的方向的因素”的设计 探究“影响洛伦兹力的方向的因素”是本节的重点。从教材中第93页图1所示的实验装置出发，笔者自制分组探究学具，学生自主尝试并用三色棒记录磁场的方向、电荷运动的方向、运动电荷的受力方向。
4.2.1 学具准备
笔者在实验装置的制备上，先后做了两次尝试，制作装置如图3中的装置1、2，配置硫酸铜饱和溶液，用铜丝做电极，电源用学生电源24 V档。相比而言，装置1有缺陷：改变连接电极的正、负接线柱后，溶液反向旋转非常微弱，为什么呢？其实，这个化学实验中除了氯化钠的电解反应外，外壳的铝也参加了反应，当转换了极性后，反应形式被改变，离子数减少，所以旋转就不明显了。而装置2用的器皿是塑料的，铜做电极，溶液是硫酸铜溶液，就没有这个问题。
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装置1 装置2
图3 实验装置
除了装置2以外，每组还配有演示用的蹄形磁铁，3根不同颜色细棒。
4.2.2 学生猜想
在实验前，就“影响洛伦兹力的方向的因素有哪些？”让学生进行猜想，前面的3个演示实验给学生提供了猜想依据，能够猜到以下几种因素：磁场的方向；电荷的正负电性；电荷的定向移动方向。
4.2.3 提供表格，自主实验记录
根据学生的猜想给学生提供如表2所示的实验记录表格，引导学生自主实验探究，完成表格，为讨论和交流提供依据。
4.2.4 结论交流
结论1：洛伦兹力f的方向与v、B的方向有关；
结论2：洛伦兹力的方向——仍用左手定则判断。
有了上面两个结论，“洛伦兹力与安培力同质”的总结呼之欲出。为了深化认识，可以提供图4的情境（这是第三章第一节教材的插图），要求学生尝试着用磁场对运动电荷的作用力来解释通电导线摆动的原因。
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图4 教材插图
自主探究后得到结论3：洛伦兹力是安培力的微观本质；安培力是洛伦兹力的宏观表现。
同时生成问题：洛伦兹力的大小多少？如何计算呢？自然过渡到课堂的下一个环节。
4.3 问题化理论推导“洛伦兹力的大小”
既然，上面的探究得到了“安培力是洛伦兹力的宏观表现”，笔者将理论探究隐藏在一个具体的问题中。
例1 设有一段长为L，横截面积为S的直导线，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，自由电荷定向移动的速率为v。（已知电流大小I与上述的几个物理量之间满足关系： I=nqvS ），现将这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，试推导一个自由电荷受到的洛伦兹力为多大？
安培力：F=BIL（1）
自由电荷总数：N=nLS（2）
I=nqvS（3）
洛伦兹力：f=■（4）
联立解得f=qvB。
再设置具体的问题情境，引导学生思考更一般的情况。
例2 已知匀强磁场，磁感应强度大小为B，运动电荷带电量为q，速度大小为v。①正电荷运动方向与磁场方向同向（如图5所示），②正电荷运动与磁场方向有一夹角θ（如图6），求这两种情况下运动电荷受到的洛伦兹力。
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图5 例2题图
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图6 例2题图
通过例2，让学生通过对图6中运动电荷的速度的分解，自主推导到洛伦兹力的一般计算式f=qvBsinθ。同时与例1联系到一块，可以看到带电粒子运动方向与磁场同一直线或垂直是两个特例，洛伦兹力大小有一个范围：0≤f≤qvB。
对于教学任务4和教学任务5是学生应用所学知识交流和讨论的过程，教师要积极巡视和倾听，借助这个环节反馈学生的学情，通过客观的评价激发学生的成就动机，提升物理学习情感。
参考文献：
[1]刘桂枝.基于“5E”模式的高中物理探究型教学内涵及实践[J].中学物理教学参考，2013，（10）：2.
[2]赵砚田，王振忱.洛伦兹力是怎样表现为安培力的[J].物理教学探讨，2008，（10）：20.
（栏目编辑 刘 荣）
关键词：教材分析；设计；探究；任务
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0024-4
“教材分析”对于我们教师而言听起来很耳熟，但是却很难做好。教材是核心课程资源，承载着课程标准，是我们实施课堂教学的重要依据。除了分析本节课的教材结构和内容，教材资源与时代、生活的联系外，还要关注本节课之前教材中与本节知识学习相关的内容。本文以人教版选修3-1《运动电荷在磁场中受到的力》一节内容的教学为例谈教材分析与设计。
1 分析本节课教材的结构和内容
课堂教学的知识、方法均外显或内隐于本节课的教材之中，分析本节课教材的结构和内容才能厘清教学的重点和难点。
例如，人教版选修3-1第三章第5节《运动电荷在磁场中受到的力》本节正文内容有：2个黑体字标题，分别为“洛伦兹力的方向和大小”“电视显像管的工作原理”；3个思考与讨论；7幅图（洛伦兹人物像未标号）；1个“小贴士”（提示电荷产生电场与磁场及在场中受力的差异，旨在从“场”中力的性质角度指引学生更深刻地认识B）。问题与练习部分由5个习题构成，其中3、4、5都与技术相联系，分别为速度选择器、磁流体发电、电视机显像管。
通过对本节课教材内容的分析，教学重点、难点自然呈现。
教学重点：学生自主探究“洛伦兹力的方向和大小”，运用“洛伦兹力”解释实际问题。
教学难点：如何直观地感受到洛伦兹力。
2 联系生活和教材前文二次开发教材
人教版新教材是2004年通过初审并投入使用的，时代在发展，技术在进步，教材的教学资源出现一些与生活、时代脱节的现象也很正常。分析本节教材内容与生活的联系、与前面教材的联系，其实质就是分析学情的过程，以此为基础进行教材的二次开发有利于凸显课堂主旨。
例如，当前生活中的电视机已经“改薄”，有些学生回家也许难寻“显像管”，而教材中对电视机显像管的工作原理“浓墨重彩”，不仅正文中首尾呼应，在问题与练习中还“要求学生分析故障”，这显然与生产、生活脱节。笔者认为在教学中应该淡化，作为知识和方法应用的情境，可以将“问题与练习”中的第3题“速度选择器”或第4题“磁流体发电”前移。
在教学重点、难点“洛伦兹力的方向和大小”的突破上，教材中用两句话：“运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。”“通电导线在磁场中受到的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。”前一句话借助于演示实验“观察阴极射线（电子束）在磁场中的偏转”让学生直观地感受到运动电荷在磁场中受力偏转，不过后一句话教材中却没有做实验，它的出现应作为一个假设，而不能作为结论，因为只有确定了“安培力与洛伦兹力同质”，才也可以用左手定则来判断其方向。教材中在这个问题上没有直观呈现，而仅仅在第95页最下面用另一句话“实验事实证明以上推断是正确的”。这个难点有没有办法突破呢？如果教学一直关注教材，不难发现就在前面一节93页有一个“做一做”如图1所示（旋转的液体），这恰好可以作为直观呈现洛伦兹力的实验资源。
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图1 旋转的液体
3 形成课堂脉络
通过对教材细致的分析，课堂脉络（即大的教学框架）就形成了，即整堂课大致分为几个部分，各个部分教师和学生的行为如何，其实质就是分析各部分内容教法的过程。
例如，通过上述分析，笔者得到《运动电荷在磁场中受到的力》这节课的脉络如表1所示。
表1 教学框架
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4 创新设计优化教学细节
通过教材分析和二次开发理顺了课堂脉络后，接下来应该思考每一个教学任务如何呈现给学生，预计学生在学习过程中会遇到怎样的困难，实现对教学细节的优化设计，确保学生在探究和讨论过程中学到知识、提升能力、升华情感。下面提供表1中的1、2、3这3个教学环节的设计。
4.1 发现“洛伦兹力”环节的设计
问题1：不计重力的电子束在真空中做什么运动？（匀速直线运动）
问题2：那么，要想让电子束偏离原来的运动轨迹，做曲线运动，你有哪些方法？
学生在学习洛伦兹力前学习了“电场力”“安培力”，也熟悉偏转电场能够使运动电荷发生偏转，这个问题的提出学生很容易从“加电场可以……”猜想“加磁场行不行？”此时，如果猜想加磁场可以使电子束偏转，势必带来验证猜想的需要，生成演示实验的需要。
接着，提供如图2所示的阴极射线管，并介绍电子束的运动方向，然后用条形磁铁进行演示实验。
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图2 阴极射线管
实验1：用条形磁铁的N极（或S极）前后方向靠近阴极射线，发现阴极射线发生偏转。（磁场对运动电荷有力的作用）
实验2：换一个磁极从实验1的同一方向靠近阴极射线，发现阴极射线偏转方向相反。（磁场的方向对运动电荷受力的方向有影响）
实验3：任意改变磁极的方向，引导学生观察阴极射线偏转情况的变化。（进一步感受磁场的方向对运动电荷受力的影响）
由上述3个演示实验，很自然地发现磁场对运动电荷有力的作用，抛出“洛伦兹力”的概念。值得注意的是，该环节的主要目的在于通过提供感性素材证明“洛伦兹力”的存在，对于“磁极正对阴极射线与电子束几乎在同一直线上时，发现电子束几乎不改变方向”这个不利于概念导入的演示实验先不要做，如果要演示可以在“左手定则”和洛伦兹力大小公式得到后，作为特殊值进行实验验证。
4.2 小组合作探究“影响洛伦兹力的方向的因素”的设计 探究“影响洛伦兹力的方向的因素”是本节的重点。从教材中第93页图1所示的实验装置出发，笔者自制分组探究学具，学生自主尝试并用三色棒记录磁场的方向、电荷运动的方向、运动电荷的受力方向。
4.2.1 学具准备
笔者在实验装置的制备上，先后做了两次尝试，制作装置如图3中的装置1、2，配置硫酸铜饱和溶液，用铜丝做电极，电源用学生电源24 V档。相比而言，装置1有缺陷：改变连接电极的正、负接线柱后，溶液反向旋转非常微弱，为什么呢？其实，这个化学实验中除了氯化钠的电解反应外，外壳的铝也参加了反应，当转换了极性后，反应形式被改变，离子数减少，所以旋转就不明显了。而装置2用的器皿是塑料的，铜做电极，溶液是硫酸铜溶液，就没有这个问题。
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装置1 装置2
图3 实验装置
除了装置2以外，每组还配有演示用的蹄形磁铁，3根不同颜色细棒。
4.2.2 学生猜想
在实验前，就“影响洛伦兹力的方向的因素有哪些？”让学生进行猜想，前面的3个演示实验给学生提供了猜想依据，能够猜到以下几种因素：磁场的方向；电荷的正负电性；电荷的定向移动方向。
4.2.3 提供表格，自主实验记录
根据学生的猜想给学生提供如表2所示的实验记录表格，引导学生自主实验探究，完成表格，为讨论和交流提供依据。
4.2.4 结论交流
结论1：洛伦兹力f的方向与v、B的方向有关；
结论2：洛伦兹力的方向——仍用左手定则判断。
有了上面两个结论，“洛伦兹力与安培力同质”的总结呼之欲出。为了深化认识，可以提供图4的情境（这是第三章第一节教材的插图），要求学生尝试着用磁场对运动电荷的作用力来解释通电导线摆动的原因。
■
图4 教材插图
自主探究后得到结论3：洛伦兹力是安培力的微观本质；安培力是洛伦兹力的宏观表现。
同时生成问题：洛伦兹力的大小多少？如何计算呢？自然过渡到课堂的下一个环节。
4.3 问题化理论推导“洛伦兹力的大小”
既然，上面的探究得到了“安培力是洛伦兹力的宏观表现”，笔者将理论探究隐藏在一个具体的问题中。
例1 设有一段长为L，横截面积为S的直导线，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，自由电荷定向移动的速率为v。（已知电流大小I与上述的几个物理量之间满足关系： I=nqvS ），现将这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，试推导一个自由电荷受到的洛伦兹力为多大？
安培力：F=BIL（1）
自由电荷总数：N=nLS（2）
I=nqvS（3）
洛伦兹力：f=■（4）
联立解得f=qvB。
再设置具体的问题情境，引导学生思考更一般的情况。
例2 已知匀强磁场，磁感应强度大小为B，运动电荷带电量为q，速度大小为v。①正电荷运动方向与磁场方向同向（如图5所示），②正电荷运动与磁场方向有一夹角θ（如图6），求这两种情况下运动电荷受到的洛伦兹力。
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图5 例2题图
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图6 例2题图
通过例2，让学生通过对图6中运动电荷的速度的分解，自主推导到洛伦兹力的一般计算式f=qvBsinθ。同时与例1联系到一块，可以看到带电粒子运动方向与磁场同一直线或垂直是两个特例，洛伦兹力大小有一个范围：0≤f≤qvB。
对于教学任务4和教学任务5是学生应用所学知识交流和讨论的过程，教师要积极巡视和倾听，借助这个环节反馈学生的学情，通过客观的评价激发学生的成就动机，提升物理学习情感。
参考文献：
[1]刘桂枝.基于“5E”模式的高中物理探究型教学内涵及实践[J].中学物理教学参考，2013，（10）：2.
[2]赵砚田，王振忱.洛伦兹力是怎样表现为安培力的[J].物理教学探讨，2008，（10）：20.
（栏目编辑 刘 荣）