“電磁感應(yīng)”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

丁煥平 王錒

摘 要：本單元教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，基于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和電磁感應(yīng)單元知識(shí)的內(nèi)在邏輯，梳理概念進(jìn)階線索，挖掘隱性知識(shí).圍繞電磁感應(yīng)核心概念及因果解釋、變化與變化率、效果阻礙原因等跨學(xué)科概念，并針對(duì)學(xué)生的認(rèn)知關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì).促進(jìn)了學(xué)生的電磁場(chǎng)大概念的形成，提高了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì);電磁感應(yīng);學(xué)習(xí)進(jìn)階

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0029-05

基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學(xué)習(xí)診斷的教學(xué)整合模式研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CDDB8155）;北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于學(xué)習(xí)進(jìn)階培養(yǎng)高中學(xué)生物理思維能力的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：CDDB18242）;北京市物理學(xué)會(huì)2020-2021年度重點(diǎn)課題“基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)案例研究”（項(xiàng)目編號(hào)：WLXH201024）.

作者簡(jiǎn)介：丁煥平（1979-），女，山西臨汾人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

王錒（1974-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

1 單元教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

單元教學(xué)設(shè)計(jì)是指以一個(gè)單元學(xué)習(xí)內(nèi)容為整體，既能統(tǒng)籌、規(guī)劃統(tǒng)攬全局，又能按步驟有序地開展系列教學(xué)活動(dòng)，以取得最佳的教學(xué)成效[1].從整體上對(duì)單元教學(xué)進(jìn)行有序設(shè)計(jì)，從而擺脫課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)碎片化的局限性，是解決當(dāng)前教學(xué)實(shí)踐存在的問(wèn)題并落實(shí)核心素養(yǎng)課程目標(biāo)的有效途徑[2].

2 單元教學(xué)內(nèi)容分析

電磁感應(yīng)單元有三條概念進(jìn)階的線索[3]：一是顯性的，即觀察到電磁感應(yīng)現(xiàn)象，探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律，應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象;二是隱性的，即磁通量的變化，磁通量變化的方向和快慢;三是能量概念的進(jìn)階，先從實(shí)驗(yàn)事實(shí)中觀察到發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)磁能生電，通過(guò)楞次定律的學(xué)習(xí)，理解楞次定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律的必然結(jié)果，體會(huì)非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，再到理解各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象都遵守的能量守恒定律.梳理本單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)階圖，如圖1所示.

本單元蘊(yùn)含了歸納推理、因果解釋、效果阻礙原因等物理學(xué)科核心素養(yǎng)和跨學(xué)科的科學(xué)概念和方法，教師應(yīng)予以充分發(fā)掘.表1中舉出了一些例子.

3 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

基于學(xué)生學(xué)習(xí)能力、已有知識(shí)和教師經(jīng)驗(yàn)等，從學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)困難兩方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)情況分析.

3.1 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)分析

知識(shí)層面：學(xué)生在初中學(xué)習(xí)了一些電磁感應(yīng)的知識(shí)，知道閉合電路的一部分導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中能產(chǎn)生感應(yīng)電流，了解發(fā)電機(jī)的原理以及電磁感應(yīng)在生活中的一些應(yīng)用.通過(guò)磁場(chǎng)一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道了磁通量的概念，會(huì)計(jì)算磁通量的大小.

方法層面：通過(guò)加速度的學(xué)習(xí)和類比，學(xué)生能夠區(qū)別磁通量、磁通量的變化以及磁通量的變化率.

能力層面：通過(guò)質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等概念的學(xué)習(xí)，學(xué)生初步經(jīng)歷了從大量事實(shí)經(jīng)驗(yàn)中抽象概括建立模型的過(guò)程.通過(guò)恒定電路一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠正確操作實(shí)驗(yàn)器材，獲得可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).學(xué)生具備了一定的分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行歸納總結(jié)得出一般規(guī)律的能力.

3.2 學(xué)習(xí)困難分析

學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)了一部分電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是從初中到高中的進(jìn)階，無(wú)論是知識(shí)還是能力上，都有很大的跨度.

（1）對(duì)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的認(rèn)識(shí)，初中學(xué)到，感應(yīng)電流的產(chǎn)生是切割磁感線這種單一的方式，而高中階段要從大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)出感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般條件，對(duì)學(xué)生歸納抽象的能力要求更高.

（2）從感應(yīng)電流方向的判斷，學(xué)生初中沒有學(xué)過(guò)如何判斷感應(yīng)電流的方向，而高中階段探究感應(yīng)電流的方向要求學(xué)生能夠從實(shí)驗(yàn)的表象中歸納出共同特征，從科學(xué)思維角度來(lái)說(shuō)，要求學(xué)生有極強(qiáng)的推理和歸納能力.

（3）從知識(shí)的綜合性看，電磁感應(yīng)往往涉及力學(xué)知識(shí)（如牛頓運(yùn)動(dòng)定律、功、動(dòng)能定理等）、直流電路、磁場(chǎng)和能量守恒等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的理解能力、分析綜合能力要求較高.在學(xué)習(xí)電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)的過(guò)程中，絕大多數(shù)高中二年級(jí)的學(xué)生還不具備學(xué)習(xí)這部分知識(shí)所需要的抽象思維能力和形象思維能力，多數(shù)學(xué)生的認(rèn)識(shí)感性多于理性，仍舊關(guān)心物理世界的表面特征，很難上升到本質(zhì)聯(lián)系[3].

4 單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

下面以電磁感應(yīng)現(xiàn)象為主線，結(jié)合具體的知識(shí)點(diǎn)和素養(yǎng)發(fā)展要求，表述本單元的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）逐步完善電磁場(chǎng)物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念及能量觀念.具體包括：感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件、法拉第電磁感應(yīng)定律等，理解楞次定律是能量守恒定律的必然結(jié)果.

（2）掌握科學(xué)推理的一般方法.具體包括：通過(guò)幾個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)探究得出感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般條件;通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)歸納得出感應(yīng)電流的方向，即楞次定律;與力學(xué)中加速度的定義類比，通過(guò)比較磁通量、磁通量變化、磁通量變化率理解法拉第電磁感應(yīng)定律.

（3）能夠應(yīng)用電磁感應(yīng)知識(shí)解釋生產(chǎn)生活中的相關(guān)現(xiàn)象并解決問(wèn)題，逐漸形成解決實(shí)際問(wèn)題的大思路.具體包括：能應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律等解決相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題;了解發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化，體會(huì)反電動(dòng)勢(shì)的意義;了解渦流、互感和自感現(xiàn)象.

5 單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

本單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)可分為四個(gè)層級(jí)：一是歸納總結(jié)感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般條件;二是從磁通量變化的方向探究感應(yīng)電流的方向;三是從磁通量變化的快慢得出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小;四是能運(yùn)用電磁感應(yīng)知識(shí)分析渦流、自感等生活中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.這四個(gè)部分相互獨(dú)立，又層層遞進(jìn).表2為電磁感應(yīng)單元的學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì).

6 主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

以層級(jí)2中楞次定律概念的建立為核心問(wèn)題，設(shè)計(jì)以下教學(xué)活動(dòng).

（1）通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生探究感應(yīng)電流的效果，得到楞次定律的第一種表述.設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4所示.

本部分由對(duì)比實(shí)驗(yàn)引入，學(xué)生感受到感應(yīng)電流有“阻礙”的效果.分組實(shí)驗(yàn)過(guò)程要注重對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分類和歸納，提升學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性分析的能力，得到感應(yīng)電流的效果總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維.

（2）在理論的引領(lǐng)下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行深入挖掘，得到判斷感應(yīng)電流方向更一般的規(guī)律——楞次定律的第二種表述，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5所示.

本部分通過(guò)對(duì)教學(xué)活動(dòng)6.1結(jié)論的追問(wèn)，進(jìn)一步探究感應(yīng)電流與磁通量變化之間是如何相互作用的.找到“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這個(gè)重要的物理量，通過(guò)對(duì)教學(xué)活動(dòng)6.1中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析得到楞次定律的第二種表述.發(fā)展了學(xué)生尋找物理量間關(guān)聯(lián)的能力，提高了分析、論證及歸納的能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力.

（3）回扣演示實(shí)驗(yàn)，從能量角度分析感應(yīng)電流的方向，找到楞次定律的本質(zhì)，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示.

從銅管內(nèi)磁鐵的機(jī)械能為什么會(huì)減小入手研究，引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度分析問(wèn)題.通過(guò)思考：如果感應(yīng)電流的磁場(chǎng)促進(jìn)磁通量的變化，會(huì)怎樣呢？學(xué)生從正、反兩個(gè)方面去辯證地分析問(wèn)題.將楞次定律的概念進(jìn)階到整合水平.也可以將楞次定律與化學(xué)中的勒夏特列原理和生物學(xué)科的負(fù)反饋調(diào)節(jié)一并概括為“效果阻礙原因”.

7 單元學(xué)習(xí)效果反饋性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

7.1 思想方法

本學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)依托電磁感應(yīng)的基本知識(shí)、圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體要求，創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有價(jià)值的問(wèn)題情境，客觀地了解學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展?fàn)顩r，找出存在的問(wèn)題，明確發(fā)展方向，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展.

7.2 階段性測(cè)試

針對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面，高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分了5個(gè)水平層級(jí).學(xué)業(yè)水平合格性考試合格達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2，高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4.學(xué)生學(xué)習(xí)本單元后參加學(xué)業(yè)水平合格性考試，但電磁感應(yīng)單元對(duì)學(xué)生的要求較高，所以題目應(yīng)以學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3為主，一些題目達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4，個(gè)別題目可以達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5.下面以一個(gè)題目為例說(shuō)明.

例題 某研學(xué)小組設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助列車進(jìn)站時(shí)快速剎車的方案.如圖7所示，在站臺(tái)軌道下方設(shè)置一勵(lì)磁線圈，通電后形成豎直方向的磁場(chǎng)（可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng)）.在車身下方固定一矩形線框，利用線框進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)所受的安培力，輔助列車快速剎車.

已知列車的總質(zhì)量為m，車身長(zhǎng)為s，線框的短邊ab和cd分別安裝在車頭和車尾，長(zhǎng)度均為L(zhǎng)（L小于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的寬度），整個(gè)線框的電阻為R.站臺(tái)軌道上勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域足夠長(zhǎng)（大于車長(zhǎng)s），車頭進(jìn)入磁場(chǎng)瞬間的速度為v0，假設(shè)列車停止前所受鐵軌及空氣阻力的合力恒為f.已知磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B，車尾進(jìn)入磁場(chǎng)瞬間，列車恰好停止.

（1）簡(jiǎn)要說(shuō)明此方案快速剎車的原理;

（2）求列車車頭剛進(jìn)入磁場(chǎng)瞬間線框中的電流大小I和列車的加速度大小a;

（3）求列車從車頭進(jìn)入磁場(chǎng)到停止所用的時(shí)間t;

（4）請(qǐng)?jiān)u價(jià)該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)至少各寫一條）.

考核目標(biāo)：本題主要考查以下幾個(gè)方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，具體包括：物理觀念中的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念;科學(xué)思維中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理能力;科學(xué)探究中的評(píng)估、反思的能力.學(xué)生要能從真實(shí)的問(wèn)題情境中提取信息、建立物理模型、運(yùn)用物理觀念和通過(guò)科學(xué)推理解決問(wèn)題，并對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估.

任務(wù)描述：本題是利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)快速剎車的裝置，用來(lái)輔助列車進(jìn)站.利用法拉第電磁感應(yīng)定律和閉合電路歐姆定律可以得到列車車頭剛進(jìn)入磁場(chǎng)瞬間線框中電流的大小，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到此時(shí)加速度的大小.根據(jù)速度對(duì)時(shí)間的微小量累計(jì)是位移和動(dòng)量定理等規(guī)律得到，從車頭進(jìn)入磁場(chǎng)到停止所用的時(shí)間.通過(guò)與常規(guī)剎車的比較，結(jié)合電路、電磁感應(yīng)等相關(guān)規(guī)律找到該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).

評(píng)價(jià)方案：?jiǎn)栴}（1）和問(wèn)題（2）考查的物理觀念和科學(xué)思維處于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3，能將簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程換成物理模型，說(shuō)明基本原理并能應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題.問(wèn)題（3）考查的物理觀念和科學(xué)思維處于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4，需要學(xué)生有清晰的物理觀念，綜合應(yīng)用物理知識(shí)并對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行分析和推理.學(xué)生正確推理并得到正確結(jié)論者可得滿分，其他回答根據(jù)層次的不同酌情給分.問(wèn)題（4）考查的科學(xué)探究處于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5，對(duì)科學(xué)探究的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)缺點(diǎn)合理即可得分.

8 單元教學(xué)設(shè)計(jì)反思

本設(shè)計(jì)基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論梳理知識(shí)間的內(nèi)在邏輯，挖掘隱性知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用和能量等物理觀念.在電磁感應(yīng)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的過(guò)程中發(fā)展了學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，形成解決物理問(wèn)題的大概念、大思路，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理學(xué)科核心素養(yǎng).

本單元教學(xué)設(shè)計(jì)注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境，本著落實(shí)以學(xué)生為中心的理念設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)方式與教學(xué)活動(dòng)，可操作性較強(qiáng).

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（收稿日期：2021-02-05）