指向深度學習的層進式物理教學設計與實施 ①
——以“法拉第電磁感應定律”教學為例

程艷德

(江蘇省太倉高級中學,江蘇 蘇州 215411)

1 指向深度學習的層進式教學內涵

1.1 深度學習

深度學習以培養高階思維、提升思維品質為目標，以深度理解為基礎，以整合的知識為內容，經過還原與下沉、經驗與探究、反思與上浮等環節，讓學生全身心體驗物理知識的發生與發展過程，感受物理文化，利用知識與方法解決真實問題。

1.2 指向深度學習的層進式教學

指向深度學習的層進式教學基于學習進階理論，以教師對知識本質與結構的深刻理解和多維解讀為基礎，以真實挑戰性任務和核心問題為臺階，促進學生以層進、沉浸的方式參與學習過程，由淺入深地把握核心知識，發展高階思維，提升思維品質。

2 指向深度學習的層進式物理教學設計

2.1 設計原則

(1) “總”“分”“總”原則

第一個“總”是從課程標準的總目標出發，深刻解讀教材，熟悉學情并明確教學的方向，是教師課前備課和主導的過程；“分”是分層進階，將教學總目標分解為一個個小目標，各個擊破；第二個“總”是教學的結果要能促進學生對知識的結構化掌握、大概念發展。

(2) 層次性原則

一方面基于對知識內在結構的理解，設置的挑戰性任務、問題串、學生活動要有層次性并與教學目標相對應，使學生通過對知識由淺入深的學習，達到思維的不斷進階；另一方面基于對知識本質的多維解讀，使學生把握知識背后的思想方法、邏輯、意義和價值，超越知識本身，提升其核心素養。

(3) 沉浸性原則

沉浸性原則要求學生經歷還原與下沉、經驗與探究、反思與上浮的“U”型的學習過程，還原與下沉是把符號知識具體化、情景化，變為與學生生活經驗相符的學習材料；經驗與探究是通過體驗、展示和對話等活動，實現學生對知識的深度理解、自我整合和內化；反思與上浮則是通過自我反省，將科學共同體的認識轉化為學生的個人知識。

2.2 “法拉第電磁感應定律”的層進式設計

依據以上原則，筆者針對“法拉第電磁感應定律”的教學進行了層進式設計(表1)。

表1

3 指向物理深度學習的層進式教學實施

3.1 模擬發電地板，提出問題

首先播放發電地板的視頻(圖1)，人站在上面跳動就能使得燈泡發光，發電地板也被稱為“城市發電站”。

圖1

圖2

為了激發學生的學習興趣，揭秘發光原理，教師自制了一個模擬裝置，其原理如圖2所示，將圓柱形磁鐵的一端和一個塑料板固定在一起，另一端吸住一個彈簧，將彈簧和磁鐵一起插入一個放在桌面的線圈中，上課時為了增強神秘性，可以將螺線管和磁鐵隱藏在黑箱中，向下壓塑料板時彈簧發生形變，磁鐵在線圈中向下運動，撤去外力后，彈簧恢復形變，磁鐵在線圈中向上運動，可以觀察到與線圈相連的檢流計的指針發生偏轉。

讓學生猜測黑箱中的裝置，然后展示內部構造，發現其中沒有電池等電源，說明：磁鐵在螺線管中運動時，這個裝置就相當于電源，產生的電動勢稱為感應電動勢。

教師提出問題：(1) 檢流計指針偏轉有什么特點？說明了什么？(2) 這個電流大小能不能反映感應電動勢的大小？為什么？

3.2 學生分組實驗，定性感知

為了讓學生提出合理猜想，引導學生通過小組合作實驗，親身體驗、定性感知影響感應電動勢大小的因素。給每個小組提供了以下實驗器材：兩根條形磁鐵、一個螺線管、一個檢流計和導線，讓學生利用盡可能多的方式，產生大小不同的感應電動勢。

方案1：用一根磁鐵在螺線管中插入或拔出，快慢不同，產生的感應電動勢大小不同。

方案2：用一根磁鐵在靠近螺線管上方來回水平移動，移動的快慢不同，產生的感應電動勢大小不同。

方案3：第一次用一根磁鐵，第二次用同名磁極綁在一起的兩根磁鐵，在螺線管中插入或拔出，快慢不同，產生的感應電動勢大小不同。

學生通過實驗得出結論：感應電動勢的大小與磁通量變化量ΔΦ、磁通量變化所用的時間Δt有關。

3.3 利用DIS進行半定量探究

為了檢驗學生的結論是否正確，可以用DIS的微電流傳感器代替檢流計，接入電腦將i-t圖像直接展示出來。

第一次教師用一根磁鐵慢速拔出，得到圖3中的圖線a，比較小。

圖3

師：哪位同學可以產生更大的電流？上來試一試。

一位同學用一根磁鐵從螺線管中快速拔出，得到了圖線b，發現比剛才大。

師：對比以上兩種情形，說明了什么？

縱觀《倚天屠龍記》，正派與魔教的爭端貫穿全書，有人堅持正邪有別，有人覺得正邪之分看的是人，而非身份，但全書中被正邪立場問題傷得最深的，非武當莫屬。

生：當磁通量變化量相同時，所用時間越短，產生的感應電動勢越大。

師：哪位同學還可以產生更大的電流？請來試一試。

另一位同學用同名磁極綁在一起的兩根磁鐵，從螺線管中快速拔出，得到了圖線c，發現比剛才更大。

師：這一現象說明了什么？

生：在時間相同的情況下，磁通量變化量越大，感應電動勢越大。

接下來教師將兩根磁鐵的異名磁極吸在一起，從螺線管中快速拔出，發現沒有感應電流。再用同名磁極綁在一起的三根磁鐵，從螺線管中慢慢拔出，得到了圖線d，發現比剛才小。

師：這一現象又說明了什么？

生：說明感應電動勢大小應該和ΔΦ與Δt的比值有關。

3.4 運用控制變量法進行定量探究

感應電動勢大小具體是與ΔΦ/Δt的一次方，還是二次方、三次方相關呢？采用什么方法進行探究？

方案1：控制時間Δt不變，成倍增加ΔΦ，研究感應電動勢E的變化。

方案2：控制磁通量變化量ΔΦ不變，成倍增加時間Δt，研究感應電動勢E的變化。

師：如何控制Δt不變，成倍增加ΔΦ呢？

生：第一次用一根磁鐵從某一高度釋放，讓其做自由落體運動穿過線圈，第二次用兩根磁鐵從同一高度釋放，讓其做自由落體運動穿過相同線圈，則時間相同，磁通量變化量ΔΦ加倍。

由于在具體操作中，不好控制線圈自由落體的運動軌跡和線圈中心在同一豎直線上。可以運用逆向思維，將一根磁鐵、同名磁極綁在一起的兩根磁鐵分別固定在木桿上，并同時拔出，觀察兩檢流計的示數(圖4)。在實際操作中不易同時讀出兩個檢流計的示數，可以將實驗過程拍成視頻，在電腦上逐幀播放，發現：在任一時刻兩根磁鐵產生的感應電動勢近似是一根磁鐵產生的感應電動勢的2倍。

圖4

師：如何控制ΔΦ不變，成倍增加Δt呢？

生：使一根磁鐵分別從4h、h高度自由釋放，磁通量變化量ΔΦ相同，時間Δt加倍。

學生設計的方案很好，但操作比較困難，可以采用圖5所示的改進方案。將一磁鐵以不同速度從較遠處水平移到線圈的上方，就可以實現磁通量變化量ΔΦ相同，而時間Δt不同。

圖5

自制的實驗裝置如圖6所示，木桿的一端與同步電動機連接，在另一端上固定磁鐵，單匝線圈與微電流傳感器相連，電動機轉動時帶動磁鐵在線圈下方移動，調節變頻器就可以實現電動機的轉速改變，頻率依次調節為5Hz、10Hz、15Hz、20Hz、25Hz,則磁鐵通過線圈的時間依次減半，測量感應電流變化，得到的感應電流的圖像如圖7所示，其中在t軸上方表示磁鐵靠近線圈，在t軸下方表示磁鐵遠離線圈，由于感應電流是變化的，可以用t軸上方部分數據計算平均值。最后采用作圖法進行數據處理，得到在磁通量變化量ΔΦ相同時，感應電動勢E對應Δt倒數的圖像為一條過原點的直線，說明ΔΦ一定時，感應電動勢E與Δt成反比。

圖6

圖7

師：當線圈為n匝時，感應電動勢大小為多少呢？

師：為什么？

生：多匝線圈相當于多個單匝線圈的串聯，串聯后匝數成倍增加，則感應電動勢也應該成倍增加。

接下來用圖6實驗裝置，成倍增加匝數，驗證剛才的結論。

3.5 解決實際問題，遷移應用

3.5.1 導體棒切割磁感線產生的感生電動勢

問題：如圖8所示，兩平行金屬導軌間距為L，處于勻強磁場中，兩導軌左端連接阻值為R的電阻，一導體棒ab以速度v向右勻速運動，求其產生的感生電動勢大小。

圖8

學生應用前面得出的法拉第電磁感應定律推導出E=BLv。

3.5.2 復雜問題的解決

高鐵已經成為我國新時代發展的一張“名片”，一種電磁式的高鐵信號定位系統原理如圖9所示，教師對此提出兩個課后問題：(1) 信號中心是如何對高鐵進行定位和測速的？(2) 如何提高定位和測速的精度，以免發生交通事故？

圖9

學生通過課外探究，靈活應用所學知識解決實際的復雜問題，達成了深度學習的目標。