“電磁感應(yīng)”單元教學設(shè)計

丁煥平 王錒

摘 要：本單元教學設(shè)計依據(jù)學習進階理論，基于學生的認知發(fā)展和電磁感應(yīng)單元知識的內(nèi)在邏輯，梳理概念進階線索，挖掘隱性知識.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科概念，并針對學生的認知關(guān)鍵點，進行單元學習過程設(shè)計和教學設(shè)計.促進了學生的電磁場大概念的形成，提高了學生物理學科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：單元教學設(shè)計;電磁感應(yīng);學習進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0029-05

基金項目：北京市教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學習診斷的教學整合模式研究”（項目編號：CDDB8155）;北京市教育科學“十三五”規(guī)劃2018年度一般課題“基于學習進階培養(yǎng)高中學生物理思維能力的實踐研究”（項目編號：CDDB18242）;北京市物理學會2020-2021年度重點課題“基于核心素養(yǎng)學習進階的高中物理單元教學設(shè)計案例研究”（項目編號：WLXH201024）.

作者簡介：丁煥平（1979-），女，山西臨汾人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

王錒（1974-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理教學.

1 單元教學設(shè)計指導思想

單元教學設(shè)計是指以一個單元學習內(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活動，以取得最佳的教學成效[1].從整體上對單元教學進行有序設(shè)計，從而擺脫課時教學設(shè)計碎片化的局限性，是解決當前教學實踐存在的問題并落實核心素養(yǎng)課程目標的有效途徑[2].

2 單元教學內(nèi)容分析

電磁感應(yīng)單元有三條概念進階的線索[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;三是能量概念的進階，先從實驗事實中觀察到發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時磁能生電，通過楞次定律的學習，理解楞次定律的實質(zhì)是能量守恒定律的必然結(jié)果，體會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.梳理本單元的知識結(jié)構(gòu)進階圖，如圖1所示.

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

3 學生學習情況分析

基于學生學習能力、已有知識和教師經(jīng)驗等，從學習基礎(chǔ)和學習困難兩方面對學生進行學習情況分析.

3.1 學習基礎(chǔ)分析

知識層面：學生在初中學習了一些電磁感應(yīng)的知識，知道閉合電路的一部分導體切割磁感線運動，導體中能產(chǎn)生感應(yīng)電流，了解發(fā)電機的原理以及電磁感應(yīng)在生活中的一些應(yīng)用.通過磁場一章的學習，學生知道了磁通量的概念，會計算磁通量的大小.

方法層面：通過加速度的學習和類比，學生能夠區(qū)別磁通量、磁通量的變化以及磁通量的變化率.

能力層面：通過質(zhì)點、點電荷等概念的學習，學生初步經(jīng)歷了從大量事實經(jīng)驗中抽象概括建立模型的過程.通過恒定電路一章的學習，學生能夠正確操作實驗器材，獲得可靠實驗數(shù)據(jù).學生具備了一定的分析實驗數(shù)據(jù)、解釋實驗現(xiàn)象并進行歸納總結(jié)得出一般規(guī)律的能力.

3.2 學習困難分析

學生在初中階段學習了一部分電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但是從初中到高中的進階，無論是知識還是能力上，都有很大的跨度.

（1）對感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的認識，初中學到，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驗事實中總結(jié)出感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般條件，對學生歸納抽象的能力要求更高.

（2）從感應(yīng)電流方向的判斷，學生初中沒有學過如何判斷感應(yīng)電流的方向，而高中階段探究感應(yīng)電流的方向要求學生能夠從實驗的表象中歸納出共同特征，從科學思維角度來說，要求學生有極強的推理和歸納能力.

（3）從知識的綜合性看，電磁感應(yīng)往往涉及力學知識（如牛頓運動定律、功、動能定理等）、直流電路、磁場和能量守恒等多個知識點，對學生的理解能力、分析綜合能力要求較高.在學習電磁學相關(guān)知識的過程中，絕大多數(shù)高中二年級的學生還不具備學習這部分知識所需要的抽象思維能力和形象思維能力，多數(shù)學生的認識感性多于理性，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 單元學習目標

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

（1）逐步完善電磁場物質(zhì)觀念、運動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）掌握科學推理的一般方法.具體包括：通過幾個典型的實驗探究得出感應(yīng)電流產(chǎn)生的一般條件;通過實驗，總結(jié)歸納得出感應(yīng)電流的方向，即楞次定律;與力學中加速度的定義類比，通過比較磁通量、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)知識解釋生產(chǎn)生活中的相關(guān)現(xiàn)象并解決問題，逐漸形成解決實際問題的大思路.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)的實際問題;了解發(fā)電機和電動機工作過程中的能量轉(zhuǎn)化，體會反電動勢的意義;了解渦流、互感和自感現(xiàn)象.

5 單元學習過程設(shè)計

本單元學習過程設(shè)計可分為四個層級：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)電動勢的大小;四是能運用電磁感應(yīng)知識分析渦流、自感等生活中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.這四個部分相互獨立，又層層遞進.表2為電磁感應(yīng)單元的學習過程設(shè)計.

6 主要教學活動設(shè)計

以層級2中楞次定律概念的建立為核心問題，設(shè)計以下教學活動.

（1）通過演示實驗和分組實驗，學生探究感應(yīng)電流的效果，得到楞次定律的第一種表述.設(shè)計過程如圖4所示.

本部分由對比實驗引入，學生感受到感應(yīng)電流有“阻礙”的效果.分組實驗過程要注重對實驗現(xiàn)象進行分類和歸納，提升學生對實驗結(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)學生的科學探究能力，發(fā)展學生的科學思維.

（2）在理論的引領(lǐng)下對實驗結(jié)論進行深入挖掘，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)計過程如圖5所示.

本部分通過對教學活動6.1結(jié)論的追問，進一步探究感應(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”這個重要的物理量，通過對教學活動6.1中的學生實驗結(jié)果進行進一步分析得到楞次定律的第二種表述.發(fā)展了學生尋找物理量間關(guān)聯(lián)的能力，提高了分析、論證及歸納的能力，發(fā)展了學生的科學思維能力.

（3）回扣演示實驗，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)計過程如圖6所示.

從銅管內(nèi)磁鐵的機械能為什么會減小入手研究，引導學生從多個角度分析問題.通過思考：如果感應(yīng)電流的磁場促進磁通量的變化，會怎樣呢？學生從正、反兩個方面去辯證地分析問題.將楞次定律的概念進階到整合水平.也可以將楞次定律與化學中的勒夏特列原理和生物學科的負反饋調(diào)節(jié)一并概括為“效果阻礙原因”.

7 單元學習效果反饋性評價設(shè)計

7.1 思想方法

本學習評價依托電磁感應(yīng)的基本知識、圍繞物理學科核心素養(yǎng)的具體要求，創(chuàng)設(shè)真實而有價值的問題情境，客觀地了解學生物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展狀況，找出存在的問題，明確發(fā)展方向，促進學生的發(fā)展.

7.2 階段性測試

針對物理學科核心素養(yǎng)的四個方面，高中物理學業(yè)質(zhì)量劃分了5個水平層級.學業(yè)水平合格性考試合格達到學業(yè)質(zhì)量水平2，高等院校相關(guān)專業(yè)學習應(yīng)達到學業(yè)質(zhì)量水平4.學生學習本單元后參加學業(yè)水平合格性考試，但電磁感應(yīng)單元對學生的要求較高，所以題目應(yīng)以學業(yè)質(zhì)量水平3為主，一些題目達到學業(yè)質(zhì)量水平4，個別題目可以達到學業(yè)質(zhì)量水平5.下面以一個題目為例說明.

例題 某研學小組設(shè)計了一個輔助列車進站時快速剎車的方案.如圖7所示，在站臺軌道下方設(shè)置一勵磁線圈，通電后形成豎直方向的磁場（可視為勻強磁場）.在車身下方固定一矩形線框，利用線框進入磁場時所受的安培力，輔助列車快速剎車.

已知列車的總質(zhì)量為m，車身長為s，線框的短邊ab和cd分別安裝在車頭和車尾，長度均為L（L小于勻強磁場的寬度），整個線框的電阻為R.站臺軌道上勻強磁場區(qū)域足夠長（大于車長s），車頭進入磁場瞬間的速度為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)強度的大小為B，車尾進入磁場瞬間，列車恰好停止.

（1）簡要說明此方案快速剎車的原理;

（2）求列車車頭剛進入磁場瞬間線框中的電流大小I和列車的加速度大小a;

（3）求列車從車頭進入磁場到停止所用的時間t;

（4）請評價該設(shè)計方案的優(yōu)點和缺點（優(yōu)、缺點至少各寫一條）.

考核目標：本題主要考查以下幾個方面的物理學科核心素養(yǎng)，具體包括：物理觀念中的運動與相互作用觀念;科學思維中的模型建構(gòu)、科學推理能力;科學探究中的評估、反思的能力.學生要能從真實的問題情境中提取信息、建立物理模型、運用物理觀念和通過科學推理解決問題，并對方案進行評估.

任務(wù)描述：本題是利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計快速剎車的裝置，用來輔助列車進站.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入磁場瞬間線框中電流的大小，利用牛頓運動定律得到此時加速度的大小.根據(jù)速度對時間的微小量累計是位移和動量定理等規(guī)律得到，從車頭進入磁場到停止所用的時間.通過與常規(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)計方案的優(yōu)點和缺點.

評價方案：問題（1）和問題（2）考查的物理觀念和科學思維處于學業(yè)質(zhì)量水平3，能將簡單的實際問題中的對象和過程換成物理模型，說明基本原理并能應(yīng)用物理知識解決實際問題.問題（3）考查的物理觀念和科學思維處于學業(yè)質(zhì)量水平4，需要學生有清晰的物理觀念，綜合應(yīng)用物理知識并對物理問題進行分析和推理.學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.問題（4）考查的科學探究處于學業(yè)質(zhì)量水平5，對科學探究的過程和結(jié)果進行評價，優(yōu)缺點合理即可得分.

8 單元教學設(shè)計反思

本設(shè)計基于學習進階理論梳理知識間的內(nèi)在邏輯，挖掘隱性知識，發(fā)展學生的物質(zhì)、運動與相互作用和能量等物理觀念.在電磁感應(yīng)知識結(jié)構(gòu)化的過程中發(fā)展了學生的模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學思維，形成解決物理問題的大概念、大思路，培養(yǎng)了學生的科學探究、科學態(tài)度與責任等物理學科核心素養(yǎng).

本單元教學設(shè)計注重創(chuàng)設(shè)真實的物理情境，本著落實以學生為中心的理念設(shè)計合理的學習方式與教學活動，可操作性較強.

參考文獻：

[1]馬蘭.整體化有序設(shè)計單元教學探討[J].課程·教材·教法，2012，32（02）：23-31.

[2]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學設(shè)計[J].中學物理，2020，38（05）：2-7.

[3]王錒，瑪麗娜·阿西木汗，郭玉英.基于核心素養(yǎng)學習進階的“楞次定律”教學改進實證研究[J].物理教師，2017，38（12）：16-20.

（收稿日期：2021-02-05）