核心素養(yǎng)導向的物理單元復習模式

高中物理單元復習如果以試題堆砌替代系統(tǒng)梳理、以機械回顧替代深度思考，就會導致知識關(guān)聯(lián)弱、思維層次低、人文意蘊缺失。為破解這一困境，筆者基于HPS教育模式，以歷史情境為依托、以哲學思辨為內(nèi)核、以社會應(yīng)用為延伸，構(gòu)建“三環(huán)九步\"單元復習模式，以打破知識鞏固、能力訓練與素養(yǎng)培育相互割裂的復習樣態(tài)，為素養(yǎng)導向的物理復習教學提供實踐框架，讓科學史、科學哲學、科學社會學三方面內(nèi)容共同作用于知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化、思維品質(zhì)提升和價值觀塑造，助力學生深入理解物理規(guī)律，提升思維品質(zhì)，增強科學態(tài)度與責任核心素養(yǎng)。下面以“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”單元復習為例做具體闡釋。

第一環(huán)：在歷史情境中深入理解物理規(guī)律

科學史并非復習教學的“裝飾品”，而是理解科學本質(zhì)、內(nèi)化抽象規(guī)律、啟迪科學思維的寶貴資源。復習教學中，教師可通過重現(xiàn)關(guān)鍵科學事件與思想交鋒，引導學生感受科學發(fā)現(xiàn)的曲折歷程與科學家的精神世界，在認識科學知識是動態(tài)建構(gòu)的認知實踐成果而非靜態(tài)僵化的教條集合的同時，深入理解物理本質(zhì)規(guī)律。

步驟一：現(xiàn)象重現(xiàn)，問題啟思。導入環(huán)節(jié)，教師做演示實驗：在一根上端固定的彈簧下懸掛磁鐵，托起磁鐵后釋放，磁鐵能振動較長時間；振動中，在磁鐵下方放置一個金屬盤，磁鐵迅速停止振動。學生觀察實驗現(xiàn)象后，教師引導他們思考“金屬盤為何能快速使磁鐵靜止”及“此過程中的能量如何轉(zhuǎn)化”。學生基于已有認知，分析得出“金屬盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流）對磁鐵的安培力阻礙磁鐵運動，并將機械能（磁鐵振動的動能和勢能）轉(zhuǎn)化為內(nèi)能”，直觀理解了渦流的阻尼效應(yīng)及能量轉(zhuǎn)化過程。在此基礎(chǔ)上，教師拋出挑戰(zhàn)性問題：若磁鐵初始靜止，我們豎直或水平移動下方的金屬盤，磁鐵能否動起來？此問題激發(fā)了學生的好奇心與討論熱情。教師適時點撥：運動的金屬能否產(chǎn)生磁效應(yīng)的逆向思考，正是英國物理學家法拉第等科學家堅信“磁能生電”的思想源頭。

步驟二：史料解疑，建模明理。為解決上述挑戰(zhàn)性問題，教師描述1824年法國物理學家阿拉果的實驗，如圖1，旋轉(zhuǎn)的銅盤能使上方原本靜止的磁針隨之轉(zhuǎn)動（略有滯后），并提問：銅盤中會不會產(chǎn)生感應(yīng)電流？大部分學生基于通過銅盤的磁通量為零的認知，回答“不會”。教師未直接否定，而是引導學生構(gòu)建如圖2所示平面模型，從整體回路磁通量為零和局部回路磁通量不為零深度辨析。通過辨析，學生認識到局部回路磁通量不為零時可產(chǎn)生感應(yīng)電流，明確了不論是豎直或水平移動下方金屬盤，還是旋轉(zhuǎn)金屬盤，金屬盤中都會形成感應(yīng)電流并對磁鐵產(chǎn)生力的作用，讓磁鐵動起來，從而突破了磁通量變化必須針對閉合回路整體的認知局限。

圖2

通過“局部建模\"破解謎題的思維突破，為學生解構(gòu)劃時代的技術(shù)創(chuàng)造埋下伏筆一一法拉第面對如何借助瞬時磁感應(yīng)生成持續(xù)電流的困惑時，相似的局部強化策略成為破局之鑰。

步驟三：原型解構(gòu)，工程拓識。教師展示1831年法拉第的電磁感應(yīng)實驗裝置照片（如圖3）和他發(fā)明的人類歷史上第一臺發(fā)電機照片（如圖4），并提出遞進式問題。問題 ① ：圖3中的鐵芯有何作用？為何繞這么多匝線圈？學生分析得出鐵芯能顯著增強磁場、增加線圈匝數(shù)可增大感應(yīng)電動勢。問題 ② ：如何操作能使圖3右側(cè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流？學生提出對左側(cè)線圈進行開關(guān)通斷、改變電流大小等操作方法，深入理解了“變化引發(fā)感應(yīng)電流”。問題 ③ ：為何不用圖3所示裝置直接制作發(fā)電機？學生認為原始裝置依賴的感應(yīng)電流難以持續(xù)，而圖4所示旋轉(zhuǎn)銅盤的方案更便捷、高效，并由此體會到從原理發(fā)現(xiàn)到實用發(fā)明的工程轉(zhuǎn)化思路。

圖3

圖4

通過以上三個復習步驟，學生不僅系統(tǒng)復習和深人理解了電磁感應(yīng)規(guī)律等，還親歷了像科學家一樣的思考過程，體驗到突破思維局限的喜悅，感悟到科學探索需要堅定信念、嚴謹態(tài)度和創(chuàng)新思維，及其受限于時代背景的曲折性。

第二環(huán)：在認知沖突中提升思維品質(zhì)

物理學發(fā)展歷程充滿深刻的哲學思辨，教師可聚焦物理規(guī)律的內(nèi)涵、外延及相互關(guān)系的辨析，設(shè)置問題情境，引導學生在解法碰撞中展開批判性思考，借助模型有理有據(jù)地辯駁，進而把握物理規(guī)律、澄清迷思概念、拓展認知邊界，提升思維品質(zhì)。

步驟四：多法辯證，規(guī)律求同。為強化學生分析“動生與感生雙源共存\"綜合問題的能力，教師呈現(xiàn)如下問題情境：“如圖5所示，固定于水平面上的金屬架CDEF處在豎直向下的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度隨時間變化的圖象如圖6所示，電阻為 R 的金屬棒MN沿金屬架以速度 v 向右做勻速運動。 t=0 時， MN 的位置恰好使MDEN構(gòu)成一個邊長為 L 的正方形。求出任意時刻電路的電動勢，以及 0～T₀ 這段時間內(nèi)通過金屬棒的電荷量?！?/p>

教師鼓勵學生用不同方法分析、解答這個既有感生電動勢又有動生電動勢的復雜電路問題。學生提出兩種思路：一是先分別求出動生電動勢與感生電動勢，再求總電動勢；二是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律求解。關(guān)于思路一，因為兩種電動勢方向相反，所以總 進而推出感應(yīng)電流 I_Δt 的表達式，然后作 I-t 圖象，通過圖象面積求出電荷量 關(guān)于思路二，有學生提出回路任意時刻的磁通量 通過求導可得 ，進而可利用思路一的方法求電荷量，也有學生根據(jù) 求解。在解答過程中，學生發(fā)現(xiàn)不同的解題路徑指向相同的結(jié)果，領(lǐng)悟到物理規(guī)律內(nèi)在的一致性。

步驟五：沖突激辯，走出誤區(qū)。學生用“多法辯證”驗證電磁感應(yīng)的普適規(guī)律（ ）后，教師聚焦鋁環(huán)下落問題，呈現(xiàn)如圖7所示俯視圖并引導：均勻輻向分布的磁場中有一密度為 ρ₀ 、電阻率為 ρ 、橫截面積為 s 的鋁環(huán)自由下落，設(shè)鋁環(huán)下落時其平面始終保持水平，若鋁環(huán)所在處的磁感應(yīng)強度為 B 求鋁環(huán)下落速度為 v 時，環(huán)中感應(yīng)電流的表達式，并求出下落的最大速度。

圖7

圖5

圖6

一名學生匯報：電動勢 ，電流I= ，安培力 鋁環(huán)以最大速度下落時F=po2πr·Sg，解得v=PPog 另一名學生質(zhì)疑：鋁環(huán)下落時，穿過它的磁通量應(yīng)該沒有變化，磁通量不變能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢嗎？這個問題引發(fā)了學生的認知沖突。教師適時展示裝置的完整磁場分布圖（如圖8），讓學生看到穿過鋁環(huán)的磁感線條數(shù)及密集程度。學生恍然大悟：隨著鋁環(huán)下落，鋁環(huán)平面所處位置的磁感應(yīng)強度增大，穿過它的磁感線增加，磁通量隨之增大，之前的困惑源于對磁場分布理解的片面性，即誤將磁場方向輻向分布等同于鋁環(huán)所在位置磁場強度處處相等，忽視了空間梯度對磁場強度的影響。

步驟六：追溯本質(zhì)，觀念融通。為幫助學生深入認識感應(yīng)電流方向，突破對“阻礙變化\"規(guī)律的認知局限，教師引導學生對楞次定律的本質(zhì)進行哲學思辨：為什么感應(yīng)電流的磁場要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化？鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向能否與原磁場方向相同？教師借助問題串引導學生逐步推理：磁通量變化時，安培力對鋁環(huán)做正功還是負功？這會導致鋁環(huán)的機械能怎樣變化？如果原磁通量發(fā)生變化時感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，會出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？這種情況可能存在嗎，為什么？學生結(jié)合情境分析：安培力對鋁環(huán)做負功，鋁環(huán)機械能減小，減小的部分轉(zhuǎn)化為電能，符合能量守恒；若感應(yīng)電流的磁場與原磁場同向，則安培力對鋁環(huán)做正功，導致鋁環(huán)機械能與電能同時增加，違反能量守恒。由此，學生得出：感應(yīng)電流的磁場必然阻礙原磁通量的變化維持能量守恒，不可能與原磁場同向增強變化。通過思辨，學生深刻認識到楞次定律的本質(zhì)是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的體現(xiàn)，并將能量觀與電磁相互作用觀有機融合。

第三環(huán)：在真實問題下培育科學態(tài)度與責任

教師將電磁感應(yīng)原理問題與現(xiàn)代科技、社會熱點緊密結(jié)合，不僅能激發(fā)學生的學習內(nèi)驅(qū)力，促進知識的深度理解與遷移運用，還能引導學生認識科學技術(shù)的社會功能，涵養(yǎng)理性、負責的科學態(tài)度，樹立社會責任意識。

步驟七：科技溯源，原理遷移。課堂上，教師聚焦“電動自行車動能回收系統(tǒng)”創(chuàng)設(shè)問題情境：“某些電動自行車剎車時，儀表盤顯示電量不降反升。你了解此現(xiàn)象嗎？其蘊含的物理原理是什么？\"這一生活現(xiàn)象有效激發(fā)了學生的好奇心，引領(lǐng)他們進入“發(fā)電機原理\"復習環(huán)節(jié)。

為引導學生理清其中的物理原理，教師設(shè)置遞進式問題。問題 ① ：電動自行車啟動時，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的核心裝置是什么？學生回答“電動機”并回顧了其工作原理——通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動。問題 ② ：能否將電動機“變成\"發(fā)電機？如何實現(xiàn)？學生遷移所學知識，提出利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電動機功能轉(zhuǎn)換的想法：當外力驅(qū)動線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)切割磁感線時，就能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)從電動機到發(fā)電機的功能轉(zhuǎn)換。這個過程幫助學生深刻理解了電動機與發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上的可逆性。

步驟八：實驗驗證，模型論理。為強化學生的探究能力，教師做演示實驗：將兩臺風扇電機A、B串聯(lián)，用外力驅(qū)動電機A轉(zhuǎn)動。學生清晰地觀察到電機B也隨之轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速明顯慢于電機A。教師追問：電機B為何會轉(zhuǎn)動？學生分析得出：電機A轉(zhuǎn)動時切割磁感線產(chǎn)生電流，該電流驅(qū)動電機B的線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動。教師追問“電機B的轉(zhuǎn)速為什么總是低于電機A”，促使學生認識到能量在轉(zhuǎn)換過程中會有所損耗。這個實驗直觀地模擬了電動自行車動能回收的核心過程一一剎車時，車輪（相當于電機A）驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子發(fā)電，將部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存于電池中（相當于驅(qū)動電機B轉(zhuǎn)動），使學生對能量轉(zhuǎn)換的路徑和能量轉(zhuǎn)換存在損耗有了具象化認知。

步驟九：反思改進，創(chuàng)新應(yīng)用。最后，教師提出實際問題：當前電動自行車動能回收效率一般為5%～20% ，哪些因素制約了動能回收效率提升？有何改進思路？學生通過討論，提出機械摩擦損耗、控制系統(tǒng)響應(yīng)延遲、電能存儲和轉(zhuǎn)換效率低、路況及駕駛習慣的影響等制約因素，并提出相應(yīng)的改進措施，如優(yōu)化機械設(shè)計減少摩擦、采用高性能電池、應(yīng)用智能算法等。在此過程中，學生不僅認識到提升能效涉及多學科知識與技術(shù)的協(xié)同，需兼顧成本、安全和可持續(xù)性，還意識到工程師在推動綠色交通中應(yīng)承擔的社會責任。

（作者單位：咸寧市第一高級中學）