基于發展學生核心素養的“法拉第電磁感應定律”課堂教學設計

張齊峰

摘要：本文介紹了運用簡易自制教具，定量探究法拉第電磁感應定律的教學設計過程，改進了教材上的學生實驗.同時，教學中以實驗、問題、啟發、應用或拓展為手段，以語言、圖象、表格或代數為方式，讓學生在動眼、動手、動口、動腦或合作交流中，逐步發展了學生的核心素養.

關鍵詞：學生核心素養；法拉第電磁感應定律；教學設計

課堂是學生發展能力的主陣地，為了發展學生核心素養，筆者上了一節市級教學公開課，現把這節課的教學過程和設計意圖與同行分享.

1教學過程

1.1激趣引入

上課伊始，組織同學進行趣味比賽.要求兩名同學同時操作手搖式兩臺發電機，比較哪個燈泡更亮，獲勝者予以鼓勵.

設計意圖 前蘇聯教育家蘇霍姆林斯基說過：“求知欲，好奇心是人的永恒的，不可改變的特性.哪里沒有求知欲，哪里便沒有學校.”有效的教學情境，可以激發學生強烈的求知欲望.讓學生在親手操作，親歷情境和親身體驗中點燃學生探究和學習的“火把”.

1.2猜想與假設

與參加趣味游戲的同學交流，你認為發電機的電動勢（感應電動勢）大小可能與哪些因素有關？學生可能回答，與磁場強度、轉速、線圈大小、匝數和導線的粗細等有關.

教師：下面三種圖（圖1、圖2、圖3）均能產生感應電動勢，上述因素是否是影響感應電動勢大小的最本質的因素？

學生：在圖1、2和3中，由于不涉及轉速或線圈大小，所以轉速和線圈大小不是最本質因素.又因為感應電流產生的條件與磁通量的變化有關，結合發電機實驗的感受，我認為可能與磁通量的變化、匝數和運動時間有關？

教師在學生回答的基礎上總結，感應電動勢E可能與磁通量的變化△φ、匝數n和時間△t有關.

設計意圖 提倡開放性和主動性，引導學生分析現象，排除非本質因素，得到本質屬性，訓練學生的觀察能力和信息收集、分析與處理能力，達成核心素養中自主發展（學會學習，健康生活）的部分目標.

1.3設計與實驗

教師：為了檢驗我們的猜想是否正確，下面我們運用控制變量法進行定量研究.

原理分析 如圖4，小車載著磁鐵從上滑下到進入線圈△L過程中（如圖5），閉合回路的磁通量φ增大、磁鐵速度υ增大，則閉合回路的感應電動勢E增大，靈敏電流計偏角會不斷變大.調節光電門到線圈的距離，當靈敏電流計偏角最大時，用數字計時器測此時瞬時時間△t.改變線圈的匝數或磁鐵的條數，就改變了閉合回路的匝數n或磁通量的變化△φ；改變小車下滑的距離L，就改變了時間△t，血這樣，就可以比較感應電動勢E與匝數n、磁通量的變化△φ和時間△t的關系了.

實驗步驟與數據處理

（1）保持磁通量△φ、△t不變，探究E與匝數n的關系（表1）.

（2）保持△t、匝數n不變，探究E與△φ的關系（表2）.

（3）保持△φ、匝數n不變，探究E與△t的關系（表3）.

將數據描點、連線，即可得圖6、圖7和圖8.

設計意圖 學生自己進行組內分工與相互合作，自己設計實驗、動手實驗、記錄數據、描繪圖象和得出結論，由實驗表象向歸納結論逐步過渡，主動構建知識，達到核心素養中的社會參與目標.

1.4實驗結論

教師：1831年，法拉第發現電磁感應現象，之后大量的科學家開始研究電磁感應現象，最早由紐曼、韋伯各自從理論上提出了感應電動勢的計算公式，之后法拉第通過精確的實驗驗證了這一規律.人們為了紀念法拉第在電磁感應現象方面的突出貢獻，就用他的名字命名了這一定律，即E=k△φ/△t，（k為比例系數）.在國際制單位中，因為1V=1Wb/s，故k=1，即單匝線圈產生的感應電動勢E=△φ/△t.又因為n匝線圈相當于n個電源串聯，所以n匝線圈的感應電動勢E=n△φ/△t.

設計意圖 適時滲透情感、物理文化、思想和方法教育，避免生硬說教，同時關注學生成長，達成核心素養中的文化基礎目標.

1.5延伸推導

教師：能否利用法拉第電磁感應定律推導“導線切割磁感線時產生的感應電動勢”？請完成下列兩種情況的推導.

學生：垂直切割時，如圖9所示，導體由ab勻速移動到a1b1，這一過程中穿過閉合回路的磁通量變化△φ=BLv△t，△t時間內軌道與金屬棒所圍面積內磁通量的變化量為△φ=BZis=Bvl△t.由法拉第電磁感應定律得E=△φ/△t=Bv△tL/△t=BLv.即垂直切割電動勢E=BLv.

學生：切割方向與磁場方向成θ角時，如圖10所示，將υ分解為垂直于B和平行于B的兩個分量，其中v2=Vcosθ，沒有切割磁感線，不產生電動勢；與B垂直的分量v。=vsinθ，切割磁感線產生電動勢E=BLvsinθ.

設計意圖 通過對所學知識的合理推導，體驗解決問題的成功喜悅，增進學習物理的情感.推導后，注重教師評價和同伴評價的有機結合，引導學生自主發展，達成核心素養中的自主發展目標.

1.6例題分析

例1 如圖11所示，在磁感應強度為IT勻強磁場中，一根長為20cm的導線以2m/s的速度運動，運動方向與磁感線方向成30°角，求導線中的感應電動勢的大小？

例2 勻強磁場垂直于紙面向外，磁感應強度B=2×10T，一個直徑為20cm、電阻為0.1Ω的圓形圈放在磁場中，線圈平面垂直磁場方向。在線圈某一直徑兩端用力拉線圈，如圖12所示，在0.5s內使線圈面積變為零。問：在這個過程中，線圈內感應電流的方向如何？平均感應電流有多大？

設計意圖 引導學生根據題設條件，從物理規律出發，通過分析、綜合或類比等，將實際問題簡化為物理模型，運用新知識解決新問題，達到消化、理解和反饋所學新知識.同時兩組例題對比，讓學生在反思中鞏固、深化和提高，使學生的知識結構由點到面、由面到體，形成合理的知識結構.endprint

1.7討論與展望

討論電動機線圈轉動時，會產生感應電動勢，這個電動勢是加強了電源的電流，還是阻礙了電源的電流？學生討論后發表見解，教師點評總結得出，電動機轉動時產生的感應電動勢，與電源的電流方向相反，稱為反電動勢，會阻礙線圈的轉動，從而對線圈做負功，使電能向其他形式的能轉化.

展望電磁感應規律在日常生活中，有著廣泛的應用.可以根據此原理制造發電機、感應電動機和變壓器等電器設備，有興趣的同學可查閱資料或預習下一節.

設計意圖“討論”片段，讓學生運用新知識解決舊問題，為知識安裝一個應用“接口”，逐步培養學生學以致用、勤于思考和發現問題的好習慣；“展望”片段，提出新知識.新情景，為知識安裝一個拓展“窗口”，激發學生探究新知識的欲望，以求達到核心素養中的自主發展和文化基礎的部分目標.

2教學反思

2.1課前

教師需充分了解學生的認知障礙，在教學過程中為學生設計邏輯關系嚴謹、難度梯度適當的問題或實驗系列，把知識問題化，問題情境化，將學生置于問題的情境中，讓他們經歷智力的探險，收獲思維和智慧，改變只會“模仿”不會“遷移”的頑癥.

2.2課中

通過課堂學生演示實驗和分組定量探究實驗，讓學生親臨其境，獲得具體的直接經驗，得到清晰認識.并在教師的啟發引導下，經過學生討論、分析、推理和歸納，上升到理性認識，形成物理概念或物理規律.

2.3概念規律教學

一個物理概念或物理規律可以用語言、圖表、代數或幾何等方式表達出來，而不同的學生對信息的不同表征形式有著不同的反應.教學中需幫助他們找到最適合自己的表征形式.反過來，如果一個學生能夠以多種形式來表達同一問題，就表示他們已經對此問題有了非常透徹的理解.

2.4教學思想

運用物理概念或物理規律時，依據“發現學習”的教學思想，需從學生身邊的生活實例入手，突出從生活走向物理，從物理走向社會，在階梯中領悟，在漸進中進步，激發學生關注生活、應用知識解決問題的熱情和能力.

2.5課后

還應注重各種知識間的相互聯系，從整體角度看知識結構，將學生各方面零散知識聯系在一起，這樣有利于學生全面掌握知識和理順各部分與整體的關系.endprint