基于物理核心素養提升的教學設計策略

高峰

新課標提出，要求高中物理教師應轉變傳統的教育教學觀念，進一步加強自身學習，把培養和發展學生核心素養與物理學科核心素養有機結合，體現出物理學科教學對培養核心素養的獨特的育人價值。基于核心素養培養和提升的高中物理教學，要求教師從改進教學方法、優化教學策略著手，有針對性的進行課堂教學設計。在教學設計的過程中，需要對教學內容從核心素養的視角進行分析，根據物理學科核心素養的每一個要素的要求與內涵設定適合的教學目標，設計好核心素養培養和提升的教學過程。本文以“楞次定律”教學為例，談談基于物理核心素養提升的課堂教學設計與思考。

1 基于物理核心素養的教學目標設定

“楞次定律”是高中物理電磁學部分非常重要的規律之一。教學中如何制定指向核心素養的教學目標呢？在《普通高中物理課程標準（2017年版）》中，“電磁感應及其應用”的內容要求為：“探究影響感應電流的因素，理解楞次定律。”，對課本上的例1的要求為：“用能量的觀點解釋楞次定律”。經過認真研讀教材后，結合新課標中的學業要求和學生實際，制定了指向核心素養的教學目標。

1.1 物理觀念

（1）相互作用觀念。“來阻去留”是指條形磁鐵靠近（遠離）線圈時，磁鐵與線圈間有斥力（引力）作用。

（2）能量觀念。磁鐵在線圈中與線圈發生相對運動時，二極管發光（鋁環運動狀態發生改變）是因為其他形式的能量轉化為二極管所在電路的電能（鋁環動能）。

（3）規律與理論。楞次定律：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

1.2 科學思維

（1）根據楞次定律判斷感應電流方向：（（穿過閉合導體回路的磁通量變化+原磁場方向）→感應電流的磁場方向）+右手螺旋定則→感應電流的方向。

（2）利用“增反減同”方法判斷線圈（鋁環）中感應電流方向。

（3）利用“來阻去留”的思想解釋磁鐵與線圈（鋁環）間相互作用及能量轉化與守恒問題。

1.3 科學探究

（1）參與楞次定律的實驗探究，體驗科學探究的一般過程。

（2）經歷探究原磁場方向、原磁通量變化與感應電流方向關系的過程，提出結論不符合物理學科的“簡潔美”，再用條形磁鐵快速靠近（遠離）鋁環實驗找到“中介”量，使探究結論“簡潔美”。

（3）經歷磁鐵與鋁環（管）間的相互作用，體驗“來阻去留”，感悟楞次定律的本質。

1.4 科學態度與責任

（1）引導學生體會科學工作者的研究過程，認識到他們工作中的認真、嚴謹、克服困難的態度。

（2）感受物理學家對物理結論追求“科學美”的科學態度。

（3）培養學生實證與推理相結合的科學態度。

2 基于核心素養的教學設計

按照教材上《楞次定律》的設計施教，基本可以實現核心素養、學科觀念的培養，科學思維能力的提高和科學探究能力的提升。但是，這節課內容雖不多，但思維活動多，難度也大，涉及到的變量又多，而且很難一下找到這些變量之間的關系。對于這樣一個非常重要的規律，要在40分鐘內，通過真實的科學探究連貫完成，必須對這節課進行整體謀劃，精心布局。為此，筆者對教材中原有的演示實驗進行了小小改進，為學生騰出更多的交流討論時間。同時，對這節課采用任務分解的形式，將教學目標分解到每一個教學任務環節，逐個解決，實現核心素養培養和提升。

任務1：觀察現象，發現問題

問題情境：課前準備好由螺線管、導線、兩個反向并聯的二極管構成的閉合導體回路。教師手拿條形磁鐵，將條形磁鐵的一端快速插入線圈，稍做停留后再快速抽出。如圖1所示，要求學生觀察現象。

問題：

（1）當條形磁鐵的N極插入螺線管時，看到什么現象？

（2）再把條形磁鐵從螺線管中抽出呢？

（3）條形磁鐵N極插入和抽出時，分別看到紅、綠不同的燈發光說明什么？

問題指向的素養目標：能根據看到的現象猜想出回路中有電流（科學探究）;能根據紅、綠二極管發光比對判斷出兩種情況下電流方向不同（科學探究）。

教學建議：

（1）實驗設計建議：本實驗沒有采用課本上的演示實驗方案，而將電流計換成兩個反向并聯的二極管。一是可以減少探究電流方向與電流計指針偏轉方向的關系這個環節，為后面探究感應電流方向規律留出更多時間。二是減少對學生思維上的干擾，讓學生能更好的集中于本節課的主題。

（2）實驗操作建議：為了讓實驗現象更加明顯，最好選用釹鐵硼磁鐵（后文統稱“強磁鐵”），在插入和抽出時動作要快（為下一節法拉第電磁感應定律做鋪墊），二極管要選兩種不同顏色的，以方便對比。

（3）教學活動建議：學生對問題1、2的回答是有電流經過二極管，才會發光。問題3是因為兩次的電流方向不同。教師根據學生的回答一一肯定。為后續問題做好鋪墊。

任務2：科學猜想 制訂方案

問題情境：基于上節課感應電流的產生條件及觀察上述現象，猜想感應電流方向的影響因素，制訂收集信息的方案。讓學生討論并回答問題。

問題：（1）根據二極管的發光情況，判斷經過二極管的感應電流的方向？;（2）根據二極管中的感應電流方向如何記錄線圈中感應電流的方向？;（3）線圈中感應電流方向與哪些因素有關？

問題指向的素養目標：能根據實驗裝置進行抽象概括畫出相應的物理模型（科學思維）。

能根據二極管的發光情況確定線圈中感應電流方向（科學探究）。

通過比對、歸納，猜想感應電流方向與哪些因素有關（科學探究）。

教學建議：

（1）思維引導建議：運用控制變量的思想，通過比對圖1中（1）、（3）都是插入（磁通量增加），但極性（原磁場方向）不同時，感應電流方向相反，說明感應電流的方向與原磁場方向有關;（1）、（2）對比，當N極向下（原磁場方向向下），插入和抽出時感應電流方向相反，說明感應電流的方向與原磁場穿過線圈的磁通量的變化情況有關;幫助學生找到影響感應電流方向的因素。

（2）實驗操作建議：引導學生邊做實驗邊記錄。

（3）教學活動建議：問題1、2學生根據觀察可以準確回答，并依次畫出圖1記錄。教師給予肯定。問題3稍有難度，留出時間，學生討論，認真分析、歸納，然后教師針對學生得出的結論進行評價。

任務3：償試歸納 生成問題

問題情境：完善實驗方案，收集數據，探究原磁場方向、原磁場磁通量的變化與感應電流方向有什么關系。問題：為了發現感應電流的方向有什么規律，你認為我們還應該如何分類記錄信息？

問題指向的素養目標：能通過建模，對信息分析、比對、抽象、概括，償試找到感應電流方向的規律（科學思維）。

教學建議：

（1）思維引導建議：針對上面的問題，涉及到的方向等變量比較多，學生不好找規律。因此，教師再次引導學生回到分析圖和表格信息上來，讓學生反復比對表格信息，比較異同點，聯系分析圖，結合安培定則，同學間再討論。部分學生可以得到判斷感應電流方向的方法，形成一般的結論。

（2）教學活動建議：由學生討論后可以整理出如圖2的表格信息，回答情況主要有如下三種情況：

情況一：最多最典型的回答，當原磁場方向向下時，磁通量增加（減小）時，感應電流方向是逆時針（順時針）方向;當原磁場方向向上時，磁通量增加（減小）時，感應電流方向是順時針（逆時針）方向。

情況二：磁通量增加時，當原磁場方向向下（向上），感應電流方向是逆時針（順時針）方向;磁通量減小時，當原磁場方向向上（向下），感應電流方向是順時針（逆時針）方向。

情況三：左右手定則，即當磁通量增加時，左手握住螺線管，讓左手大拇指與磁場方向相同，其余四指的環繞方向為感應電流方向;當磁通量減小時，右手握住螺線管，讓右手大拇指與磁場方向相同，其余四指的環繞方向為感應電流方向。

首先教師要對學生的歸納給予肯定和表揚，特別是情況三。根據奧蘇貝爾的認知理論，可用如圖3表示。

任務4：深入探究 解決問題

問題情境：一對輕質鋁環放置于支架上，輕質鋁環可以繞支點自由擺動，開始時整個裝置靜止.當條形磁鐵的任意一極靠近和遠離閉合鋁環時，觀察鋁環的狀態。探究原磁場方向、原磁場磁通量變化與感應電流方向間的更簡潔的規律。問題：本來靜止的鋁環在磁鐵靠近（遠離）時會排斥（吸引），這是為什么？

問題指向的素養目標：理解磁鐵與鋁環存在相互作用的原因（相互作用觀念）。

教學建議：

（1）思維引導建議：磁鐵靠近時排斥，遠離時吸引。磁鐵靠近（遠離）時，穿過的磁通量增加（減小），鋁環中產生感應電流，感應電流的磁場與磁鐵發生相互作用。打破學生原有的思維困境：只研究原磁場方向、原磁場磁通量變化、感應電流方向這三個量的關系。

（2）教學活動建議：經過討論，學生發現：如果把感應電流的磁場方向作為“中介”，把原來的原磁場方向、原磁場磁通量的變化與感應電流的方向關系“轉換”成原磁場方向、原磁場磁通量的變化與感應電流的磁場方向的關系，這樣可以使結論更簡潔。

問題情境2：通過上面的討論分析，學生結合問題，補充完善后的信息表格如圖4，增加一行“感應電流的磁場方向”。最后得到楞次定律。

問題：（1） 你認為感應電流與原磁場之間有直接關系嗎？;（2） 感應電流與磁通量變化有直接關系嗎？（3） 你認為哪個量與感應電流有直接關系？

問題指向的素養目標：能通過建模，對信息分析、比對、抽象、概括，推理，找到感應電流方向的規律（科學思維）。

教學建議：

（1）思維引導建議：感應電流方向與磁通量變化之間、感應電流方向與原磁場方向在兩個相互垂直的方向，都沒有直接關系。根據右手螺旋定則，感應電流方向與感應電流的磁場之間有直接關系。從而尋找到感應電流方向與前面兩個物理量聯系的“中介”——感應電流的磁場方向，再通過表格信息概括為“增反減同”，進一步引出“阻礙”一詞。

（2）教學活動建議：問題1、2學生能夠獨立思考回答。問題3要求學生有高度的抽象、概括能力，所以要留給學生充分的討論時間，利用感應電流的磁場方向這個“中介”可以得到：當磁通量增加時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相反;當磁通量減小時，感應電流的磁場方向與原磁場方向相同。初步概括為“增反減同”，在教師和同學的補充下，得出感應電流的磁場與磁通量的變化是“阻礙”的關系。最后，在學生和教師的討論后，共同歸納、提煉出楞次定律的內容。

任務5：探尋本質 形成素養

問題情境：理論分析磁鐵與鋁環間相互作用，從力和運動與能量守恒兩個角度分析“來阻去留”的深層含義。

問題：

（1）請同學們先畫出磁鐵靠近和遠離鋁環時，鋁環中的感應電流方向。

（2）再畫出感應電流的磁場方向并標明等效磁極？

（3）能否從力的角度解釋靠近排斥遠離吸引？

（4）鋁環中電流的磁場對磁鐵做功嗎？做正功還是負功？（5）能量是如何轉化的？

問題指向的素養目標：1.能根據問題建立模型（科學思維）。

能利用相互作用與運動關系做出符合邏輯的解釋（相互作用觀與運動觀）。

能夠運用能量轉化與守恒定律做進一步理解（能量觀）。

問題指向的素養目標：

（1）能根據問題建立模型（科學思維）。

（2）能利用相互作用與運動關系做出符合邏輯的解釋（相互作用觀與運動觀）。

（3）能夠運用能量轉化與守恒定律做進一步理解（能量觀）。

（4）認識相互作用的本質（科學態度與責任）。

教學建議：

（1）思維引導建議：從觀察現象到建立模型，從畫出電流、標明等效磁極到具體的相互作用與運動間的關系，再到能量轉化與守恒，教師要在思維路徑上的關鍵節點處引導好學生，幫助學生養成良好的科學思維習慣。

（2）教學活動建議：問題1-3學生可以獨立思考并建立物理模型，如圖7中甲、乙、丙、丁，理解磁鐵與鋁環間的相互作用與運動關系;問題4結合磁鐵與鋁環間的相互作用與運動的關系，可以回答;問題5是本節難點，也是楞次定律的本質，師生一起討論出，產生感應電流的過程也必須遵守能量守恒定律，這是能量轉化的必然結果。“阻礙”的作用是小磁鐵克服感應電流的磁場力做功，把其他形式的能量（或其他電路的電能）轉化（或轉移）為感應電流所在回路的電能，沒有這種“阻礙”就不能實現能量的轉化（或轉移）。

問題情境2：觀察落磁現象，真實體驗“來阻去留”。（1）圓柱形強磁鐵分別從等長銅管、透明PVC管和鋁管管口掉下來，觀察下落快慢;（2）再觀察強磁鐵迅速從1角錢硬幣（要鋁制那種）上拿走，觀察硬幣（也可以從鋁制易拉罐上用剪刀剪下一個鋁環代替硬幣）的狀態;（3）用強的條形磁鐵在鋁管中快速插入和抽出，真實感受“來阻去留”。問題如下：

問題：運用本節課學習的知識解釋上述現象。

問題指向的素養目標：運用得出的結論解釋物理現象（運動與相互作用觀念、能量觀念）。

教學建議：

教學活動建議：在解決問題的過程中，學生學會圍繞：（（穿過某一閉合導體回路的磁通量變化（增加或減小）+原磁場方向）→感應電流的磁場方向（與原磁場方向相反或相同）+右手螺旋定則）→感應電流方向，這樣的思維路徑解釋或解決問題。體現了課堂學習中學科和科學的理念，有利于物理核心素養的培養。

3 基于核心素養的教學設計策略

3.1 立足課標 鉆研專材

教師應將施教內容做詳細研究，制訂合理的教學目標，教學活動，維繞學生的思路實施教學，為培養學生物理學科核心素養打基礎。

3.2 創設情境 真實探究

物理概念的構建、規律的探究，應用物理知識解決問題，都需要創設情境。學生只有在真實的情境中才能留下有跡可循的思維軌跡，這樣有條理的學到的知識才不至于碎片化，才能建立完整而又穩定的知識結構。促進學生物理學科核心素養的形成。

3.3 大膽質疑 勇于創新

質疑是為了更好的創新，要鼓勵學生敢于質疑，敢于挑戰權威。學生對某些觀點提出質疑后，才會激發他們再研究，再思考，發現更好的辦法，不斷的創新，從而促進學生物理學科核心素養的提升。

3.4 注重評價 達成素養

通過問題的解決過程，讓學生不同程度的獲得提出問題、學會探究、建構模型、解決問題的能力。同時發現問題、確立培養方向，并做出有效反饋評價，促進學生全面而有個性的發展。

4 結束語

培養物理學科核心素養是新課程標中提出的重要目標，將核心素養的培養落實起來。而學習概念和規律是學生形成物理觀念的基礎;發展學生的科學思維能力是物理概念建構和理解物理規律過程的重要途徑;培養和提高科學探究能力是獲取知識和解決問題的重要手段;把學生培養成具有良好的科學態度與責任的人是目標。因此，我們首先要分析學情和教學內容，設定合理的教學目標，其次，優化教學過程，創新教學策略，重視學生的思維形成。最后，關注學生的認知結構變化，激發學生求知欲，提煉學習方法和學習體會，提升學生的科學態度等方面的素養。在高效的物理課堂教學過程中，為社會的發展培養出更多的創新型人才。

（作者單位：浙江省杭州市臨安區天目高級中學）