“電磁感應”單元教學設計

丁煥平 王錒

摘 要：本單元教學設計依據學習進階理論，基于學生的認知發展和電磁感應單元知識的內在邏輯，梳理概念進階線索，挖掘隱性知識.圍繞電磁感應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鍵點，進行單元學習過程設計和教學設計.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.

關鍵詞：單元教學設計;電磁感應;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”規劃2018年度一般課題“基于學習進階培養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“基于核心素養學習進階的高中物理單元教學設計案例研究”（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 單元教學設計指導思想

單元教學設計是指以一個單元學習內容為整體，既能統籌、規劃統攬全局，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計，從而擺脫課時教學設計碎片化的局限性，是解決當前教學實踐存在的問題并落實核心素養課程目標的有效途徑[2].

2 單元教學內容分析

電磁感應單元有三條概念進階的線索[3]：一是顯性的，即觀察到電磁感應現象，探究電磁感應現象的規律，應用電磁感應現象;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生電磁感應現象時磁能生電，通過楞次定律的學習，理解楞次定律的實質是能量守恒定律的必然結果，體會非靜電力做功把其他形式的能轉化為電能，再到理解各種電磁感應現象都遵守的能量守恒定律.梳理本單元的知識結構進階圖，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和跨學科的科學概念和方法，教師應予以充分發掘.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、已有知識和教師經驗等，從學習基礎和學習困難兩方面對學生進行學習情況分析.

3.1 學習基礎分析

知識層面：學生在初中學習了一些電磁感應的知識，知道閉合電路的一部分導體切割磁感線運動，導體中能產生感應電流，了解發電機的原理以及電磁感應在生活中的一些應用.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：通過質點、點電荷等概念的學習，學生初步經歷了從大量事實經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，獲得可靠實驗數據.學生具備了一定的分析實驗數據、解釋實驗現象并進行歸納總結得出一般規律的能力.

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現象，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）對感應電流產生條件的認識，初中學到，感應電流的產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出感應電流產生的一般條件，對學生歸納抽象的能力要求更高.

（2）從感應電流方向的判斷，學生初中沒有學過如何判斷感應電流的方向，而高中階段探究感應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.在學習電磁學相關知識的過程中，絕大多數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，多數學生的認識感性多于理性，仍舊關心物理世界的表面特征，很難上升到本質聯系[3].

4 單元學習目標

下面以電磁感應現象為主線，結合具體的知識點和素養發展要求，表述本單元的教學目標如下：

（1）逐步完善電磁場物質觀念、運動和相互作用觀念及能量觀念.具體包括：感應電流產生的條件、法拉第電磁感應定律等，理解楞次定律是能量守恒定律的必然結果.

（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電流產生的一般條件;通過實驗，總結歸納得出感應電流的方向，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定律.

（3）能夠應用電磁感應知識解釋生產生活中的相關現象并解決問題，逐漸形成解決實際問題的大思路.具體包括：能應用法拉第電磁感應定律和楞次定律等解決相關的實際問題;了解發電機和電動機工作過程中的能量轉化，體會反電動勢的意義;了解渦流、互感和自感現象.

5 單元學習過程設計

本單元學習過程設計可分為四個層級：一是歸納總結感應電流產生的一般條件;二是從磁通量變化的方向探究感應電流的方向;三是從磁通量變化的快慢得出感應電動勢的大小;四是能運用電磁感應知識分析渦流、自感等生活中的電磁感應現象.這四個部分相互獨立，又層層遞進.表2為電磁感應單元的學習過程設計.

6 主要教學活動設計

以層級2中楞次定律概念的建立為核心問題，設計以下教學活動.

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

本部分由對比實驗引入，學生感受到感應電流有“阻礙”的效果.分組實驗過程要注重對實驗現象進行分類和歸納，提升學生對實驗結果定性分析的能力，得到感應電流的效果總是阻礙引起感應電流的原因，培養學生的科學探究能力，發展學生的科學思維.

（2）在理論的引領下對實驗結論進行深入挖掘，得到判斷感應電流方向更一般的規律——楞次定律的第二種表述，設計過程如圖5所示.

本部分通過對教學活動6.1結論的追問，進一步探究感應電流與磁通量變化之間是如何相互作用的.找到“感應電流的磁場”這個重要的物理量，通過對教學活動6.1中的學生實驗結果進行進一步分析得到楞次定律的第二種表述.發展了學生尋找物理量間關聯的能力，提高了分析、論證及歸納的能力，發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電流的方向，找到楞次定律的本質，設計過程如圖6所示.

從銅管內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節一并概括為“效果阻礙原因”.

7 單元學習效果反饋性評價設計

7.1 思想方法

本學習評價依托電磁感應的基本知識、圍繞物理學科核心素養的具體要求，創設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發展狀況，找出存在的問題，明確發展方向，促進學生的發展.

7.2 階段性測試

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

例題 某研學小組設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域足夠長（大于車長s），車頭進入磁場瞬間的速度為v0，假設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）請評價該設計方案的優點和缺點（優、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，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、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.

任務描述：本題是利用電磁感應原理設計快速剎車的裝置，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.根據速度對時間的微小量累計是位移和動量定理等規律得到，從車頭進入磁場到停止所用的時間.通過與常規剎車的比較，結合電路、電磁感應等相關規律找到該設計方案的優點和缺點.

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質量水平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質量水平4，需要學生有清晰的物理觀念，綜合應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論者可得滿分，其他回答根據層次的不同酌情給分.問題（4）考查的科學探究處于學業質量水平5，對科學探究的過程和結果進行評價，優缺點合理即可得分.

8 單元教學設計反思

本設計基于學習進階理論梳理知識間的內在邏輯，挖掘隱性知識，發展學生的物質、運動與相互作用和能量等物理觀念.在電磁感應知識結構化的過程中發展了學生的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維，形成解決物理問題的大概念、大思路，培養了學生的科學探究、科學態度與責任等物理學科核心素養.

本單元教學設計注重創設真實的物理情境，本著落實以學生為中心的理念設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、大情境和大問題統領物理單元教學設計[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）