基于單元學習的課時教學設計

楊思鋒　熊榮領

摘要：本文基于單元學習思想，以課時教學設計為抓手，從單元主題內容整體分析及課時內容呈現說明、學生學習水平判斷，參照課程標準制定出本課時的學習目標;在任務驅動下設計教學活動，以問題為導向展開活動，使學生獲得學習體驗;借助有效的評價手段，以達成結構化的知識學習目標。

關鍵詞：高中物理 單元學習 課時教學設計

新課程新教材的實施，以追求學科核心素養目標的培養為表征。深度學習是落實學科核心素養的重要途徑。深度學習倡導單元學習，而單元學習的認識成果又是通過課時學習反映和達成的，所以，課時教學設計是一項基礎性的工作。

一、“電磁感應與電磁波初步”主題單元知識分析

人教版物理新教材必修第三冊整體上反映的是“電磁場與電磁波”主題。由于內容量過多，就把靜電場、電路及其應用（穩恒電場）部分作為兩個小的主題，而把電磁感應與電磁波初步作為一個重要主題進行設置。

“電磁感應與電磁波初步”主題首先說明了磁場的物質觀念，以運動與相互作用觀念為橋梁，即關于電磁感應的研究和認識，又從能量觀念上強化了電磁場的物質屬性，即電磁場具有能量。內容安排上，從基于事實的磁場模型建構開始，通過類比分析，形成猜想與假設，設計實驗，得出結論并做出解釋，結合科學推理與論證，發現了電磁感應現象;又經過質疑和批判，形成了完整的電磁場理論，并成功預言了空間電磁波的存在。

電磁場及電磁波理論的廣泛應用，進一步奠定了其物質屬性的實踐基礎。

通過本主題單元的學習，學生能切實體驗和感受到科學家探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及所表現出來的道德規范。

二、本課時內容的認識分析

時代的發展和變化，會引發對科學研究及發現過程更加全面而深入的思考。中學生科學學習的過程可以遵循科學探究的歷程，也可以是其他有效的形式。

1831年，法拉第終于發現隨時間變化的電流會在鄰近導線中產生感應電流。隨后，他做了一系列實驗，從不同角度證明了電磁感應現象。大致以下五種類型：

（1）如圖1所示，螺線管A與電流計G接成閉合回路，螺線管B、電源E和開關S串接成另一獨立回路。當按下S接通電路的瞬間，電流計的指針偏轉，即線圈A中出現了電流。當B中電流恒定時，電流計指針回到零位，表明A中沒有電流。在斷開S的瞬間，電流計的指針又發生偏轉，偏轉方向與S按下時相反。實驗表明，只有通電線圈的電流發生變化才會在另一個線圈中產生感應電流。法拉第從中認識到感應現象的暫態性。同時，他估計通有變化電流的線圈的作用相當于提供一個變化的磁場，于是他接著又做了以下實驗（圖2）。

（2）在圖1中，合上開關S，線圈B中通以穩恒電流，電流計G的指針處于零位。這時，如果將線圈A迅速移近B，或者如圖2所示，將A迅速移近磁鐵，則也能觀察到G的指針偏轉，即A中出現感應電流。如果A與B或A與磁鐵之間的相對運動停止，則G的指針回到零位，即A中無感應電流。當A迅速移開B或磁鐵時，A中出現感應電流，但方向與移近時相反。當A與B或A與磁鐵之間相對速度越快，G的指針偏轉越明顯，即A中感應電流越大。實驗表明，不管什么辦法，只要使閉合線圈A處的磁場發生變化，線圈A中就會出現感應電流。但這時，他想搞清楚這里磁場的變化是磁感應強度B的變化還是磁場強度H的變化，于是他又做了下面的實驗（圖3）。

（3）如圖3所示，一螺繞環A通以電流I，另一接有電流計G的閉合回路B從螺繞環孔中穿過。當斷開A中電流的瞬間，G的指針偏轉，顯示回路B中出現了感應電流。如果螺繞環不用鐵芯，則B中的感應電流很小;如果用上鐵芯，A中通以同樣大小的電流I，則當切斷該電流時，回路B中的感應電流顯著增加。這就說明感應電流的大小由磁感應強度決定。他進一步思考，穿過閉合回路磁感應強度的變化，意味著通過該回路的磁通量的變化。于是他推測磁通量的變化是產生感應電流的最終原因。那么，對于一個閉合回路，磁感應強度不變，只改變回路的面積，同樣會使穿過回路的磁通量變化，也應該能產生感應電流。于是他做了下面的實驗（圖4）。

（4）如圖4所示，接有電流計的裸導線框CDEF處在均勻的靜磁場B中，磁感線方向與線框平面垂直，線框的EF邊可沿DE和CF邊滑動并保持接觸。實驗表明，當EF邊朝某一方向滑動時，電流計G的指針發生偏轉，即線框CDEF中出現了感應電流。EF邊滑動越快，G指示出的感應電流越大。當EF邊反方向滑動時，感應電流方向相反。

上面的做法也可以從另一個角度看，即感應電流是由于閉合回路中的一段導線做切割磁感線運動時產生的。他首先領悟到這一點，并設計出圓盤直流發電機，如圖5所示。圖中D是固定于一導體軸上的導體圓盤，b、b′是分別與盤軸及盤沿保持滑動接觸的金屬刷子，導線通過刷子與盤組成閉合回路，均勻靜磁場與盤面垂直。當導體圓盤繞中心軸旋轉時，G的指針發生偏轉，說明回路中出現了感應電流。

（5）在上述任一實驗裝置里，在出現感應電流的回路中串聯不同的電阻，其他條件不變，會發現對于同樣的磁通量變化，感應電流回路中的電動勢相同，與回路中的電阻變化無關。這一結果證明感應電動勢比感應電流更能反映電磁感應現象的本質。

……

教材中內容的安排與上述法拉第的實驗研究過程大體一致，只是在新課程新教材背景下，基于高中學生的知識特點和學習方式，首先以問題的形式讓學生聯想初中已學過的知識，即閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時導體中就會產生感應電流。進一步提出：是否還有其他產生感應電流的方法，以及這些方法之間的內在聯系。

接著，教材重構研究電磁感應現象的問題情境，明確了初步的物理觀念，即“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才能出現的效應，然后進入新的學習活動中。

活動1是和學生一起建構他們在初中研究產生感應電流實驗的物理知識模型。在知識聯想的基礎上，對實驗結果做類似法拉第當時的深入分析，提出感應電流的產生可能與穿過回路的磁通量的變化有關。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

活動2是將上述猜想轉化為學生的實驗探究環節。實驗的設計看上去只是一個實驗，但卻是法拉第當時幾個基本實驗的組合。經過科學探究，與學生一起找到感應電流的產生條件。

活動3介紹法拉第的圓盤直流發電機，說明科學如何向技術轉化，同時也為了對學生進行科學態度與責任教育。

三、學生的學習水平分析

剛進入高二年級學習的學生，雖然比初中階段的學生在知識思考和科學探究方面有一定的發展，但整體上還處于這樣的狀態，即經過實驗感受和考試訓練，對閉合電路的一部分導體在做切割磁感線運動時產生感應電流有形象的認識，甚至能正確分析一些相關的問題，如電動機工作過程中有電磁感應現象發生，但一般不會有意識地思考相關更深入的問題，如“還有沒有其他產生感應電流的方法”“感應電流是電荷的移動形成的，那么，是什么力導致了電荷的移動”等。這也體現在他們對科學探究學習的認識方面，即物理知識的研究過程，就是從提出問題到進行猜想與假設，經過實驗驗證，最后得出結論。這種不全面的認識常常對學生的學習和思考有負面影響。同時，高中學生由于過于重視習題訓練和考試成績，而缺少體會和發展物理觀念的意識?？梢?，教材的內容設計有合理的針對性。

四、本課時的學習目標

基于前面的分析，參照物理課程標準（2017年版2020年修訂）制定出以下學習目標（采用“三維敘寫”格式，依據是核心素養導向下的目標是三維目標的整合;其中已經有重點、難點部分的分析處理）：

（1）能明確表述電、磁現象的相似特性，體會電、磁現象的對稱性特征。

（2）通過分析奧斯特“電流的磁效應”實驗，基于對稱的思想，能提出具體的關于“磁體的電效應”可能對應的實驗現象，如很強的電流（激發出很強的磁場）可能會在鄰近的閉合導線中感應出電流。

（3）在觀察和想象的基礎上，能描述1831年法拉第發現電磁感應現象的實驗設計和實驗現象，體會“磁生電是一種在變化、運動的過程中才能出現的效應”。

（4）在老師的引導下，建立初中階段實驗“閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時產生感應電流”的問題模型。結合磁通量的物理意義，能發現“導體切割磁感線運動產生感應電流的原因可能是穿過閉合回路的磁通量發生了變化”。

（5）基于上述猜想（假設），能理解教材實驗“探究感應電流產生”設計的思想;能按照實驗步驟完成實驗過程，準確記錄實驗現象;能用“猜想”的觀點解釋實驗現象，并得出正確的實驗結論。

（6）能用“閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時產生感應電流”的觀點解釋法拉第的圓盤發電機工作原理，體會科學如何向技術進行轉化。

（7）通過查閱資料，了解現代火力、水力發電廠主要設備的工作流程，感受科學技術在現代社會發展中的應用。

五、課時教學實施策略

教學在電學實驗室中進行。在深度學習理論指導下，整個教學過程遵循在任務驅動下創設問題情境，設計教學活動;學生在活動開展中，以問題為導向，通過聯想與建構等基本學習方式，讓學生親身參與活動;通過相應的評價手段測評，檢查并促進學生形成結構性的認知，獲得良好的學習體驗。

六、課時教學開展

環節一：創設問題情境

本章一開始，我們又一次經歷了奧斯特的電流磁效應實驗，它反映的是電與磁相互作用的一個方面。為了進一步探究“磁體或電流的電效應”現象，有必要對下面兩個方面的問題形成共識。

提出問題：①請全面細致比較電、磁現象的相似性;②基于對稱性原則，請明確提出關于“磁體的電效應”可能的表現是什么，包括相關的實驗裝置和可能的實驗現象。

活動開展：要求學生通過聯想，或同學間交流討論，或自主學習教材。

評價問題設置：①請闡述磁體如何有效磁化一根鐵棒，結合實驗說明靜電感應現象如何發生。②請利用法拉第的實驗設計方案預測可能的實驗現象。

環節二：了解法拉第關于電磁感應的研究歷程及發現，體會該發現的理論意義和社會價值。

提出問題：①法拉第在探索電磁感應的實驗研究過程中，最終設計了什么樣的實驗裝置？在什么樣的情況下發現了電磁感應現象？②請基于運動與相互作用觀念，描述電磁感應現象的性質。③請從理論創新和實踐應用方面舉例說明發現電磁感應現象的意義。

活動開展：要求學生自主學習教材，在此基礎上交流對法拉第實驗從設計到操作等各方面的認識;根據學生的學習水平，教師也可以在知識方面做些引導，如實驗用的鐵環相當于螺繞環的鐵芯，給線圈通電后鐵環內存在很強的磁感應強度。這符合法拉第最初的預想。

評價問題設置：①教材上圖13.31是法拉第研究和發現電磁感應現象的實驗裝置中的基本部分，你能說明該設置有哪些方面與他本人開始的預想相一致，又有什么不同？②你能否從理論和實踐應用兩方面，或舉例說明電磁感應現象的意義？

環節三：新知識的學習

任務1 基于初中階段研究電磁感應現象的實驗裝置，建構其理論問題模型，提出關于電磁感應產生條件的新的猜想（或假設）。

提出問題：①教材上圖13.32所描述的實驗裝置示意圖，能完成初中階段研究電磁感應現象的實驗裝置的所有情況的操作嗎？②磁通量是磁場中的一個基本物理量，那么，在上面各種產生電磁感應現象的操作中，穿過圖中閉合回路的磁通量是如何變化的？

活動1開展：要求學生基于圖13.32，說明各種操作會出現的實驗現象，并用“切割磁感線”觀點解釋相關的實驗現象;再討論和列出數學式，分析各種操作中穿過閉合回路的磁通量是如何變化的。

評價問題設置：①你認為從“切割磁感線運動”和“穿過閉合回路的磁通量變化”兩個角度去探究感應電流產生條件，哪個更深入一些？②如果后者是正確的，你有什么思路去對該猜想進行實驗驗證？E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

任務2 完成實驗：探究感應電流產生的條件。

情境創設：如果上面的猜想是正確的，那么，由Φ=BS，我們可以通過改變磁感應強度B或改變閉合回路的面積S兩個途徑來實現磁通量的變化，后者已經得到了實驗驗證。下面的實驗設計，我們就可以聚焦通過改變穿過閉合回路的磁感應強度，來觀察回路中是否有感應電流出現。

提出問題：①從實驗操作上，有什么辦法能不斷改變磁體的磁感應強度？②在圖13.33所示的實驗裝置中，各步操作是如何改變螺線管的磁感應強度的？你認為哪種情況螺線管磁感應強度改變得較快？

活動2開展：①對上述問題開展討論;②分組組裝實驗裝置;③分組進行實驗，記錄實驗現象;④分組交流實驗過程和實驗初步結果（即實驗現象記錄）;④細致分析實驗現象，得出正確結論。

評價問題設置：①如果將螺線管A從螺線管B中取出，在開關閉合的情況下，將A插入B，或從B中向上拔出，B中有感應電流嗎？②請你說明實驗操作過程中，哪些操作中電流計的指針偏轉明顯（即電流較大）？③你認為實驗驗證了上述猜想嗎？還有進一步的結論嗎？

任務3 認識法拉第的圓盤發電機，體會科學如何向技術轉化，以及科學技術在實踐中的應用。

情境創設：本單元到此，我們已經從“電流的磁效應”和電磁感應兩個方面看到了電、磁現象之間的聯系和相互作用特點，初步感受到二者的統一性。科學研究還有另一方面的要求，就是科學知識需要在實踐中加以檢驗和深入。

提出問題：①法拉第圓盤發電機的工作原理是什么？②該發電機的結構是什么？為什么能產生明顯的感應電流？

活動3開展：①在老師的引導下，分析發電機的結構組成;②組織學生分組討論如何用“產生感應電流的條件”來說明該發電機的工作原理;③交流關于火力、水力發電廠中是如何解決強磁場以及創造驅動輪機運轉的動力的;④自主閱讀教材“STSE”欄目。

評價問題設置：①你知道法拉第生活的時代一些場所用電問題是怎么解決的嗎？②法拉第圓盤發電機的磁場部分，你認為用以繞制大量漆包線的“芯”是用什么材料制成的？③請用“閉合導體回路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時產生感應電流”的觀點說明該發電機的工作機理。④你能說說電磁爐的工作原理嗎？

課時小結：通過學習，我們發現，“當穿過閉合導體回路的磁通量發生變化時，回路中就產生感應電流”這一條件比“閉合導體回路中的一部分導體做切割磁感線運動時產生感應電流”條件要全面一些。同時，我們也感到它們都是基于實驗現象總結出的直觀結論，似乎還沒有觸及該現象更本質的原因。同學們的感受呢？

參考文獻：

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責任編輯：黃大燦E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF