基于科學解釋能力進階的實驗串設計

摘" "要：電磁感應教學中不僅要求學生掌握相關的基本概念和規律，還要求促進其科學解釋能力的發展，從而能夠運用這些知識解決實際問題。選取“電磁感應及其應用”主題，基于學習進階理論設計實驗串，重構復習課教學內容和教學過程，建構科學解釋能力進階“教-學-評”一致性評價框架。

關鍵詞：電磁感應；實驗串；主題式教學；科學解釋能力進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0061-6

科學解釋能力培養對于發展核心素養有重要意義，能夠促進知識理解，提升探究質量，培養高階思維和科學素養。基于學習進階進行主題式教學，將相關教學內容按照學生的思維路徑進行重構，有利于形成連貫、依次進階的知識框架，可以明確地描述核心概念和學生科學解釋能力的發展脈絡［1］。

人教版高中物理選擇性必修第二冊可以分為“磁場”“電磁感應及其應用”“電磁振蕩與電磁波”和“傳感器”四個主題。其中，“電磁感應及其應用”主題以電磁感應作為核心概念，圍繞楞次定律和法拉第電磁感應定律，揭示了電場和磁場相互聯系和轉化的統一性。這一主題不僅是前面電學、磁學知識的邏輯發展，也可與后面“交變電流”“電磁振蕩與電磁波”的學習發生關聯。內容較為抽象難懂，涉及知識面較寬，但富含實驗素材且現象明顯；如果將實驗情境貫穿于復習課，可以使學生深度理解、整合完善“電磁感應”概念。

因此，本文基于學習進階理論設計實驗串，重構“電磁感應及其應用”主題復習課的教學內容和教學過程，引導學生科學解釋能力的進階發展。

1" " 科學解釋能力進階起點分析

1.1" " 知識結構分析

“電磁感應及其應用”主題有一條明顯的教學主線：學生首先觀察電磁感應現象，然后探究感應電流的產生條件和方向，進而得出楞次定律和法拉第電磁感應定律，最后理解變壓器、渦流等應用。但要真正掌握電磁感應核心概念，還需要明確兩條隱性的教學輔線：（1）從物質觀和運動觀出發，通過探究明確感應電動勢和感應電流的本質；（2）從能量觀和相互作用觀出發，理解楞次定律的實質，體會非靜電力做功，進而理解各種電磁感應現象中遵循能量守恒定律。

1.2" " 科學解釋能力現狀分析

在PTDR理論框架下，科學解釋能力包含現象（P）、理論（T）、資料（D）和推理（R）四個要素，即能清晰地描述或預測待解釋現象，能選取正確解釋現象的理論，能從資料和經驗中選取用于解釋的完備信息，能通過推理建立現象與理論、資料間的合理聯系［2］。

通過電磁感應新授課的學習，大多數學生科學解釋能力發展仍然不足，具體表現如下：

（1）現象與理論要素發展不足：學生對于電磁感應的理解僅限于零散的規律和公式，并沒有深刻理解各種電磁感應現象背后的本質聯系。

（2）資料要素發展不足：學生需要通過生產生活中的實際應用，加強認識電磁感應對現代生活和科技社會發展的促進作用。

（3）推理要素發展不足：盡管教師通過特定實驗情境引導學生提煉出物理規律，使得學生的概念理解、分析綜合、模型建構和推理論證等能力有所提升，但想要學生運用所學知識解釋綜合性較強的實際問題，還是有一定跨度的。

2" " 基于科學解釋能力進階的實驗串設計

為彌補學生知識結構和科學解釋能力的不足，我們把實驗貫穿于知識結構建構和科學解釋能力進階過程中，將“電磁感應及其應用”主題復習課重整為四個層級。科學解釋能力進階路徑如圖1所示。層級一是通過“鋁碗”和“鋁擺”實驗回顧電磁驅動和電磁阻尼現象，明確學生關于感應電流、楞次定律和安培力的認知水平，為電磁感應概念理解創設基礎情境，引導現象、理論和資料要素進階。在層級二中，引導學生分析“電磁炮”的實驗原理，綜合運用安培力公式和法拉第電磁感應定律，強化學生的模型建構和探究實證能力，重點加強推理要素進階。層級三運用特斯拉線圈實現“隔空點燈”，加入了變壓器以及互感知識，強化其分析綜合能力，引導科學解釋能力全面進階。層級四的“跳環”實驗讓學生綜合運用電磁知識，在探究中深入理解自感和渦流，注重推理要素進階，以增強其解決實際問題的能力。學生深度理解、整合完善“電磁感應”概念，便是科學解釋能力發展的進階終點。教學過程中需要向學生詮釋科學解釋的四個要素，并引導他們分析解釋相關電磁感應現象，在潛移默化中掌握科學解釋的方法。

2.1" " 層級一進階活動設計

2.1.1" " “鋁碗”實驗

如圖2所示，將鋁碗倒扣在自制支架上，使其保持平衡，手持磁鐵在鋁碗上方沿同一方向轉圈，可以觀察到鋁碗跟隨磁鐵轉動。這是典型的電磁驅動現象，主要涉及了楞次定律和安培力兩方面的基礎知識。鋁碗可看作由許多閉合回路組成的導體，磁鐵（磁場）相對鋁碗轉動，穿過閉合回路的磁通量發生變化，進而產生感應電流，安培力使靜止的鋁碗運動起來。

2.1.2" " “鋁擺”實驗

如圖3所示，用細線將鋁片懸掛在支架上，使其前后擺動，手持磁鐵等待鋁片靠近，可以觀察到擺動的鋁片在即將撞上磁鐵時立即“剎車”。這個實驗也比較基礎，屬于電磁阻尼現象，依舊可以運用楞次定律和安培力知識來解釋。

設計意圖：“鋁碗”和“鋁擺”兩個實驗易于操作且現象明顯，主要是增強學生對電磁感應的感性認識，為后面的進階過程奠定情境基礎。引導學生填寫“科學解釋能力培養”任務單［3］，如表1所示。

2.2" " 層級二進階活動設計

如圖4所示，將充電后的電容器連上線圈，摁下開關后，塑料管內的小鐵柱像炮彈一樣射出去，這就是“電磁炮”演示實驗。

變化的磁場使得炮彈（導體）中閉合回路的磁通量發生變化，進而產生感應電流，使得炮彈受到足夠大的安培力作用向外射出。層級一兩個實驗中的磁場均由磁鐵提供，通過人為移動位置使磁通量發生變化；那么，在“電磁炮”實驗中磁通量是如何發生變化的？強大的安培力是如何產生的？通過安培力公式F=BIL可以得到，在導體固定的情況下，可以通過增大感應電流的方式來增加安培力。由法拉第電磁感應定律E=可得，磁通量變化率要足夠大，才能產生大的感應電動勢和感應電流。本實驗采用電容快速放電，提供一個瞬時大電流，線圈周圍空間立刻形成強磁場。炮彈在線圈中的加速過程如圖5所示。

設計意圖：本實驗囊括了更多電磁知識，需要學生靈活運用規律和公式進行推理，推理分析線圈的作用，得出了炮彈加速模型，對現象的解釋才能更加透徹。本實驗源于現代武器電磁炮，引導學生加深理解電磁感應在生活實際中的應用。引導學生填寫“科學解釋能力培養”任務單。

2.3" " 層級三進階活動設計

如圖6所示，選用12 V電源給特斯拉線圈通電，頂端線頭產生電火花。將小燈泡靠近線圈，可以觀察到燈泡在沒有接通任何線路的情況下變亮；燈泡本身越靠近線圈越亮，接線柱靠近線圈反而沒那么亮。改用220 V的大燈泡靠近特斯拉線圈，依舊可以發光。為什么可以隔空點亮小燈泡，而且位置不同亮度不同？12 V的電源為什么可以點亮額定電壓220 V的大燈泡？

本實驗采用的小燈泡是氖泡，氖氣在強電場下會被電離發出紅光。學生可以猜想得出“隔空點燈”的原理：線圈周圍具有強電場，小燈泡靠近時，里面的氣體電離發光；不同位置電場強弱有差別，所以燈泡亮度不同。那么，線圈周圍的強電場是怎么產生的？這涉及到了特斯拉線圈的工作原理，需要給學生簡單補充資料，電路如圖7所示。開關閉合后，電容器放電電流輸送至初級線圈，三極管的作用是使初級線圈的電壓放大，然后通過互感將能量傳遞給次級線圈。由于次級線圈的匝數遠遠大于初級線圈，=，電壓將再次升高，使得次級線圈頂部空氣電離放電形成強電場。再次運用變壓器原理可以得到：通過增加次級線圈匝數增大電壓，可使得線圈周圍的電場足夠強來點亮220 V的大燈泡。

設計意圖：本實驗強調學生對變壓器及互感原理的理解，這是電磁感應非常重要的應用。在解釋“隔空點燈”現象過程中，學生明確特斯拉線圈是一種升壓變壓器。在此基礎上，學生可以了解其他類型的特斯拉線圈及其應用，比如火花間隙特斯拉線圈，這其中包含了電磁振蕩等更多知識，可以進一步提升對電磁感應及其應用的整合理解。引導學生填寫“科學解釋能力培養”任務單。

2.4" " 層級四進階活動設計

將鋁環套入線圈中的鐵芯，接通交流電瞬間鋁環跳起并懸浮，如圖8所示。改變線圈匝數，可以觀察到鋁環跳起高度隨匝數增加而減小；改變電流大小，可以觀察到鋁環跳起高度隨電流增加而增大。“跳環”實驗綜合了交變電流、楞次定律、電磁感應定律、互感等知識，學生可以大致給出本實驗的原理解釋：變化的磁場由線圈中的交變電流提供，鋁環中的磁通量因此產生變化，鋁環產生感應電流，從而產生足夠大的安培力，使得鋁環跳起并懸浮在鐵芯上。

本實驗的特色是使用了交變電流，也是解釋“跳環”實驗現象的難點所在。交變電流的大小和方向隨時間呈周期性變化，因此產生了兩種作用機制：（1）當線圈中的交變電流增加時，鋁環中磁通量增大，根據楞次定律，鋁環產生的感應電流的磁場總是阻礙磁通量的變化。這時兩種電流的方向相反，產生的磁場方向相反，二者相斥，鋁環向上跳起。（2）當線圈中的交變電流減弱時，鋁環中的磁通量減少，產生的感應電流要阻礙磁通量的變化，這時它們的電流方向相同，磁場方向相同，二者相吸，鋁環受到的安培力合力向下，這與實驗現象相悖。也就是說，只用互感原理來解釋“跳環”實驗是有缺陷的。學生需要明確電磁感應還有另一個重要現象——自感。

設定線圈中交變電流表達式為i1（t）=I1msinωt，電流產生的磁場與其相位相同，磁感應強度表達式為B1（t）=B1msinωt。

根據法拉第電磁感應定律，鋁環中的感應電動勢為e2==S=-ωSBsin（ωt-）=

Esin（ωt-）。由于自感存在，鋁環中的感應電流I2不會突變，相對于感應電動勢其相位將落后φ，即i2（t）=Im2sin（ωt--φ）。比較i1和i2在一周期內的大致相位圖（圖9），可以發現：異向電流時間大于同向電流時間，即鋁環在每一周期內受向上安培力的時間更長，因此鋁環上跳。說明自感才是鋁環跳起并懸浮的重要因素。

接下來，帶領學生探究跳環高度和線圈匝數、電流的關系。大多數學生最初猜想線圈匝數越多跳環跳得越高，但實驗現象與以上的推測并不一致。在電流不變的情況下，線圈匝數n增加會使得產生的磁場增強，根據法拉第電磁感應定律E=n，感應電動勢變大，但實際情況下線圈的電阻與自感不可忽略。線圈匝數越多阻抗就越大，產生的電流變小，磁場也變小，因此鋁環跳不高。在探究跳環高度與電流關系時用到了Tracker視頻分析軟件，實驗中可以明確看到，跳環跳起的高度隨電流增加而增大，如圖10所示。

做完一系列實驗后可以發現鐵芯很燙，學生能聯想到渦流，并進行解釋。線圈內交變電流產生了交變磁場，使得鐵芯中的磁通量不斷變化，產生了渦電流。渦流在電阻很小的金屬塊內會釋放焦耳熱，這也是電磁爐的工作原理。

設計意圖：本實驗融入了交變電流、自感等知識，使得學生對于電磁感應現象的把握更加全面。過程中，學生根據前面層級的認識對“跳環”實驗現象進行解釋修正，在探究實證中明確了自感的重要性；最后還強調了渦流的存在，將書本知識與生活實際相聯系，引導學生解決實際問題。引導學生填寫“科學解釋能力培養”任務單。

3" " “電磁感應及其應用”主題進階學習評價

學習進階有著明確的起點、進階層級和終點，將評價貫穿于教學之中，能夠有效促進教、學、評的一致性發展。基于前述“科學解釋能力培養”任務單填寫情況，學習進階教學評價可以依托于進階圖表來進行［4-5］。我們從進階活動設計、活動目的以及評價要點幾個方面設計評價表（表2），供學生自評和教師評價。

主題教學結束后，編制測試題及相關評價量表［6］，以檢測學生科學解釋能力的發展狀況，及時發現并解決存在的問題。下面給出測試題示例，包含實驗串中的部分知識點。

測試題示例：

零刻度在表盤正中間的電流計非常靈敏，通入電流后，線圈所受安培力和螺旋彈簧彈力作用達到平衡時，指針在示數附近的擺動很難停下，使讀數困難。在指針轉軸上裝上的扇形鋁框或扇形鋁板，在合適區域加上磁場，可以解決此困難。判斷圖11所示方案是否合理并給出理由，如果都不合理，請自行設計一個方案，并按照現象、理論、資料和推理四個要素解釋該方案。

表3給出測試題評價量表（滿分20分），幫助教師進行評價。

4" " 總" 結

本文基于學習進階設計了“電磁感應及其應用”主題的實驗串，用于復習課教學，讓學生在實驗情境下領悟物理核心概念，加深學科整體認知，提升科學解釋能力。同時，設計進階學習評價方式，促進“教-學-評”一致性的達成，使得學科核心素養得以落實。

參考文獻：

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［2］陳泓宇，李春密.中學生科學解釋能力測評及教學建議［J］.中學物理，2024，42（11）：18-22.

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［4］潘考鳳，梁鴻東，周展濼.形成性評價診斷模型在物理學習進階教學中的應用——以“牛頓第三定律”為例［J］.湖南中學物理，2024，39（1）：11-13.

［5］王煥霞，谷慧娟，仇立崗.“教—學—評”一致性視域下的學習進階教學設計研究——以“運動和力”單元為例［J］.物理教師，2023，44（6）：34-37，41.

［6］高佳利.基于科學解釋能力進階的中學物理教學設計研究［D］.荊州：長江大學，2019.

（欄目編輯" " 劉" "榮）