楊思鋒　熊榮領(lǐng)

摘要：本文基于單元學習思想，以課時教學設(shè)計為抓手，從單元主題內(nèi)容整體分析及課時內(nèi)容呈現(xiàn)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(qū)動下設(shè)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(jié)構(gòu)化的知識學習目標。

關(guān)鍵詞：高中物理 單元學習 課時教學設(shè)計

新課程新教材的實施，以追求學科核心素養(yǎng)目標的培養(yǎng)為表征。深度學習是落實學科核心素養(yǎng)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(shè)計是一項基礎(chǔ)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(nèi)容量過多，就把靜電場、電路及其應用（穩(wěn)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(shè)置。

“電磁感應與電磁波初步”主題首先說明了磁場的物質(zhì)觀念，以運動與相互作用觀念為橋梁，即關(guān)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(zhì)屬性，即電磁場具有能量。內(nèi)容安排上，從基于事實的磁場模型建構(gòu)開始，通過類比分析，形成猜想與假設(shè)，設(shè)計實驗，得出結(jié)論并做出解釋，結(jié)合科學推理與論證，發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象;又經(jīng)過質(zhì)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(zhì)屬性的實踐基礎(chǔ)。

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(nèi)在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及所表現(xiàn)出來的道德規(guī)范。

二、本課時內(nèi)容的認識分析

時代的發(fā)展和變化，會引發(fā)對科學研究及發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)隨時間變化的電流會在鄰近導線中產(chǎn)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(xiàn)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(guān)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(zhuǎn)，即線圈A中出現(xiàn)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與S按下時相反。實驗表明，只有通電線圈的電流發(fā)生變化才會在另一個線圈中產(chǎn)生感應電流。法拉第從中認識到感應現(xiàn)象的暫態(tài)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(guān)S，線圈B中通以穩(wěn)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(zhuǎn)，即A中出現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)生變化，線圈A中就會出現(xiàn)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(huán)A通以電流I，另一接有電流計G的閉合回路B從螺繞環(huán)孔中穿過。當斷開A中電流的瞬間，G的指針偏轉(zhuǎn)，顯示回路B中出現(xiàn)了感應電流。如果螺繞環(huán)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，即線框CDEF中出現(xiàn)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(chǎn)生的。他首先領(lǐng)悟到這一點，并設(shè)計出圓盤直流發(fā)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(zhuǎn)時，G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明回路中出現(xiàn)了感應電流。

（5）在上述任一實驗裝置里，在出現(xiàn)感應電流的回路中串聯(lián)不同的電阻，其他條件不變，會發(fā)現(xiàn)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(guān)。這一結(jié)果證明感應電動勢比感應電流更能反映電磁感應現(xiàn)象的本質(zhì)。

……

教材中內(nèi)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(lián)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(chǎn)生感應電流。進一步提出：是否還有其他產(chǎn)生感應電流的方法，以及這些方法之間的內(nèi)在聯(lián)系。

接著，教材重構(gòu)研究電磁感應現(xiàn)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(xiàn)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(gòu)他們在初中研究產(chǎn)生感應電流實驗的物理知識模型。在知識聯(lián)想的基礎(chǔ)上，對實驗結(jié)果做類似法拉第當時的深入分析，提出感應電流的產(chǎn)生可能與穿過回路的磁通量的變化有關(guān)。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

活動2是將上述猜想轉(zhuǎn)化為學生的實驗探究環(huán)節(jié)。實驗的設(shè)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(jīng)過科學探究，與學生一起找到感應電流的產(chǎn)生條件。

活動3介紹法拉第的圓盤直流發(fā)電機，說明科學如何向技術(shù)轉(zhuǎn)化，同時也為了對學生進行科學態(tài)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(fā)展，但整體上還處于這樣的狀態(tài)，即經(jīng)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(chǎn)生感應電流有形象的認識，甚至能正確分析一些相關(guān)的問題，如電動機工作過程中有電磁感應現(xiàn)象發(fā)生，但一般不會有意識地思考相關(guān)更深入的問題，如“還有沒有其他產(chǎn)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(xiàn)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(shè)，經(jīng)過實驗驗證，最后得出結(jié)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(fā)展物理觀念的意識?？梢姡滩牡膬?nèi)容設(shè)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(jù)是核心素養(yǎng)導向下的目標是三維目標的整合;其中已經(jīng)有重點、難點部分的分析處理）：

（1）能明確表述電、磁現(xiàn)象的相似特性，體會電、磁現(xiàn)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(guān)于“磁體的電效應”可能對應的實驗現(xiàn)象，如很強的電流（激發(fā)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(chǔ)上，能描述1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的實驗設(shè)計和實驗現(xiàn)象，體會“磁生電是一種在變化、運動的過程中才能出現(xiàn)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(chǎn)生感應電流”的問題模型。結(jié)合磁通量的物理意義，能發(fā)現(xiàn)“導體切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流的原因可能是穿過閉合回路的磁通量發(fā)生了變化”。

（5）基于上述猜想（假設(shè)），能理解教材實驗“探究感應電流產(chǎn)生”設(shè)計的思想;能按照實驗步驟完成實驗過程，準確記錄實驗現(xiàn)象;能用“猜想”的觀點解釋實驗現(xiàn)象，并得出正確的實驗結(jié)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(chǎn)生感應電流”的觀點解釋法拉第的圓盤發(fā)電機工作原理，體會科學如何向技術(shù)進行轉(zhuǎn)化。

（7）通過查閱資料，了解現(xiàn)代火力、水力發(fā)電廠主要設(shè)備的工作流程，感受科學技術(shù)在現(xiàn)代社會發(fā)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(qū)動下創(chuàng)設(shè)問題情境，設(shè)計教學活動;學生在活動開展中，以問題為導向，通過聯(lián)想與建構(gòu)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(jié)構(gòu)性的認知，獲得良好的學習體驗。

六、課時教學開展

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)問題情境

本章一開始，我們又一次經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)象的相似性;②基于對稱性原則，請明確提出關(guān)于“磁體的電效應”可能的表現(xiàn)是什么，包括相關(guān)的實驗裝置和可能的實驗現(xiàn)象。

活動開展：要求學生通過聯(lián)想，或同學間交流討論，或自主學習教材。

評價問題設(shè)置：①請闡述磁體如何有效磁化一根鐵棒，結(jié)合實驗說明靜電感應現(xiàn)象如何發(fā)生。②請利用法拉第的實驗設(shè)計方案預測可能的實驗現(xiàn)象。

環(huán)節(jié)二：了解法拉第關(guān)于電磁感應的研究歷程及發(fā)現(xiàn)，體會該發(fā)現(xiàn)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(shè)計了什么樣的實驗裝置？在什么樣的情況下發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象？②請基于運動與相互作用觀念，描述電磁感應現(xiàn)象的性質(zhì)。③請從理論創(chuàng)新和實踐應用方面舉例說明發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的意義。

活動開展：要求學生自主學習教材，在此基礎(chǔ)上交流對法拉第實驗從設(shè)計到操作等各方面的認識;根據(jù)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(huán)相當于螺繞環(huán)的鐵芯，給線圈通電后鐵環(huán)內(nèi)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(shè)置：①教材上圖13.31是法拉第研究和發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的實驗裝置中的基本部分，你能說明該設(shè)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(xiàn)象的意義？

環(huán)節(jié)三：新知識的學習

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

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(xiàn)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(chǎn)生電磁感應現(xiàn)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(xiàn)的實驗現(xiàn)象，并用“切割磁感線”觀點解釋相關(guān)的實驗現(xiàn)象;再討論和列出數(shù)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)生的條件。

情境創(chuàng)設(shè)：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(xiàn)磁通量的變化，后者已經(jīng)得到了實驗驗證。下面的實驗設(shè)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(xiàn)。

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(xiàn)象;④分組交流實驗過程和實驗初步結(jié)果（即實驗現(xiàn)象記錄）;④細致分析實驗現(xiàn)象，得出正確結(jié)論。

評價問題設(shè)置：①如果將螺線管A從螺線管B中取出，在開關(guān)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(zhuǎn)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(jié)論嗎？

任務3 認識法拉第的圓盤發(fā)電機，體會科學如何向技術(shù)轉(zhuǎn)化，以及科學技術(shù)在實踐中的應用。

情境創(chuàng)設(shè)：本單元到此，我們已經(jīng)從“電流的磁效應”和電磁感應兩個方面看到了電、磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系和相互作用特點，初步感受到二者的統(tǒng)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(fā)電機的工作原理是什么？②該發(fā)電機的結(jié)構(gòu)是什么？為什么能產(chǎn)生明顯的感應電流？

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

評價問題設(shè)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(fā)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(chǎn)生感應電流”的觀點說明該發(fā)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(jié)：通過學習，我們發(fā)現(xiàn)，“當穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)象總結(jié)出的直觀結(jié)論，似乎還沒有觸及該現(xiàn)象更本質(zhì)的原因。同學們的感受呢？

參考文獻：

[1]教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]彭前程，秦建云.物理：必修第三冊（普通高中教科書）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]胡友秋，程福臻，葉邦角，等.電磁學與電動力學：上冊[M].北京：科學出版社，2013.

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