“电磁感应”单元教学设计

丁焕平 王锕

摘 要：本单元教学设计依据学习进阶理论，基于学生的认知发展和电磁感应单元知识的内在逻辑，梳理概念进阶线索，挖掘隐性知識.围绕电磁感应核心概念及因果解释、变化与变化率、效果阻碍原因等跨学科概念，并针对学生的认知关键点，进行单元学习过程设计和教学设计.促进了学生的电磁场大概念的形成，提高了学生物理学科核心素养.

关键词：单元教学设计;电磁感应;学习进阶

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）09-0029-05

基金项目：北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题“基于课前学习诊断的教学整合模式研究”（项目编号：CDDB8155）;北京市教育科学“十三五”规划2018年度一般课题“基于学习进阶培养高中学生物理思维能力的实践研究”（项目编号：CDDB18242）;北京市物理学会2020-2021年度重点课题“基于核心素养学习进阶的高中物理单元教学设计案例研究”（项目编号：WLXH201024）.

作者简介：丁焕平（1979-），女，山西临汾人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

王锕（1974-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.

1 单元教学设计指导思想

单元教学设计是指以一个单元学习内容为整体，既能统筹、规划统揽全局，又能按步骤有序地开展系列教学活动，以取得最佳的教学成效[1].从整体上对单元教学进行有序设计，从而摆脱课时教学设计碎片化的局限性，是解决当前教学实践存在的问题并落实核心素养课程目标的有效途径[2].

2 单元教学内容分析

电磁感应单元有三条概念进阶的线索[3]：一是显性的，即观察到电磁感应现象，探究电磁感应现象的规律，应用电磁感应现象;二是隐性的，即磁通量的变化，磁通量变化的方向和快慢;三是能量概念的进阶，先从实验事实中观察到发生电磁感应现象时磁能生电，通过楞次定律的学习，理解楞次定律的实质是能量守恒定律的必然结果，体会非静电力做功把其他形式的能转化为电能，再到理解各种电磁感应现象都遵守的能量守恒定律.梳理本单元的知识结构进阶图，如图1所示.

本单元蕴含了归纳推理、因果解释、效果阻碍原因等物理学科核心素养和跨学科的科学概念和方法，教师应予以充分发掘.表1中举出了一些例子.

3 学生学习情况分析

基于学生学习能力、已有知识和教师经验等，从学习基础和学习困难两方面对学生进行学习情况分析.

3.1 学习基础分析

知识层面：学生在初中学习了一些电磁感应的知识，知道闭合电路的一部分导体切割磁感线运动，导体中能产生感应电流，了解发电机的原理以及电磁感应在生活中的一些应用.通过磁场一章的学习，学生知道了磁通量的概念，会计算磁通量的大小.

方法层面：通过加速度的学习和类比，学生能够区别磁通量、磁通量的变化以及磁通量的变化率.

能力层面：通过质点、点电荷等概念的学习，学生初步经历了从大量事实经验中抽象概括建立模型的过程.通过恒定电路一章的学习，学生能够正确操作实验器材，获得可靠实验数据.学生具备了一定的分析实验数据、解释实验现象并进行归纳总结得出一般规律的能力.

3.2 学习困难分析

学生在初中阶段学习了一部分电磁感应现象，但是从初中到高中的进阶，无论是知识还是能力上，都有很大的跨度.

（1）对感应电流产生条件的认识，初中学到，感应电流的产生是切割磁感线这种单一的方式，而高中阶段要从大量的实验事实中总结出感应电流产生的一般条件，对学生归纳抽象的能力要求更高.

（2）从感应电流方向的判断，学生初中没有学过如何判断感应电流的方向，而高中阶段探究感应电流的方向要求学生能够从实验的表象中归纳出共同特征，从科学思维角度来说，要求学生有极强的推理和归纳能力.

（3）从知识的综合性看，电磁感应往往涉及力学知识（如牛顿运动定律、功、动能定理等）、直流电路、磁场和能量守恒等多个知识点，对学生的理解能力、分析综合能力要求较高.在学习电磁学相关知识的过程中，绝大多数高中二年级的学生还不具备学习这部分知识所需要的抽象思维能力和形象思维能力，多数学生的认识感性多于理性，仍旧关心物理世界的表面特征，很难上升到本质联系[3].

4 单元学习目标

下面以电磁感应现象为主线，结合具体的知识点和素养发展要求，表述本单元的教学目标如下：

（1）逐步完善电磁场物质观念、运动和相互作用观念及能量观念.具体包括：感应电流产生的条件、法拉第电磁感应定律等，理解楞次定律是能量守恒定律的必然结果.

（2）掌握科学推理的一般方法.具体包括：通过几个典型的实验探究得出感应电流产生的一般条件;通过实验，总结归纳得出感应电流的方向，即楞次定律;与力学中加速度的定义类比，通过比较磁通量、磁通量变化、磁通量变化率理解法拉第电磁感应定律.

（3）能够应用电磁感应知识解释生产生活中的相关现象并解决问题，逐渐形成解决实际问题的大思路.具体包括：能应用法拉第电磁感应定律和楞次定律等解决相关的实际问题;了解发电机和电动机工作过程中的能量转化，体会反电动势的意义;了解涡流、互感和自感现象.

5 单元学习过程设计

本单元学习过程设计可分为四个层级：一是归纳总结感应电流产生的一般条件;二是从磁通量变化的方向探究感应电流的方向;三是从磁通量变化的快慢得出感应电动势的大小;四是能运用电磁感应知识分析涡流、自感等生活中的电磁感应现象.这四个部分相互独立，又层层递进.表2为电磁感应单元的学习过程设计.

6 主要教学活动设计

以层级2中楞次定律概念的建立为核心问题，设计以下教学活动.

（1）通过演示实验和分组实验，学生探究感应电流的效果，得到楞次定律的第一种表述.设计过程如图4所示.

本部分由對比实验引入，学生感受到感应电流有“阻碍”的效果.分组实验过程要注重对实验现象进行分类和归纳，提升学生对实验结果定性分析的能力，得到感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因，培养学生的科学探究能力，发展学生的科学思维.

（2）在理论的引领下对实验结论进行深入挖掘，得到判断感应电流方向更一般的规律——楞次定律的第二种表述，设计过程如图5所示.

本部分通过对教学活动6.1结论的追问，进一步探究感应电流与磁通量变化之间是如何相互作用的.找到“感应电流的磁场”这个重要的物理量，通过对教学活动6.1中的学生实验结果进行进一步分析得到楞次定律的第二种表述.发展了学生寻找物理量间关联的能力，提高了分析、论证及归纳的能力，发展了学生的科学思维能力.

（3）回扣演示实验，从能量角度分析感应电流的方向，找到楞次定律的本质，设计过程如图6所示.

从铜管内磁铁的机械能为什么会减小入手研究，引导学生从多个角度分析问题.通过思考：如果感应电流的磁场促进磁通量的变化，会怎样呢？学生从正、反两个方面去辩证地分析问题.将楞次定律的概念进阶到整合水平.也可以将楞次定律与化学中的勒夏特列原理和生物学科的负反馈调节一并概括为“效果阻碍原因”.

7 单元学习效果反馈性评价设计

7.1 思想方法

本学习评价依托电磁感应的基本知识、围绕物理学科核心素养的具体要求，创设真实而有价值的问题情境，客观地了解学生物理学科核心素养发展状况，找出存在的问题，明确发展方向，促进学生的发展.

7.2 阶段性测试

针对物理学科核心素养的四个方面，高中物理学业质量划分了5个水平层级.学业水平合格性考试合格达到学业质量水平2，高等院校相关专业学习应达到学业质量水平4.学生学习本单元后参加学业水平合格性考试，但电磁感应单元对学生的要求较高，所以题目应以学业质量水平3为主，一些题目达到学业质量水平4，个别题目可以达到学业质量水平5.下面以一个题目为例说明.

例题 某研学小组设计了一个辅助列车进站时快速刹车的方案.如图7所示，在站台轨道下方设置一励磁线圈，通电后形成竖直方向的磁场（可视为匀强磁场）.在车身下方固定一矩形线框，利用线框进入磁场时所受的安培力，辅助列车快速刹车.

已知列车的总质量为m，车身长为s，线框的短边ab和cd分别安装在车头和车尾，长度均为L（L小于匀强磁场的宽度），整个线框的电阻为R.站台轨道上匀强磁场区域足够长（大于车长s），车头进入磁场瞬间的速度为v0，假设列车停止前所受铁轨及空气阻力的合力恒为f.已知磁感应强度的大小为B，车尾进入磁场瞬间，列车恰好停止.

（1）简要说明此方案快速刹车的原理;

（2）求列车车头刚进入磁场瞬间线框中的电流大小I和列车的加速度大小a;

（3）求列车从车头进入磁场到停止所用的时间t;

（4）请评价该设计方案的优点和缺点（优、缺点至少各写一条）.

考核目标：本题主要考查以下几个方面的物理学科核心素养，具体包括：物理观念中的运动与相互作用观念;科学思维中的模型建构、科学推理能力;科学探究中的评估、反思的能力.学生要能从真实的问题情境中提取信息、建立物理模型、运用物理观念和通过科学推理解决问题，并对方案进行评估.

任务描述：本题是利用电磁感应原理设计快速刹车的装置，用来辅助列车进站.利用法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律可以得到列车车头刚进入磁场瞬间线框中电流的大小，利用牛顿运动定律得到此时加速度的大小.根据速度对时间的微小量累计是位移和动量定理等规律得到，从车头进入磁场到停止所用的时间.通过与常规刹车的比较，结合电路、电磁感应等相关规律找到该设计方案的优点和缺点.

评价方案：问题（1）和问题（2）考查的物理观念和科学思维处于学业质量水平3，能将简单的实际问题中的对象和过程换成物理模型，说明基本原理并能应用物理知识解决实际问题.问题（3）考查的物理观念和科学思维处于学业质量水平4，需要学生有清晰的物理观念，综合应用物理知识并对物理问题进行分析和推理.学生正确推理并得到正确结论者可得满分，其他回答根据层次的不同酌情给分.问题（4）考查的科学探究处于学业质量水平5，对科学探究的过程和结果进行评价，优缺点合理即可得分.

8 单元教学设计反思

本设计基于学习进阶理论梳理知识间的内在逻辑，挖掘隐性知识，发展学生的物质、运动与相互作用和能量等物理观念.在电磁感应知识结构化的过程中发展了学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维，形成解决物理问题的大概念、大思路，培养了学生的科学探究、科学态度与责任等物理学科核心素养.

本单元教学设计注重创设真实的物理情境，本着落实以学生为中心的理念设计合理的学习方式与教学活动，可操作性较强.

参考文献：

[1]马兰.整体化有序设计单元教学探讨[J].课程·教材·教法，2012，32（02）：23-31.

[2]张玉峰.以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计[J].中学物理，2020，38（05）：2-7.

[3]王锕，玛丽娜·阿西木汗，郭玉英.基于核心素养学习进阶的“楞次定律”教学改进实证研究[J].物理教师，2017，38（12）：16-20.

（收稿日期：2021-02-05）