基于单元学习的课时教学设计

杨思锋　熊荣领

摘要：本文基于单元学习思想，以课时教学设计为抓手，从单元主题内容整体分析及课时内容呈现说明、学生学习水平判断，参照课程标准制定出本课时的学习目标;在任务驱动下设计教学活动，以问题为导向展开活动，使学生获得学习体验;借助有效的评价手段，以达成结构化的知识学习目标。

关键词：高中物理 单元学习 课时教学设计

新课程新教材的实施，以追求学科核心素养目标的培养为表征。深度学习是落实学科核心素养的重要途径。深度学习倡导单元学习，而单元学习的认识成果又是通过课时学习反映和达成的，所以，课时教学设计是一项基础性的工作。

一、“电磁感应与电磁波初步”主题单元知识分析

人教版物理新教材必修第三册整体上反映的是“电磁场与电磁波”主题。由于内容量过多，就把静电场、电路及其应用（稳恒电场）部分作为两个小的主题，而把电磁感应与电磁波初步作为一个重要主题进行设置。

“电磁感应与电磁波初步”主题首先说明了磁场的物质观念，以运动与相互作用观念为桥梁，即关于电磁感应的研究和认识，又从能量观念上强化了电磁场的物质属性，即电磁场具有能量。内容安排上，从基于事实的磁场模型建构开始，通过类比分析，形成猜想与假设，设计实验，得出结论并做出解释，结合科学推理与论证，发现了电磁感应现象;又经过质疑和批判，形成了完整的电磁场理论，并成功预言了空间电磁波的存在。

电磁场及电磁波理论的广泛应用，进一步奠定了其物質属性的实践基础。

通过本主题单元的学习，学生能切实体验和感受到科学家探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及所表现出来的道德规范。

二、本课时内容的认识分析

时代的发展和变化，会引发对科学研究及发现过程更加全面而深入的思考。中学生科学学习的过程可以遵循科学探究的历程，也可以是其他有效的形式。

1831年，法拉第终于发现随时间变化的电流会在邻近导线中产生感应电流。随后，他做了一系列实验，从不同角度证明了电磁感应现象。大致以下五种类型：

（1）如图1所示，螺线管A与电流计G接成闭合回路，螺线管B、电源E和开关S串接成另一独立回路。当按下S接通电路的瞬间，电流计的指针偏转，即线圈A中出现了电流。当B中电流恒定时，电流计指针回到零位，表明A中没有电流。在断开S的瞬间，电流计的指针又发生偏转，偏转方向与S按下时相反。实验表明，只有通电线圈的电流发生变化才会在另一个线圈中产生感应电流。法拉第从中认识到感应现象的暂态性。同时，他估计通有变化电流的线圈的作用相当于提供一个变化的磁场，于是他接着又做了以下实验（图2）。

（2）在图1中，合上开关S，线圈B中通以稳恒电流，电流计G的指针处于零位。这时，如果将线圈A迅速移近B，或者如图2所示，将A迅速移近磁铁，则也能观察到G的指针偏转，即A中出现感应电流。如果A与B或A与磁铁之间的相对运动停止，则G的指针回到零位，即A中无感应电流。当A迅速移开B或磁铁时，A中出现感应电流，但方向与移近时相反。当A与B或A与磁铁之间相对速度越快，G的指针偏转越明显，即A中感应电流越大。实验表明，不管什么办法，只要使闭合线圈A处的磁场发生变化，线圈A中就会出现感应电流。但这时，他想搞清楚这里磁场的变化是磁感应强度B的变化还是磁场强度H的变化，于是他又做了下面的实验（图3）。

（3）如图3所示，一螺绕环A通以电流I，另一接有电流计G的闭合回路B从螺绕环孔中穿过。当断开A中电流的瞬间，G的指针偏转，显示回路B中出现了感应电流。如果螺绕环不用铁芯，则B中的感应电流很小;如果用上铁芯，A中通以同样大小的电流I，则当切断该电流时，回路B中的感应电流显著增加。这就说明感应电流的大小由磁感应强度决定。他进一步思考，穿过闭合回路磁感应强度的变化，意味着通过该回路的磁通量的变化。于是他推测磁通量的变化是产生感应电流的最终原因。那么，对于一个闭合回路，磁感应强度不变，只改变回路的面积，同样会使穿过回路的磁通量变化，也应该能产生感应电流。于是他做了下面的实验（图4）。

（4）如图4所示，接有电流计的裸导线框CDEF处在均匀的静磁场B中，磁感线方向与线框平面垂直，线框的EF边可沿DE和CF边滑动并保持接触。实验表明，当EF边朝某一方向滑动时，电流计G的指针发生偏转，即线框CDEF中出现了感应电流。EF边滑动越快，G指示出的感应电流越大。当EF边反方向滑动时，感应电流方向相反。

上面的做法也可以从另一个角度看，即感应电流是由于闭合回路中的一段导线做切割磁感线运动时产生的。他首先领悟到这一点，并设计出圆盘直流发电机，如图5所示。图中D是固定于一导体轴上的导体圆盘，b、b′是分别与盘轴及盘沿保持滑动接触的金属刷子，导线通过刷子与盘组成闭合回路，均匀静磁场与盘面垂直。当导体圆盘绕中心轴旋转时，G的指针发生偏转，说明回路中出现了感应电流。

（5）在上述任一实验装置里，在出现感应电流的回路中串联不同的电阻，其他条件不变，会发现对于同样的磁通量变化，感应电流回路中的电动势相同，与回路中的电阻变化无关。这一结果证明感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质。

……

教材中内容的安排与上述法拉第的实验研究过程大体一致，只是在新课程新教材背景下，基于高中学生的知识特点和学习方式，首先以问题的形式让学生联想初中已学过的知识，即闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时导体中就会产生感应电流。进一步提出：是否还有其他产生感应电流的方法，以及这些方法之间的内在联系。

接着，教材重构研究电磁感应现象的问题情境，明确了初步的物理观念，即“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应，然后进入新的学习活动中。

活动1是和学生一起建构他们在初中研究产生感应电流实验的物理知识模型。在知识联想的基础上，对实验结果做类似法拉第当时的深入分析，提出感应电流的产生可能与穿过回路的磁通量的变化有关。E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

活动2是将上述猜想转化为学生的实验探究环节。实验的设计看上去只是一个实验，但却是法拉第当时几个基本实验的组合。经过科学探究，与学生一起找到感应电流的产生条件。

活动3介绍法拉第的圆盘直流发电机，说明科学如何向技术转化，同时也为了对学生进行科学态度与责任教育。

三、学生的学习水平分析

刚进入高二年级学习的学生，虽然比初中阶段的学生在知识思考和科学探究方面有一定的发展，但整体上还处于这样的状态，即经过实验感受和考试训练，对闭合电路的一部分导体在做切割磁感线运动时产生感应电流有形象的认识，甚至能正确分析一些相关的问题，如电动机工作过程中有电磁感应现象发生，但一般不会有意识地思考相关更深入的问题，如“还有没有其他产生感应电流的方法”“感应电流是电荷的移动形成的，那么，是什么力导致了电荷的移动”等。这也体现在他们对科学探究学习的认识方面，即物理知识的研究过程，就是从提出问题到进行猜想与假设，经过实验验证，最后得出结论。这种不全面的认识常常对学生的学习和思考有负面影响。同时，高中学生由于过于重视习题训练和考试成绩，而缺少体会和发展物理观念的意识。可见，教材的内容设计有合理的针对性。

四、本课时的学习目标

基于前面的分析，参照物理课程标准（2017年版2020年修订）制定出以下学习目标（采用“三维叙写”格式，依据是核心素养导向下的目标是三维目标的整合;其中已经有重点、难点部分的分析处理）：

（1）能明确表述电、磁现象的相似特性，体会电、磁现象的对称性特征。

（2）通过分析奥斯特“电流的磁效应”实验，基于对称的思想，能提出具体的关于“磁体的电效应”可能对应的实验现象，如很强的电流（激发出很强的磁场）可能会在邻近的闭合导线中感应出电流。

（3）在观察和想象的基础上，能描述1831年法拉第发现电磁感应现象的实验设计和实验现象，体会“磁生电是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应”。

（4）在老师的引导下，建立初中阶段实验“闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时产生感应电流”的问题模型。结合磁通量的物理意义，能发现“导体切割磁感线运动产生感应电流的原因可能是穿过闭合回路的磁通量发生了变化”。

（5）基于上述猜想（假设），能理解教材实验“探究感应电流产生”设计的思想;能按照实验步骤完成实验过程，准确记录实验现象;能用“猜想”的观点解释实验现象，并得出正确的实验结论。

（6）能用“闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时产生感应电流”的观点解释法拉第的圆盘发电机工作原理，体会科学如何向技术进行转化。

（7）通过查阅资料，了解现代火力、水力发电厂主要设备的工作流程，感受科学技术在现代社会发展中的应用。

五、课时教学实施策略

教学在电学实验室中进行。在深度学习理论指导下，整个教学过程遵循在任务驱动下创设问题情境，设计教学活动;学生在活动开展中，以问题为导向，通过联想与建构等基本学习方式，让学生亲身参与活动;通过相应的评价手段测评，检查并促进学生形成结构性的认知，获得良好的学习体验。

六、课时教学开展

环节一：创设问题情境

本章一开始，我们又一次经历了奥斯特的电流磁效应实验，它反映的是电与磁相互作用的一个方面。为了进一步探究“磁体或电流的电效应”现象，有必要对下面两个方面的问题形成共识。

提出问题：①请全面细致比较电、磁现象的相似性;②基于对称性原则，请明确提出关于“磁体的电效应”可能的表现是什么，包括相关的实验装置和可能的实验现象。

活动开展：要求学生通过联想，或同学间交流讨论，或自主学习教材。

评价问题设置：①请阐述磁体如何有效磁化一根铁棒，结合实验说明静电感应现象如何发生。②请利用法拉第的实验设计方案预测可能的实验现象。

环节二：了解法拉第关于电磁感应的研究历程及发现，体会该发现的理论意义和社会价值。

提出问题：①法拉第在探索电磁感应的实验研究过程中，最终设计了什么样的实验装置？在什么样的情况下发现了电磁感应现象？②请基于运动与相互作用观念，描述电磁感应现象的性质。③请从理论创新和实践应用方面举例说明发现电磁感应现象的意义。

活动开展：要求学生自主学习教材，在此基础上交流对法拉第实验从设计到操作等各方面的认识;根据学生的学习水平，教师也可以在知识方面做些引导，如实验用的铁环相当于螺绕环的铁芯，给线圈通电后铁环内存在很强的磁感应强度。这符合法拉第最初的预想。

评价问题设置：①教材上图13.31是法拉第研究和发现电磁感应现象的实验装置中的基本部分，你能说明该设置有哪些方面与他本人开始的预想相一致，又有什么不同？②你能否从理论和实践应用两方面，或举例说明电磁感应现象的意义？

环节三：新知识的学习

任务1 基于初中阶段研究电磁感应现象的实验装置，建构其理论问题模型，提出关于电磁感应产生条件的新的猜想（或假设）。

提出问题：①教材上图13.32所描述的实验装置示意图，能完成初中階段研究电磁感应现象的实验装置的所有情况的操作吗？②磁通量是磁场中的一个基本物理量，那么，在上面各种产生电磁感应现象的操作中，穿过图中闭合回路的磁通量是如何变化的？

活动1开展：要求学生基于图13.32，说明各种操作会出现的实验现象，并用“切割磁感线”观点解释相关的实验现象;再讨论和列出数学式，分析各种操作中穿过闭合回路的磁通量是如何变化的。

评价问题设置：①你认为从“切割磁感线运动”和“穿过闭合回路的磁通量变化”两个角度去探究感应电流产生条件，哪个更深入一些？②如果后者是正确的，你有什么思路去对该猜想进行实验验证？E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

任务2 完成实验：探究感应电流产生的条件。

情境创设：如果上面的猜想是正确的，那么，由Φ=BS，我们可以通过改变磁感應强度B或改变闭合回路的面积S两个途径来实现磁通量的变化，后者已经得到了实验验证。下面的实验设计，我们就可以聚焦通过改变穿过闭合回路的磁感应强度，来观察回路中是否有感应电流出现。

提出问题：①从实验操作上，有什么办法能不断改变磁体的磁感应强度？②在图13.33所示的实验装置中，各步操作是如何改变螺线管的磁感应强度的？你认为哪种情况螺线管磁感应强度改变得较快？

活动2开展：①对上述问题开展讨论;②分组组装实验装置;③分组进行实验，记录实验现象;④分组交流实验过程和实验初步结果（即实验现象记录）;④细致分析实验现象，得出正确结论。

评价问题设置：①如果将螺线管A从螺线管B中取出，在开关闭合的情况下，将A插入B，或从B中向上拔出，B中有感应电流吗？②请你说明实验操作过程中，哪些操作中电流计的指针偏转明显（即电流较大）？③你认为实验验证了上述猜想吗？还有进一步的结论吗？

任务3 认识法拉第的圆盘发电机，体会科学如何向技术转化，以及科学技术在实践中的应用。

情境创设：本单元到此，我们已经从“电流的磁效应”和电磁感应两个方面看到了电、磁现象之间的联系和相互作用特点，初步感受到二者的统一性。科学研究还有另一方面的要求，就是科学知识需要在实践中加以检验和深入。

提出问题：①法拉第圆盘发电机的工作原理是什么？②该发电机的结构是什么？为什么能产生明显的感应电流？

活动3开展：①在老师的引导下，分析发电机的结构组成;②组织学生分组讨论如何用“产生感应电流的条件”来说明该发电机的工作原理;③交流关于火力、水力发电厂中是如何解决强磁场以及创造驱动轮机运转的动力的;④自主阅读教材“STSE”栏目。

评价问题设置：①你知道法拉第生活的时代一些场所用电问题是怎么解决的吗？②法拉第圆盘发电机的磁场部分，你认为用以绕制大量漆包线的“芯”是用什么材料制成的？③请用“闭合导体回路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时产生感应电流”的观点说明该发电机的工作机理。④你能说说电磁炉的工作原理吗？

课时小结：通过学习，我们发现，“当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电流”这一条件比“闭合导体回路中的一部分导体做切割磁感线运动时产生感应电流”条件要全面一些。同时，我们也感到它们都是基于实验现象总结出的直观结论，似乎还没有触及该现象更本质的原因。同学们的感受呢？

参考文献：

[1]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]彭前程，秦建云.物理：必修第三册（普通高中教科书）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]胡友秋，程福臻，叶邦角，等.电磁学与电动力学：上册[M].北京：科学出版社，2013.

责任编辑：黄大灿E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF