基于物理核心素養(yǎng)的教學設(shè)計分析

吳明海 黃致新 李維 田奇

摘 ? 要：以物理學科核心素養(yǎng)“四個要素”為導向的教學設(shè)計，是當前初中物理教學設(shè)計的主流方向，教學活動既生動有趣，又能讓學生在探究過程中親自發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律、切身體會知識自然生成的過程、自主總結(jié)科學規(guī)律，提高學生觀察現(xiàn)象、提出問題、分析問題、解決問題的能力，很好地培養(yǎng)初中學生的物理核心素養(yǎng)。以2019年全國物理創(chuàng)新大賽參賽案例——“電生磁”為例，重點分析了該案例的設(shè)計亮點及其“四個要素”的達成途徑，以期為相關(guān)課堂設(shè)計提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：電生磁;教學活動;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0037-5

“電生磁”是人教版初中物理第二十章第2節(jié)的內(nèi)容，筆者在多年的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生對磁現(xiàn)象的認識比較模糊，不能很好地理解和掌握磁場的概念，更是對電流周圍磁場的產(chǎn)生和應(yīng)用沒有認識。筆者在參加2019年全國物理創(chuàng)新大賽時，選擇“電與磁”作為參賽章節(jié)，以物理核心素養(yǎng)的四要素為指導，進行了有趣、有效的教學活動設(shè)計。

“電生磁”是學生在學習了磁體、磁場的前提下，通過奧斯特實驗發(fā)現(xiàn)電流（通電導線）周圍存在磁場，從而了解電流的磁效應(yīng)，進而知道電與磁之間的聯(lián)系[1]。本節(jié)內(nèi)容由電流的磁效應(yīng)、通電螺線管的磁場、安培定則三部分構(gòu)成。由于知識較抽象且難度較大，教師如何通過教學活動引導學生逐步掌握教學內(nèi)容是教學設(shè)計時需要特別思考的問題。筆者從引導學生進行實驗分析和做好探究實驗入手，設(shè)計了4個實驗，并穿插視頻微課、規(guī)律小結(jié)等活動，讓學生在探究過程中提高觀察、提問、邏輯推理的能力。

1 ? ?教學用具與實驗準備

1.1 ? ?教師演示實驗器材

（1）趣味實驗器材：玩具魚的魚嘴里粘貼有N極朝上的磁片。四根釣魚竿，其中兩根是普通磁鐵釣魚竿，一根釣魚竿的釣頭上的磁鐵S極朝下，一根釣魚竿的釣頭上的磁鐵N極朝下;另外兩根是特制釣魚竿，釣頭是小銅絲線圈，但是電池盒內(nèi)的電池安裝相反，閉合開關(guān)后，兩個通電線圈下端的極性不同。

（2）奧斯特實驗器材：大磁針組件、塑料平臺、兩根銅立柱、恒流源、電流表（0刻度在表盤中間，指針左右偏轉(zhuǎn)方向的改變可表示電路中電流方向的改變）、家裝電線。

（3）通電螺線管磁場增強原理演示器材：大磁針組件、恒流源、電流表、3個線圈（1匝、2匝、5匝）。

1.2 ? ?學生分組實驗器材

螺線管（藍色和紅色兩種繞法不同的螺線管）、鐵芯、磁粉、小磁針、帶開關(guān)的電池盒、導線。

2 ? ?教學流程圖（圖1）

3 ? ?教學過程亮點與亮點分析

3.1 ? ?亮點1：趣味游戲，設(shè)疑引課

師：今天我們來進行“釣魚”比賽，這是兩根普通的磁鐵釣魚竿，這是兩根特制的釣魚竿，在規(guī)定的時間內(nèi)，比一比誰釣的魚多，注意全程不能用手去觸碰魚。

（學生釣完魚后，回答釣魚的體驗。）

生1：釣頭是磁鐵的釣魚竿，釣頭能夠釣起魚，但是魚掉不下來，原因是磁體間異名磁極相互吸引。

生2：釣頭是磁鐵的釣魚竿，釣頭總是排斥魚，原因是磁體間同名磁極相互排斥。

生2特制釣竿，閉合開關(guān)，釣頭與魚相互排斥，斷開開關(guān)，釣頭也不吸引魚，釣不上來魚。

生3：特制釣竿，閉合開關(guān)，釣頭吸起魚，斷開開關(guān)，釣頭不吸引魚，魚能自動掉在魚簍里。

師：這根成功的釣魚竿既能釣起魚，又能自動放下魚的奧秘是什么呢？失敗的釣魚竿怎樣才能順利釣起魚呢？通過學習今天的內(nèi)容，就能解決這些問題。

亮點分析 結(jié)合初中學生好奇的學習心理特點，用喜聞樂見的小游戲引入新課，吸引學生的注意力，激發(fā)學生學習的樂趣;展示神奇釣魚竿的幾個元件（電池、導線和線圈），幾個裝置的組合構(gòu)成了能收放自如的神奇釣魚竿，使學生進入主動探索狀態(tài)，引導學生從身邊熟悉的生活情境來探索物理現(xiàn)象背后的規(guī)律，很好地體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神。

3.2 ? ?亮點2：關(guān)注細節(jié)，啟發(fā)提問

3.2.1 ? ?奧斯特實驗Ⅰ

師：這是一個小磁針，在地磁場的作用下，小磁針的北極指向北方。現(xiàn)在我在小磁針的上方放置一根與小磁針平行的銅導線，請大家觀察小磁針有什么變化？

生：小磁針沒有變化。

師：現(xiàn)在給銅導線通電，電流表可以觀察到導線通電，請同學們觀察小磁針有什么變化？（電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)說明導線中有電流）

生：小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)，說明小“磁”針受到了力（強調(diào)“磁”），這個力是什么力？

生：磁力。

師：上節(jié)課我們學習了磁場，那么是誰的磁場給這個小磁針施加了磁力呢？

生：通電的導線。

師：通過這個實驗，請說說你得到的規(guī)律。

生：通電導線周圍存在磁場。

3.2.2 ? ?奧斯特實驗Ⅱ

師：現(xiàn)在我改變導線中的電流方向，請大家再次觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)？（由電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的改變可知導線中電流方向改變）

生：小磁針偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，意味著小磁針受到的磁力方向發(fā)生改變，那么磁力方向發(fā)生改變說明了什么呢？

生：說明磁場方向發(fā)生改變。

師：磁場方向為什么會發(fā)生改變呢？

生：因為電流方向發(fā)生了改變。

師：通過進一步的實驗，請說說你得到的規(guī)律。

生：通電導線周圍的磁場方向與電流方向有關(guān)。

師：這個電路中沒有用電器，能不能長時間接通電路，為什么？

生：不能，由于電路中沒有用電器，相當于短路，比較危險。

亮點分析 學生對于抽象物理規(guī)律的理解程度與教師引導式的教學方式是密切相關(guān)的。本環(huán)節(jié)，筆者根據(jù)學生對磁現(xiàn)象掌握的實際情況，對所探究的物理現(xiàn)象的解釋進行分解，然后在此基礎(chǔ)上進行了問題的預設(shè)和分層，所提的問題由易到難，兼顧性強，措辭準確，邏輯性強。在提問中，既突出了教材中的關(guān)鍵問題，還充分考慮了學生的接受能力，通過一系列的“問題串”能使學生的思維更清晰，更深刻地理解其正在探究的問題，領(lǐng)悟探究活動的精髓[2]。該提問環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)學生的主體地位，使他們積極參與到課堂實踐中來，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。在進行演示實驗時，筆者在細微處做了鋪墊，拓展了學生思維的廣度和思維的深度，避免了學生沒有頭緒的思考，引導學生朝教師預設(shè)的情境進行思考。比如，（1）在放置小磁針時，強調(diào)小磁針任意放置時，在地磁場磁力的作用下，小磁針最后總是N極指北，為后續(xù)學生分析小磁針在電流的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的實驗現(xiàn)象做鋪墊;（2）電流看不見，演示實驗增加大型電流表，給學生以證據(jù)意識，讓學生直觀感受到電流產(chǎn)生的同時也產(chǎn)生磁場，并且為后面通過演示電流表來直觀感受電流方向改變提供證據(jù)。

3.3 ? ?亮點3：視頻微課，傳遞科學精神

師：通過上面的兩個實驗，我們觀察出通電導線周圍存在與電流方向有關(guān)的磁場，這就是電流的磁效應(yīng)，這個現(xiàn)象最早由丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)，我們通過一段微課來了解這一段物理學史。

微課包括四個小部分：首先，介紹康德的學說，各種自然現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化的;其次，指出奧斯特根據(jù)前人尋找電與磁聯(lián)系的經(jīng)驗提出自己的想法;然后，奧斯特發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象后進行三個月的深入研究到發(fā)表結(jié)論;最后，奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭示了長期以來不同性質(zhì)的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從而使得電磁學進入一個嶄新的發(fā)展時期[3]。

師：請同學們發(fā)表觀看視頻后的感想。

生1：通過觀看這段視頻，我知道了自然界的各種現(xiàn)象都不是孤立存在的，它們之間都有一定的聯(lián)系。

生2：奧斯特為了自己的科學信仰勇于探索，善于總結(jié)前人的經(jīng)驗，為自己的科學發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，所以奧斯特的發(fā)現(xiàn)并不是偶然的。

在學生發(fā)表自己的想法之后，筆者引導學生齊聲誦讀一首由筆者創(chuàng)作的紀念奧斯特的小詩《致奧斯特》：有人認為，你的發(fā)現(xiàn)，純屬偶然。因為，你的實驗，并非事先安排。但是科學，基于推理，也能預測。那次“普通”的嘗試啊，小磁針輕輕地偏轉(zhuǎn)，你立刻抓住，深入研究，打開了一個未知領(lǐng)域的大門，你的名字，烙印在了電磁紀元。你的發(fā)現(xiàn)，不是偶然的，而是必然，因為，偶然和意外，只對有準備的頭腦，才有作用。

亮點分析 物理學史料有助于增強學生科學探究精神的塑造[4]。本環(huán)節(jié)，筆者充分挖掘教材的物理學史料，采用“歷史重演”的教學法，制作了奧斯特實驗的歷史背景和研究過程的視頻短片，展現(xiàn)了奧斯特在追求科學真理的過程中所表現(xiàn)出的對物理之美的不懈追求，用奧斯特高尚的科學情操來培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。同時，學生在看完視頻短片之后，分享心得體會，有利于啟發(fā)學生探究真理的志趣，樹立正確的科學態(tài)度與勇于探索的科學精神。

3.4 ? ?亮點4：實驗升級，科學推理

師：奧斯特的發(fā)現(xiàn)催生了大量的發(fā)明創(chuàng)造，其中一項重要的發(fā)明就是電流表。這是世界上最早的電流計模型，就是一匝線圈加一個小磁針，給線圈通電，小磁針偏轉(zhuǎn)了，通過磁針的偏轉(zhuǎn)，就能知道導體中有電流。保持電流大小不變，現(xiàn)在增加一匝線圈，請觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)情況。

生：小磁針偏轉(zhuǎn)角度變大。

師：如果繼續(xù)增加線圈匝數(shù)，請同學們猜想小磁針偏轉(zhuǎn)角度會發(fā)生什么變化？

生：小磁針偏轉(zhuǎn)角度會進一步變大。

師：繼續(xù)增加線圈匝數(shù)，驗證學生的猜想。因為使用的是恒流源，三次實驗通過線圈的電流大小相等，三次實驗中電流表的指針的示數(shù)是相同的。

生：小磁針的偏轉(zhuǎn)角度果然變得更大了。

師：小磁針偏轉(zhuǎn)角度變大，說明小磁針所受磁力變大;磁力變大，說明小磁針所處的磁場強度變強。那么電流大小不變，為什么隨著線圈匝數(shù)增加磁場強度會變強呢？

生：每匝線圈都會產(chǎn)生磁場，各個磁場相互疊加，所以磁場強度會增強。

亮點分析 該演示實驗是依據(jù)教材上介紹通電螺線管的原理而創(chuàng)造性地開發(fā)的一個實驗，增加這個演示實驗的目的，是讓學生通過實驗現(xiàn)象，運用科學思維來推理得出通電螺線管的強磁場的原因，學生在體驗和思考中建立起正確的物理觀念，在這個過程中，學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力得到了進一步提高。

3.5 ? ?亮點5：現(xiàn)象對比，尋找規(guī)律

3.5.1 ? ?通電螺線管的磁場特征

師：像這樣的導線一圈一圈繞在一起，構(gòu)成螺線管，螺線管的磁性變強，對我們幫助很大，所以接下來我們來研究通電螺線管的磁場。利用什么器材來研究磁場的特點？

生：鐵屑。

師：請同學們利用鐵屑來研究通電螺線管的磁場的特點。

生：（分組實驗）學生按照以前研究各種磁體的磁場的方法，利用鐵屑和小磁針來研究通電螺線管的磁場特征。

生：通電螺線管外部的鐵屑分布與條形磁體的類似，說明通電螺線管外部的磁場與條形磁體的類似。

3.5.2 ? ?通電螺線管的極性規(guī)律

師：通電螺線管外部的磁場與條形磁體的類似，可以將通電螺線管看成條形磁體，其兩端就相當于磁極，那么利用什么工具來確定它的極性呢？

生：利用小磁針來確定極性。

師：演示利用小磁針來判斷通電螺線管的極性。通電螺線管的極性是不變的還是改變的？

生：可能是變化的？

師：怎樣可以改變通電螺線管的極性？請同學們進行猜想。

生：改變電流方向。

師：通過交換電源的正負極來改變電流方向，請同學們利用小磁針來判定通電螺線管的極性，將極性寫在對應(yīng)的學案上，驗證電流方向的改變是否能改變通電螺線管的極性？

生：（分組實驗）每個實驗小組有一個螺線管和對應(yīng)的實驗記錄單，學生完成實驗，將對應(yīng)的極性填寫在實驗圖上。螺線管有兩種纏繞方式，分別用藍色和紅色電線區(qū)分。學生完成實驗，教師將不同繞線方式的實驗記錄在圖上進行展示。

師：同學們通過實驗驗證了通電螺線管的極性與電流方向有關(guān)。請觀察紅色螺線管與藍色螺線管，它們的外部電流方向相同，但是從實驗結(jié)果來看，它們的極性并不相同，這是為什么呢？請仔細觀察兩個螺線管有什么不同？

生：（經(jīng)過對比分析后發(fā)現(xiàn)）繞線方式不同，通電螺線管的極性與繞線方式也有關(guān)。

亮點分析 本環(huán)節(jié)將教材中根據(jù)實驗結(jié)果找規(guī)律的部分設(shè)計成學生分組探究實驗。通過此探究實驗，學生完整地經(jīng)歷科學探究的七個環(huán)節(jié)，進一步鞏固學生科學探究的核心素養(yǎng)，特別是在分析和論證、評估、交流與合作這三個環(huán)節(jié)中，采用“分組同伴互助”教學法[5]，具有使任務(wù)具體化和勞動分工、促進責任心和思想共享等這些有效合作學習的標志[6]，不僅體現(xiàn)了團體合作的作用，還發(fā)現(xiàn)了預設(shè)之外的規(guī)律，讓學生切身感受到互助合作的價值與意義。

3.6 ? ?亮點6：尋找規(guī)律，巧記關(guān)系

師：比較極性相同的紅色通電螺線管和藍色通電螺線管，它們的繞線方式不同，外部電流方向不同，但它們的極性是相同的，請同學們仔細觀察，為什么它們的磁場相同呢？

生：對照比較，發(fā)現(xiàn)極性相同的通電螺線管的內(nèi)部環(huán)繞電流方向是相同的。

師：外部電流方向和繞線方式共同決定了環(huán)繞電流方向，只要環(huán)繞電流方向相同，則通電螺線管的極性就是相同的。通電螺線管的極性與環(huán)繞電流方向存在一一對應(yīng)的關(guān)系。你能想出什么辦法來記住這個對應(yīng)關(guān)系呢？請同學們分小組討論。

生1：我們面對通電螺線管，若看到的電流向上，則左邊是通電螺線管的N極，若看到的電流向下，則右邊是通電螺線管的N極，即“上左N，下右N”。

生2：可以借用課本上的安培定則幫助我們來判斷。

亮點分析 在記憶通電螺線管的極性和環(huán)繞電流的關(guān)系時，鼓勵學生用自己的方式和方法記憶科學規(guī)律，增加了學習的主動性，有利于促進學生的深度思考，同時鼓勵學生之間互相分享學習心得，有助于進一步營造互助合作的學習氛圍。

3.7 ? ?亮點7：掌握規(guī)律，學以致用

3.7.1 ? ?反饋活動一：揭開特殊釣魚竿的奧秘

師：通過上面的學習，請大家說一說這根既能釣起魚又能放下魚的魚竿蘊含著怎樣的科學原理呢？（進一步放大釣頭的構(gòu)造）

生：釣頭是通電螺線管，通電后，通電螺線管能吸引魚嘴里面的磁片;斷電后，通電螺線管就沒有了磁性。

師：那么，如何讓這根失敗的特制釣魚竿也能釣上魚呢？

生：改變電流的方向，就能改變通電螺線管的極性，讓這根魚竿從排斥魚變?yōu)槲~。

3.7.2 ? ?反饋活動二：學以致用，電磁彈射小車

教師分發(fā)給每個小組繞制好的螺線管、電源和導線，講臺上放置好尾部粘有磁片的輕質(zhì)塑料小車（磁片的S極朝向外側(cè)）。學生進行小組討論，想一想如何正確連接螺線管和電源的正負極，才能將粘有磁片的小車彈射出去。學生分小組合作連接好彈射裝置，并分組上臺來展示彈射小車的情況，教師總結(jié)學生的展示活動。同時，開展教學延伸，展示航母上的電磁彈射系統(tǒng)。

亮點分析 ?第一，該環(huán)節(jié)主要是當堂反饋學生的學習情況，檢驗學習成果。第二，揭秘神奇釣魚竿，解決了引入時設(shè)置的懸念，首尾呼應(yīng)，大大提高了學生的學習熱情。第三，電磁彈射小車趣味活動立足于課后習題素材，將課本上的題目訓練變成有實際操作價值的反饋活動，既反映了對教材的靈活運用，也增加了課堂的趣味性，對學生有效掌握安培定則起到鞏固作用。與此同時，該活動仍采用小組形式，進一步夯實互助合作的學習氛圍。第四，在此基礎(chǔ)上開展教學延伸活動，通過介紹航母上的電磁彈射系統(tǒng)，讓學生深刻感知物理學科的實用性，體會到學習物理的價值與意義。

參考文獻：

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）