基于單元學(xué)習(xí)的課時教學(xué)設(shè)計

楊思鋒　熊榮領(lǐng)

摘要：本文基于單元學(xué)習(xí)思想，以課時教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)水平判斷，參照課程標(biāo)準(zhǔn)制定出本課時的學(xué)習(xí)目標(biāo);在任務(wù)驅(qū)動下設(shè)計教學(xué)活動，以問題為導(dǎo)向展開活動，使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)體驗;借助有效的評價手段，以達(dá)成結(jié)構(gòu)化的知識學(xué)習(xí)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高中物理 單元學(xué)習(xí) 課時教學(xué)設(shè)計

新課程新教材的實施，以追求學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的培養(yǎng)為表征。深度學(xué)習(xí)是落實學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。深度學(xué)習(xí)倡導(dǎo)單元學(xué)習(xí)，而單元學(xué)習(xí)的認(rèn)識成果又是通過課時學(xué)習(xí)反映和達(dá)成的，所以，課時教學(xué)設(shè)計是一項基礎(chǔ)性的工作。

一、“電磁感應(yīng)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(yīng)用（穩(wěn)恒電場）部分作為兩個小的主題，而把電磁感應(yīng)與電磁波初步作為一個重要主題進(jìn)行設(shè)置。

“電磁感應(yīng)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(yīng)的研究和認(rèn)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(xué)推理與論證，發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)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(yù)言了空間電磁波的存在。

電磁場及電磁波理論的廣泛應(yīng)用，進(jìn)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(xué)習(xí)，學(xué)生能切實體驗和感受到科學(xué)家探索自然的內(nèi)在動力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是和持之以恒的科學(xué)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(rèn)識分析

時代的發(fā)展和變化，會引發(fā)對科學(xué)研究及發(fā)現(xiàn)過程更加全面而深入的思考。中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的過程可以遵循科學(xué)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(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流。隨后，他做了一系列實驗，從不同角度證明了電磁感應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)電流。法拉第從中認(rèn)識到感應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)電流。當(dāng)A迅速移開B或磁鐵時，A中出現(xiàn)感應(yīng)電流，但方向與移近時相反。當(dāng)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(yīng)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(yīng)電流。但這時，他想搞清楚這里磁場的變化是磁感應(yīng)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(dāng)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(yīng)電流。如果螺繞環(huán)不用鐵芯，則B中的感應(yīng)電流很小;如果用上鐵芯，A中通以同樣大小的電流I，則當(dāng)切斷該電流時，回路B中的感應(yīng)電流顯著增加。這就說明感應(yīng)電流的大小由磁感應(yīng)強度決定。他進(jìn)一步思考，穿過閉合回路磁感應(yīng)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(yīng)電流的最終原因。那么，對于一個閉合回路，磁感應(yīng)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(yīng)該能產(chǎn)生感應(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)電流。EF邊滑動越快，G指示出的感應(yīng)電流越大。當(dāng)EF邊反方向滑動時，感應(yīng)電流方向相反。

上面的做法也可以從另一個角度看，即感應(yīng)電流是由于閉合回路中的一段導(dǎo)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(dǎo)體軸上的導(dǎo)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(dǎo)線通過刷子與盤組成閉合回路，均勻靜磁場與盤面垂直。當(dāng)導(dǎo)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(yīng)電流。

（5）在上述任一實驗裝置里，在出現(xiàn)感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)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(xué)生的知識特點和學(xué)習(xí)方式，首先以問題的形式讓學(xué)生聯(lián)想初中已學(xué)過的知識，即閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。進(jìn)一步提出：是否還有其他產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)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(yīng)，然后進(jìn)入新的學(xué)習(xí)活動中。

活動1是和學(xué)生一起建構(gòu)他們在初中研究產(chǎn)生感應(yīng)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(dāng)時的深入分析，提出感應(yīng)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(xué)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(dāng)時幾個基本實驗的組合。經(jīng)過科學(xué)探究，與學(xué)生一起找到感應(yīng)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(xué)如何向技術(shù)轉(zhuǎn)化，同時也為了對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育。

三、學(xué)生的學(xué)習(xí)水平分析

剛進(jìn)入高二年級學(xué)習(xí)的學(xué)生，雖然比初中階段的學(xué)生在知識思考和科學(xué)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(xùn)練，對閉合電路的一部分導(dǎo)體在做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)電流有形象的認(rèn)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(yīng)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(yīng)電流的方法”“感應(yīng)電流是電荷的移動形成的，那么，是什么力導(dǎo)致了電荷的移動”等。這也體現(xiàn)在他們對科學(xué)探究學(xué)習(xí)的認(rèn)識方面，即物理知識的研究過程，就是從提出問題到進(jìn)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(rèn)識常常對學(xué)生的學(xué)習(xí)和思考有負(fù)面影響。同時，高中學(xué)生由于過于重視習(xí)題訓(xùn)練和考試成績，而缺少體會和發(fā)展物理觀念的意識。可見，教材的內(nèi)容設(shè)計有合理的針對性。

四、本課時的學(xué)習(xí)目標(biāo)

基于前面的分析，參照物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）制定出以下學(xué)習(xí)目標(biāo)（采用“三維敘寫”格式，依據(jù)是核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的目標(biāo)是三維目標(biāo)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(yīng)”實驗，基于對稱的思想，能提出具體的關(guān)于“磁體的電效應(yīng)”可能對應(yīng)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(dǎo)線中感應(yīng)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(yīng)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(yīng)”。

（4）在老師的引導(dǎo)下，建立初中階段實驗“閉合電路的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)電流”的問題模型。結(jié)合磁通量的物理意義，能發(fā)現(xiàn)“導(dǎo)體切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)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(xué)如何向技術(shù)進(jìn)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(xué)技術(shù)在現(xiàn)代社會發(fā)展中的應(yīng)用。

五、課時教學(xué)實施策略

教學(xué)在電學(xué)實驗室中進(jìn)行。在深度學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，整個教學(xué)過程遵循在任務(wù)驅(qū)動下創(chuàng)設(shè)問題情境，設(shè)計教學(xué)活動;學(xué)生在活動開展中，以問題為導(dǎo)向，通過聯(lián)想與建構(gòu)等基本學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生親身參與活動;通過相應(yīng)的評價手段測評，檢查并促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知，獲得良好的學(xué)習(xí)體驗。

六、課時教學(xué)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(yīng)實驗，它反映的是電與磁相互作用的一個方面。為了進(jìn)一步探究“磁體或電流的電效應(yīng)”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(xì)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(yīng)”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(xué)生通過聯(lián)想，或同學(xué)間交流討論，或自主學(xué)習(xí)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(yīng)現(xiàn)象如何發(fā)生。②請利用法拉第的實驗設(shè)計方案預(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)現(xiàn)象？②請基于運動與相互作用觀念，描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的性質(zhì)。③請從理論創(chuàng)新和實踐應(yīng)用方面舉例說明發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的意義。

活動開展：要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(rèn)識;根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，教師也可以在知識方面做些引導(dǎo)，如實驗用的鐵環(huán)相當(dāng)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(yīng)強度。這符合法拉第最初的預(yù)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(yīng)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(yù)想相一致，又有什么不同？②你能否從理論和實踐應(yīng)用兩方面，或舉例說明電磁感應(yīng)現(xiàn)象的意義？

環(huán)節(jié)三：新知識的學(xué)習(xí)

任務(wù)1 基于初中階段研究電磁感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(xué)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(rèn)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(yīng)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(jìn)行實驗驗證？E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF

任務(wù)2 完成實驗：探究感應(yīng)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(yīng)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(yīng)強度，來觀察回路中是否有感應(yīng)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(yīng)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(yīng)強度的？你認(rèn)為哪種情況螺線管磁感應(yīng)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(jìn)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(xì)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(yīng)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(rèn)為實驗驗證了上述猜想嗎？還有進(jìn)一步的結(jié)論嗎？

任務(wù)3 認(rèn)識法拉第的圓盤發(fā)電機，體會科學(xué)如何向技術(shù)轉(zhuǎn)化，以及科學(xué)技術(shù)在實踐中的應(yīng)用。

情境創(chuàng)設(shè)：本單元到此，我們已經(jīng)從“電流的磁效應(yīng)”和電磁感應(yīng)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(xué)研究還有另一方面的要求，就是科學(xué)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(yīng)電流？

活動3開展：①在老師的引導(dǎo)下，分析發(fā)電機的結(jié)構(gòu)組成;②組織學(xué)生分組討論如何用“產(chǎn)生感應(yīng)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(rèn)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(dǎo)體回路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)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(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)，“當(dāng)穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電流”這一條件比“閉合導(dǎo)體回路中的一部分導(dǎo)體做切割磁感線運動時產(chǎn)生感應(yīng)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(xué)們的感受呢？

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)與電動力學(xué)：上冊[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

責(zé)任編輯：黃大燦E1DED967-DD3A-4EB8-9231-50DDE54DC5DF