基于发展学生核心素养的“法拉第电磁感应定律”课堂教学设计

张齐峰

摘 要：本文介绍了运用简易自制教具定量探究法拉第电磁感应定律的教学设计过程，改进了教材上的学生实验。同时，教学中以实验、问题、启发、应用、拓展为手段，以语言、图像、表格、代数为方式，让学生在动眼、动手、动口、动脑以及合作交流中，逐步发展了学生的核心素养。

关键词：核心素养；法拉第电磁感应定律；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0032-4

国际社会为迎接21世纪的挑战，提出了“21世纪核心素养”的概念，并得到越来越多国家和学者的认可。核心素养，是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格与关键能力，它强调自主发展（学会学习，健康生活）、社会参与（责任担当，实践创新）和文化基础（人文底蕴，科学精神）3个方面的内容。

课堂是学生发展能力的主阵地，为了发展学生的核心素养，笔者上了一节市级教学公开课，现把这节课的教学过程和设计意图与同行分享，以期抛砖引玉。

1 教学过程

1.1 激趣引入

上课伊始，组织同学进行趣味比赛。要求两名同学分别操作两台手摇式发电机，比较谁的灯泡更亮，获胜者予以鼓励。

设计意图 前苏联教育家苏霍姆林斯基说过：“求知欲，好奇心——这是人的永恒的、不可改变的特性。哪里没有求知欲，哪里便没有学校。”有效的教学情境，可以激发学生强烈的求知欲望。让学生在亲手操作、亲历情景和亲身体验中点燃探究和学习的“火把”。

1.2 猜想与假设

采访刚才参加趣味游戏的同学，你认为发电机的电动势（感应电动势）大小可能与哪些因素有关？学生可能回答与磁场强度、转速、线圈大小、匝数以及导线的粗细等有关。

教师：下面3幅图均能产生感应电动势，上述因素是否是影响感应电动势大小的最本质的因素呢？

学生：在图1、2和3中，由于不同时涉及转速或线圈大小，所以转速和线圈大小不是最本质因素。又因为感应电流产生的条件与磁通量的变化有关，结合发电机实验的感受，我认为可能与磁通量的变化、匝数和运动时间有关。

教师在学生回答的基础上总结，感应电动势E可能与磁通量的变化ΔΦ、匝数n和时间Δt有关。

设计意图 提倡开放性和主动性，引导学生分析现象，排除非本质因素，得到本质属性，训练学生的观察能力和信息收集、分析与处理能力，达成核心素养中自主发展（学会学习，健康生活）的部分目标。

1.3 设计与实验

教师：我们的猜想是否正确呢？下面我们运用控制变量法进行定量研究。

（一）原理分析

如图4所示，小车载着磁铁从上滑下到进入线圈ΔL的过程中，闭合回路的磁通量Φ增大、磁铁速度v增大，则闭合回路的感应电动势E增大，灵敏电流计偏角会不断变大。调节光电门到线圈的距离，当灵敏电流计偏角最大时，用数字计时器测此时小车通过光电门的时间间隔Δt。改变线圈的匝数或磁铁的条数，就改变了闭合回路的匝数n或磁通量的变化ΔΦ；改变小车下滑的距离L，就改变了时间Δt。这样，就可以比较感应电动势E与匝数n、磁通量的变化ΔΦ和时间Δt的关系了。

（二）实验步骤与数据处理

（1）保持磁通量ΔΦ、时间Δt不变，探究感应电动势E与匝数n的关系，如表1所示。

（2）保持Δt、匝数n不变，探究感应电动势E与磁通量ΔΦ的关系，如表2所示。

（3）保持磁通量ΔΦ、匝数n不变，探究感应电动势E与时间Δt的关系，如表3所示。

设计意图 让学生自己进行组内分工与相互合作，自己设计实验、动手实验、记录数据、描绘图像和得出结论，由实验表象向普适原理逐步过渡，主动构建知识，达到核心素养中的社会参与（责任承擔，实践创新）的部分目标。

1.4 实验结论

教师：1831年，法拉第发现电磁感应现象，之后大量的科学家开始研究电磁感应现象，最早由纽曼、韦伯各自从理论上提出了感应电动势的计算公式，之后法拉第通过精确的实验验证了这一规律。人们为了纪念法拉第在电磁感应现象方面的突出贡献，就用他的名字命名了这一定律，即E= k ，k为比例系数。

在国际制单位中，因为1 V=1 Wb/s，故k=1，即单匝线圈产生的感应电动势 E= 。又因为n匝线圈相当于n个电源串联，所以n匝线圈的感应电动势E=n 。

设计意图 适时渗透情感、物理文化、思想和方法教育，避免生硬说教，同时关注学生成长，达成核心素养中的文化基础（人文底蕴、科学基础）的部分目标。

1.5 延伸推导

教师：能否利用法拉第电磁感应定律推导“导线切割磁感线时产生的感应电动势”呢？请完成下列两种情况的推导。

学生：（1）垂直切割时，如图8所示，导体由ab匀速移动到a1b1，Δt时间内轨道与金属棒所围面积内磁通量变化为ΔΦ=BΔs=BlvΔt。由法拉第电磁感应定律得E=ΔΦ/Δt= BlvΔt/Δt=Blv，即垂直切割电动势E=Blv。

学生：（2）导线的运动方向与导线本身垂直，但与磁场方向有一个夹角θ时，如图9所示，将速度v可以分解为垂直B和平行B的两个分量，其中v2=vcosθ，没有切割磁感线，不产生电动势；与B垂直的分量v1=vsinθ，切割磁感线产生电动势E=Blvsinθ。

设计意图 通过对所学知识的合理推导，体验成功解决问题的喜悦，增进学习物理的自信心。推导后，注重教师评价和同伴评价的有机结合，引导学生自主发展，达成核心素养中的自主发展（学会学习，健康生活）的部分目标。

1.6 例题分析

例题1 如图10所示，在磁感应强度为1 T的匀强磁场中，一根长为20 cm的导线以2 m/s的速度运动，运动方向与磁感线方向成30°角，求导线中的感应电动势的大小？

例题2 匀强磁场垂直于纸面向外，磁感应强度B=2×10-2 T，一个直径为20 cm、电阻为0.1 Ω的圆形线圈放在磁场中，线圈平面垂直磁场方向。在线圈某一直径两端用力拉线圈，如图11所示，在0.5 s内使线圈面积变为零。问：在这个过程中，线圈内感应电流的方向如何？平均感应电流有多大？

设计意图 引导学生如何根据题设条件，从物理规律出发，通过分析、综合和类比等，将实际问题简化为物理模型，运用新知识解决新问题，消化、理解和反馈所学新知识。同时两组例题对比，让学生在反思中巩固、深化和提高，使学生的知识结构由点到面、由面到体，形成合理的知识结构。

1.7 讨论与展望

讨论 电动机线圈转动时，会产生感应电动势，这个电动势是加强了电源的电流，还是阻碍了电源的电流？学生讨论后发表见解，教师点评总结得出，电动机转动时产生的感应电动势，与电源的电流方向相反，称为反电动势，会阻碍线圈的转动，从而对线圈做负功，使电能向其他形式的能转化。

展望 电磁感应规律在日常生活中有着广泛的应用。可以根据此原理制造发电机、感应电动机和变压器等电器设备，有兴趣的同学可查阅资料或预习下一节。

设计意图 “讨论”片段，让学生运用新知识解决旧问题，为知识安装一个应用“接口”，逐步培养学生学以致用、勤于思考和发现问题的好习惯；“展望”片段，提出新知识、新情景，为知识安装一个拓展“窗口”，激发学生探究新知识的欲望，以求达到核心素养中的自主发展和文化基础的部分目标。

2 教学反思

2.1 课前

教师需充分了解学生的认知障碍，在教学过程中为学生设计出逻辑关系严谨、难度梯度适当的问题或实验系列，把知识问题化，问题情境化，将学生置于问题的情境中，让他们经历智力的探险，收获思维和智慧，改变只会“模仿”不会“迁移”的顽症。

2.2 课中

通过课堂学生演示实验和分组定量探究实验，让学生身临其境，获得具体的直接经验，得到清晰认识。并在教师的启发引导下，经过学生讨论、分析、推理和归纳，上升到理性认识，形成物理概念或物理规律。

一个物理概念或物理规律可以用语言、图表、代数或几何等方式表达出来，而不同的学生对信息的不同表征形式有着不同的反应。教学中需帮助他们找到最适合自己的表征形式。反过来，如果一个学生能够以多种形式来表达同一问题，就表示他们已经对此问题有了非常透彻的理解。

运用物理概念或物理規律时，依据“发现学习”的教学思想，需从学生身边的生活实例入手，突出从生活走向物理，从物理走向社会，在阶梯中领悟，在渐进中进步，激发学生关注生活、应用知识解决问题的热情和能力。

2.3 课后

还应注重各种知识间的相互联系，从整体角度看知识结构，将学生各方面的零散知识联系在一起，这样有利于学生全面掌握知识和理顺各部分与整体的关系。

3 结束语

以实验为载体展开过程，以问题为核心引导思维，立足“做中学，学中做”，注重前后知识的联系，在思维中留“缺口”、应用中安“接口”、拓展中开“窗口”，逐步达成核心素养中的自主发展（学会学习，自主发展）的部分目标；让学生自己进行组内分工与合作，沟通与交流，收集与整理信息，达成核心素养中的社会参与（责任担当，实践创新）的部分目标；适时渗透情感、科学知识、科学方法和科学精神教育，达成核心素养的文化基础（人文底蕴，科学基础）的部分目标。

总之，用真实的教学问题，自然的教学过程，和谐的教学氛围，来促进学生核心素养的全面发展，使得学生有能力应对21世纪的挑战。

参考文献：

[1]王乐福，张艳婷.“法拉第电磁感应定律”课堂教学创新实验设计[J].物理教学，2013（6）：28-30.

（栏目编辑 邓 磊）