基于物理核心素养的教学设计分析

吴明海 黄致新 李维 田奇

摘   要：以物理学科核心素养“四个要素”为导向的教学设计，是当前初中物理教学设计的主流方向，教学活动既生动有趣，又能让学生在探究过程中亲自发现相关规律、切身体会知识自然生成的过程、自主总结科学规律，提高学生观察现象、提出问题、分析问题、解决问题的能力，很好地培养初中学生的物理核心素养。以2019年全国物理创新大赛参赛案例——“电生磁”为例，重点分析了该案例的设计亮点及其“四个要素”的达成途径，以期为相关课堂设计提供有益的参考。

关键词：电生磁;教学活动;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）4-0037-5

“电生磁”是人教版初中物理第二十章第2节的内容，笔者在多年的教学实践中发现，学生对磁现象的认识比较模糊，不能很好地理解和掌握磁场的概念，更是对电流周围磁场的产生和应用没有认识。笔者在参加2019年全国物理创新大赛时，选择“电与磁”作为参赛章节，以物理核心素养的四要素为指导，进行了有趣、有效的教學活动设计。

“电生磁”是学生在学习了磁体、磁场的前提下，通过奥斯特实验发现电流（通电导线）周围存在磁场，从而了解电流的磁效应，进而知道电与磁之间的联系[1]。本节内容由电流的磁效应、通电螺线管的磁场、安培定则三部分构成。由于知识较抽象且难度较大，教师如何通过教学活动引导学生逐步掌握教学内容是教学设计时需要特别思考的问题。笔者从引导学生进行实验分析和做好探究实验入手，设计了4个实验，并穿插视频微课、规律小结等活动，让学生在探究过程中提高观察、提问、逻辑推理的能力。

1    教学用具与实验准备

1.1    教师演示实验器材

（1）趣味实验器材：玩具鱼的鱼嘴里粘贴有N极朝上的磁片。四根钓鱼竿，其中两根是普通磁铁钓鱼竿，一根钓鱼竿的钓头上的磁铁S极朝下，一根钓鱼竿的钓头上的磁铁N极朝下;另外两根是特制钓鱼竿，钓头是小铜丝线圈，但是电池盒内的电池安装相反，闭合开关后，两个通电线圈下端的极性不同。

（2）奥斯特实验器材：大磁针组件、塑料平台、两根铜立柱、恒流源、电流表（0刻度在表盘中间，指针左右偏转方向的改变可表示电路中电流方向的改变）、家装电线。

（3）通电螺线管磁场增强原理演示器材：大磁针组件、恒流源、电流表、3个线圈（1匝、2匝、5匝）。

1.2    学生分组实验器材

螺线管（蓝色和红色两种绕法不同的螺线管）、铁芯、磁粉、小磁针、带开关的电池盒、导线。

2    教学流程图（图1）

3    教学过程亮点与亮点分析

3.1    亮点1：趣味游戏，设疑引课

师：今天我们来进行“钓鱼”比赛，这是两根普通的磁铁钓鱼竿，这是两根特制的钓鱼竿，在规定的时间内，比一比谁钓的鱼多，注意全程不能用手去触碰鱼。

（学生钓完鱼后，回答钓鱼的体验。）

生1：钓头是磁铁的钓鱼竿，钓头能够钓起鱼，但是鱼掉不下来，原因是磁体间异名磁极相互吸引。

生2：钓头是磁铁的钓鱼竿，钓头总是排斥鱼，原因是磁体间同名磁极相互排斥。

生2特制钓竿，闭合开关，钓头与鱼相互排斥，断开开关，钓头也不吸引鱼，钓不上来鱼。

生3：特制钓竿，闭合开关，钓头吸起鱼，断开开关，钓头不吸引鱼，鱼能自动掉在鱼篓里。

师：这根成功的钓鱼竿既能钓起鱼，又能自动放下鱼的奥秘是什么呢？失败的钓鱼竿怎样才能顺利钓起鱼呢？通过学习今天的内容，就能解决这些问题。

亮点分析 结合初中学生好奇的学习心理特点，用喜闻乐见的小游戏引入新课，吸引学生的注意力，激发学生学习的乐趣;展示神奇钓鱼竿的几个元件（电池、导线和线圈），几个装置的组合构成了能收放自如的神奇钓鱼竿，使学生进入主动探索状态，引导学生从身边熟悉的生活情境来探索物理现象背后的规律，很好地体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，激发学生的创新精神。

3.2    亮点2：关注细节，启发提问

3.2.1    奥斯特实验Ⅰ

师：这是一个小磁针，在地磁场的作用下，小磁针的北极指向北方。现在我在小磁针的上方放置一根与小磁针平行的铜导线，请大家观察小磁针有什么变化？

生：小磁针没有变化。

师：现在给铜导线通电，电流表可以观察到导线通电，请同学们观察小磁针有什么变化？（电流表指针发生偏转说明导线中有电流）

生：小磁针发生偏转。

师：小磁针偏转，说明小“磁”针受到了力（强调“磁”），这个力是什么力？

生：磁力。

师：上节课我们学习了磁场，那么是谁的磁场给这个小磁针施加了磁力呢？

生：通电的导线。

师：通过这个实验，请说说你得到的规律。

生：通电导线周围存在磁场。

3.2.2    奥斯特实验Ⅱ

师：现在我改变导线中的电流方向，请大家再次观察小磁针的偏转？（由电流表指针偏转方向的改变可知导线中电流方向改变）

生：小磁针偏转方向发生改变。

师：小磁针偏转方向发生改变，意味着小磁针受到的磁力方向发生改变，那么磁力方向发生改变说明了什么呢？

生：说明磁场方向发生改变。

师：磁场方向为什么会发生改变呢？

生：因为电流方向发生了改变。

师：通过进一步的实验，请说说你得到的规律。

生：通电导线周围的磁场方向与电流方向有关。

师：这个电路中没有用电器，能不能长时间接通电路，为什么？

生：不能，由于电路中没有用电器，相当于短路，比较危险。

亮点分析 学生对于抽象物理规律的理解程度与教师引导式的教学方式是密切相关的。本环节，笔者根据学生对磁现象掌握的实际情况，对所探究的物理现象的解释进行分解，然后在此基础上进行了问题的预设和分层，所提的问题由易到难，兼顾性强，措辞准确，逻辑性强。在提问中，既突出了教材中的关键问题，还充分考虑了学生的接受能力，通过一系列的“问题串”能使学生的思维更清晰，更深刻地理解其正在探究的问题，领悟探究活动的精髓[2]。该提问环节充分体现学生的主体地位，使他们积极参与到课堂实践中来，充分发挥学生的主观能动性。在进行演示实验时，笔者在细微处做了铺垫，拓展了学生思维的广度和思维的深度，避免了学生没有头绪的思考，引导学生朝教师预设的情境进行思考。比如，（1）在放置小磁针时，强调小磁针任意放置时，在地磁场磁力的作用下，小磁针最后总是N极指北，为后续学生分析小磁针在电流的作用下发生偏转的实验现象做铺垫;（2）电流看不见，演示实验增加大型电流表，给学生以证据意识，让学生直观感受到电流产生的同时也产生磁场，并且为后面通过演示电流表来直观感受电流方向改变提供证据。

3.3    亮点3：视频微课，传递科学精神

师：通过上面的两个实验，我们观察出通电导线周围存在与电流方向有关的磁场，这就是电流的磁效应，这个现象最早由丹麦物理学家奥斯特发现，我们通过一段微课来了解这一段物理学史。

微课包括四个小部分：首先，介绍康德的学说，各种自然现象是相互联系和相互转化的;其次，指出奥斯特根据前人寻找电与磁联系的经验提出自己的想法;然后，奥斯特发现这个现象后进行三个月的深入研究到发表结论;最后，奥斯特的发现揭示了长期以来不同性质的电现象和磁现象之间的联系，从而使得电磁学进入一个崭新的发展时期[3]。

师：请同学们发表观看视频后的感想。

生1：通过观看这段视频，我知道了自然界的各种现象都不是孤立存在的，它们之间都有一定的联系。

生2：奥斯特为了自己的科学信仰勇于探索，善于总结前人的经验，为自己的科学发现奠定了基础，所以奥斯特的发现并不是偶然的。

在学生发表自己的想法之后，笔者引导学生齐声诵读一首由笔者创作的纪念奥斯特的小诗《致奥斯特》：有人认为，你的发现，纯属偶然。因为，你的实验，并非事先安排。但是科学，基于推理，也能预测。那次“普通”的尝试啊，小磁针轻轻地偏转，你立刻抓住，深入研究，打开了一个未知领域的大门，你的名字，烙印在了电磁纪元。你的发现，不是偶然的，而是必然，因为，偶然和意外，只对有准备的头脑，才有作用。

亮点分析 物理学史料有助于增强学生科学探究精神的塑造[4]。本环节，笔者充分挖掘教材的物理学史料，采用“历史重演”的教学法，制作了奥斯特实验的历史背景和研究过程的视频短片，展现了奥斯特在追求科学真理的过程中所表现出的对物理之美的不懈追求，用奥斯特高尚的科学情操来培养学生的科学态度与责任。同时，学生在看完视频短片之后，分享心得体会，有利于启发学生探究真理的志趣，树立正确的科学态度与勇于探索的科学精神。

3.4    亮点4：实验升级，科学推理

师：奥斯特的发现催生了大量的发明创造，其中一项重要的发明就是电流表。这是世界上最早的电流计模型，就是一匝线圈加一个小磁针，给线圈通电，小磁针偏转了，通过磁针的偏转，就能知道导体中有电流。保持电流大小不变，现在增加一匝线圈，请观察小磁针的偏转情况。

生：小磁针偏转角度变大。

师：如果继续增加线圈匝数，请同学们猜想小磁针偏转角度会发生什么变化？

生：小磁针偏转角度会进一步变大。

师：继续增加线圈匝数，验证学生的猜想。因为使用的是恒流源，三次实验通过线圈的电流大小相等，三次实验中电流表的指针的示数是相同的。

生：小磁针的偏转角度果然变得更大了。

师：小磁针偏转角度变大，说明小磁针所受磁力变大;磁力变大，说明小磁针所处的磁场强度变强。那么电流大小不变，为什么随着线圈匝数增加磁场强度会变强呢？

生：每匝线圈都会产生磁场，各个磁场相互叠加，所以磁场强度会增强。

亮点分析 该演示实验是依据教材上介绍通电螺线管的原理而创造性地开发的一个实验，增加这个演示实验的目的，是讓学生通过实验现象，运用科学思维来推理得出通电螺线管的强磁场的原因，学生在体验和思考中建立起正确的物理观念，在这个过程中，学生发现问题、分析问题、解决问题的能力得到了进一步提高。

3.5    亮点5：现象对比，寻找规律

3.5.1    通电螺线管的磁场特征

师：像这样的导线一圈一圈绕在一起，构成螺线管，螺线管的磁性变强，对我们帮助很大，所以接下来我们来研究通电螺线管的磁场。利用什么器材来研究磁场的特点？

生：铁屑。

师：请同学们利用铁屑来研究通电螺线管的磁场的特点。

生：（分组实验）学生按照以前研究各种磁体的磁场的方法，利用铁屑和小磁针来研究通电螺线管的磁场特征。

生：通电螺线管外部的铁屑分布与条形磁体的类似，说明通电螺线管外部的磁场与条形磁体的类似。

3.5.2    通電螺线管的极性规律

师：通电螺线管外部的磁场与条形磁体的类似，可以将通电螺线管看成条形磁体，其两端就相当于磁极，那么利用什么工具来确定它的极性呢？

生：利用小磁针来确定极性。

师：演示利用小磁针来判断通电螺线管的极性。通电螺线管的极性是不变的还是改变的？

生：可能是变化的？

师：怎样可以改变通电螺线管的极性？请同学们进行猜想。

生：改变电流方向。

师：通过交换电源的正负极来改变电流方向，请同学们利用小磁针来判定通电螺线管的极性，将极性写在对应的学案上，验证电流方向的改变是否能改变通电螺线管的极性？

生：（分组实验）每个实验小组有一个螺线管和对应的实验记录单，学生完成实验，将对应的极性填写在实验图上。螺线管有两种缠绕方式，分别用蓝色和红色电线区分。学生完成实验，教师将不同绕线方式的实验记录在图上进行展示。

师：同学们通过实验验证了通电螺线管的极性与电流方向有关。请观察红色螺线管与蓝色螺线管，它们的外部电流方向相同，但是从实验结果来看，它们的极性并不相同，这是为什么呢？请仔细观察两个螺线管有什么不同？

生：（经过对比分析后发现）绕线方式不同，通电螺线管的极性与绕线方式也有关。

亮点分析 本环节将教材中根据实验结果找规律的部分设计成学生分组探究实验。通过此探究实验，学生完整地经历科学探究的七个环节，进一步巩固学生科学探究的核心素养，特别是在分析和论证、评估、交流与合作这三个环节中，采用“分组同伴互助”教学法[5]，具有使任务具体化和劳动分工、促进责任心和思想共享等这些有效合作学习的标志[6]，不仅体现了团体合作的作用，还发现了预设之外的规律，让学生切身感受到互助合作的价值与意义。

3.6    亮点6：寻找规律，巧记关系

师：比较极性相同的红色通电螺线管和蓝色通电螺线管，它们的绕线方式不同，外部电流方向不同，但它们的极性是相同的，请同学们仔细观察，为什么它们的磁场相同呢？

生：对照比较，发现极性相同的通电螺线管的内部环绕电流方向是相同的。

师：外部电流方向和绕线方式共同决定了环绕电流方向，只要环绕电流方向相同，则通电螺线管的极性就是相同的。通电螺线管的极性与环绕电流方向存在一一对应的关系。你能想出什么办法来记住这个对应关系呢？请同学们分小组讨论。

生1：我们面对通电螺线管，若看到的电流向上，则左边是通电螺线管的N极，若看到的电流向下，则右边是通电螺线管的N极，即“上左N，下右N”。

生2：可以借用课本上的安培定则帮助我们来判断。

亮点分析 在记忆通电螺线管的极性和环绕电流的关系时，鼓励学生用自己的方式和方法记忆科学规律，增加了学习的主动性，有利于促进学生的深度思考，同时鼓励学生之间互相分享学习心得，有助于进一步营造互助合作的学习氛围。

3.7    亮点7：掌握规律，学以致用

3.7.1    反馈活动一：揭开特殊钓鱼竿的奥秘

师：通过上面的学习，请大家说一说这根既能钓起鱼又能放下鱼的鱼竿蕴含着怎样的科学原理呢？（进一步放大钓头的构造）

生：钓头是通电螺线管，通电后，通电螺线管能吸引鱼嘴里面的磁片;断电后，通电螺线管就没有了磁性。

师：那么，如何让这根失败的特制钓鱼竿也能钓上鱼呢？

生：改变电流的方向，就能改变通电螺线管的极性，让这根鱼竿从排斥鱼变为吸引鱼。

3.7.2    反馈活动二：学以致用，电磁弹射小车

教师分发给每个小组绕制好的螺线管、电源和导线，讲台上放置好尾部粘有磁片的轻质塑料小车（磁片的S极朝向外侧）。学生进行小组讨论，想一想如何正确连接螺线管和电源的正负极，才能将粘有磁片的小车弹射出去。学生分小组合作连接好弹射装置，并分组上台来展示弹射小车的情况，教师总结学生的展示活动。同时，开展教学延伸，展示航母上的电磁弹射系统。

亮点分析  第一，该环节主要是当堂反馈学生的学习情况，检验学习成果。第二，揭秘神奇钓鱼竿，解决了引入时设置的悬念，首尾呼应，大大提高了学生的学习热情。第三，电磁弹射小车趣味活动立足于课后习题素材，将课本上的题目训练变成有实际操作价值的反馈活动，既反映了对教材的灵活运用，也增加了课堂的趣味性，对学生有效掌握安培定则起到巩固作用。与此同时，该活动仍采用小组形式，进一步夯实互助合作的学习氛围。第四，在此基础上开展教学延伸活动，通过介绍航母上的电磁弹射系统，让学生深刻感知物理学科的实用性，体会到学习物理的价值与意义。

参考文献：

[1]周智良，熊卫.“电生磁”课堂教学设计案例分析[J].物理教学，2014，36（8）：22-24.

[2]陈峰.“问题串”在物理探究教学中的应用[J].课程·教材·教法，2006，26（11）：59-62.

[3]田川，梅家烨，王绍刚.划时代的“转动”——纪念奥斯特发现“电流磁效应”200周年[J].物理教学，2021，43（3）：74-77.

[4]刘通，罗茜.探析中国物理学史料在初中物理教学中的应用[J].中学物理，2020，38（8）：61-64.

[5]刘竹琴.基于“分组同伴互助”教学法的近代物理实验教学研究[J].实验技术与管理，2019，36（4）：25-26，30.

[6]王志力，黄致新.中学物理教学中小组合作学习成员角色分配问题探讨[J].中学物理，2013，31（9）：2-3.

（栏目编辑    邓   磊）