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、应用或拓展为手段，以语言、图象、表格或代数为方式，让学生在动眼、动手、动口、动脑或合作交流中，逐步发展了学生的核心素养.
关键词：学生核心素养；法拉第电磁感应定律；教学设计
课堂是学生发展能力的主阵地，为了发展学生核心素养，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.
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.要求两名同学同时操作手摇式两台发电机，比较哪个灯泡更亮，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，亲历情境和亲身体验中点燃学生探究和学习的“火把”.
1.2猜想与假设
与参加趣味游戏的同学交流，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、匝数和导线的粗细等有关.
教师：下面三种图（图1、图2、图3）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？
学生：在图1、2和3中，由于不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△φ、匝数n和时间△t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：为了检验我们的猜想是否正确，下面我们运用控制变量法进行定量研究.
原理分析 如图4，小车载着磁铁从上滑下到进入线圈△L过程中（如图5），闭合回路的磁通量φ增大、磁铁速度υ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瞬时时间△t.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△φ；改变小车下滑的距离L，就改变了时间△t，血这样，就可以比較感应电动势E与匝数n、磁通量的变化△φ和时间△t的关系了.
实验步骤与数据处理
（1）保持磁通量△φ、△t不变，探究E与匝数n的关系（表1）.
（2）保持△t、匝数n不变，探究E与△φ的关系（表2）.
（3）保持△φ、匝数n不变，探究E与△t的关系（表3）.
将数据描点、连线，即可得图6、图7和图8.
设计意图 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、描绘图象和得出结论，由实验表象向归纳结论逐步过渡，主动构建知识，达到核心素养中的社会参与目标.
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△φ/△t，（k为比例系数）.在国际制单位中，因为1V=1Wb/s，故k=1，即单匝线圈产生的感应电动势E=△φ/△t.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△φ/△t.
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”？请完成下列两种情况的推导.
学生：垂直切割时，如图9所示，导体由ab匀速移动到a1b1，这一过程中穿过闭合回路的磁通量变化△φ=BLv△t，△t时间内轨道与金属棒所围面积内磁通量的变化量为△φ=BZis=Bvl△t.由法拉第电磁感应定律得E=△φ/△t=Bv△tL/△t=BLv.即垂直切割电动势E=BLv.
学生：切割方向与磁场方向成θ角时，如图10所示，将υ分解为垂直于B和平行于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v。=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，体验解决问题的成功喜悦，增进学习物理的情感.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目标.
1.6例题分析
例1 如图11所示，在磁感应强度为IT匀强磁场中，一根长为20cm的导线以2m/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2 匀强磁场垂直于纸面向外，磁感应强度B=2×10T，一个直径为20cm、电阻为0.1Ω的圆形圈放在磁场中，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12所示，在0.5s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 引导学生根据题设条件，从物理规律出发，通过分析、综合或类比等，将实际问题简化为物理模型，运用新知识解决新问题，达到消化、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逻辑关系严谨、難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，让学生亲临其境，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.
2.3概念规律教学
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.
2.4教学思想
运用物理概念或物理规律时，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.
2.5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.
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、应用或拓展为手段，以语言、图象、表格或代数为方式，让学生在动眼、动手、动口、动脑或合作交流中，逐步发展了学生的核心素养.
关键词：学生核心素养；法拉第电磁感应定律；教学设计
课堂是学生发展能力的主阵地，为了发展学生核心素养，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.
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.要求两名同学同时操作手摇式两台发电机，比较哪个灯泡更亮，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，亲历情境和亲身体验中点燃学生探究和学习的“火把”.
1.2猜想与假设
与参加趣味游戏的同学交流，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、匝数和导线的粗细等有关.
教师：下面三种图（图1、图2、图3）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？
学生：在图1、2和3中，由于不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△φ、匝数n和时间△t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：为了检验我们的猜想是否正确，下面我们运用控制变量法进行定量研究.
原理分析 如图4，小车载着磁铁从上滑下到进入线圈△L过程中（如图5），闭合回路的磁通量φ增大、磁铁速度υ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瞬时时间△t.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△φ；改变小车下滑的距离L，就改变了时间△t，血这样，就可以比較感应电动势E与匝数n、磁通量的变化△φ和时间△t的关系了.
实验步骤与数据处理
（1）保持磁通量△φ、△t不变，探究E与匝数n的关系（表1）.
（2）保持△t、匝数n不变，探究E与△φ的关系（表2）.
（3）保持△φ、匝数n不变，探究E与△t的关系（表3）.
将数据描点、连线，即可得图6、图7和图8.
设计意图 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、描绘图象和得出结论，由实验表象向归纳结论逐步过渡，主动构建知识，达到核心素养中的社会参与目标.
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△φ/△t，（k为比例系数）.在国际制单位中，因为1V=1Wb/s，故k=1，即单匝线圈产生的感应电动势E=△φ/△t.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△φ/△t.
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”？请完成下列两种情况的推导.
学生：垂直切割时，如图9所示，导体由ab匀速移动到a1b1，这一过程中穿过闭合回路的磁通量变化△φ=BLv△t，△t时间内轨道与金属棒所围面积内磁通量的变化量为△φ=BZis=Bvl△t.由法拉第电磁感应定律得E=△φ/△t=Bv△tL/△t=BLv.即垂直切割电动势E=BLv.
学生：切割方向与磁场方向成θ角时，如图10所示，将υ分解为垂直于B和平行于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v。=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，体验解决问题的成功喜悦，增进学习物理的情感.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目标.
1.6例题分析
例1 如图11所示，在磁感应强度为IT匀强磁场中，一根长为20cm的导线以2m/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2 匀强磁场垂直于纸面向外，磁感应强度B=2×10T，一个直径为20cm、电阻为0.1Ω的圆形圈放在磁场中，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12所示，在0.5s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 引导学生根据题设条件，从物理规律出发，通过分析、综合或类比等，将实际问题简化为物理模型，运用新知识解决新问题，达到消化、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逻辑关系严谨、難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，让学生亲临其境，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.
2.3概念规律教学
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.
2.4教学思想
运用物理概念或物理规律时，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.
2.5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.
