基于科學(xué)解釋能力進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)串設(shè)計(jì)

摘" "要：電磁感應(yīng)教學(xué)中不僅要求學(xué)生掌握相關(guān)的基本概念和規(guī)律，還要求促進(jìn)其科學(xué)解釋能力的發(fā)展，從而能夠運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。選取“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)串，重構(gòu)復(fù)習(xí)課教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，建構(gòu)科學(xué)解釋能力進(jìn)階“教-學(xué)-評(píng)”一致性評(píng)價(jià)框架。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；實(shí)驗(yàn)串；主題式教學(xué)；科學(xué)解釋能力進(jìn)階

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0061-6

科學(xué)解釋能力培養(yǎng)對(duì)于發(fā)展核心素養(yǎng)有重要意義，能夠促進(jìn)知識(shí)理解，提升探究質(zhì)量，培養(yǎng)高階思維和科學(xué)素養(yǎng)?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階進(jìn)行主題式教學(xué)，將相關(guān)教學(xué)內(nèi)容按照學(xué)生的思維路徑進(jìn)行重構(gòu)，有利于形成連貫、依次進(jìn)階的知識(shí)框架，可以明確地描述核心概念和學(xué)生科學(xué)解釋能力的發(fā)展脈絡(luò)［1］。

人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)可以分為“磁場(chǎng)”“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”“電磁振蕩與電磁波”和“傳感器”四個(gè)主題。其中，“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題以電磁感應(yīng)作為核心概念，圍繞楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，揭示了電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一性。這一主題不僅是前面電學(xué)、磁學(xué)知識(shí)的邏輯發(fā)展，也可與后面“交變電流”“電磁振蕩與電磁波”的學(xué)習(xí)發(fā)生關(guān)聯(lián)。內(nèi)容較為抽象難懂，涉及知識(shí)面較寬，但富含實(shí)驗(yàn)素材且現(xiàn)象明顯；如果將實(shí)驗(yàn)情境貫穿于復(fù)習(xí)課，可以使學(xué)生深度理解、整合完善“電磁感應(yīng)”概念。

因此，本文基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)串，重構(gòu)“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題復(fù)習(xí)課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)解釋能力的進(jìn)階發(fā)展。

1" " 科學(xué)解釋能力進(jìn)階起點(diǎn)分析

1.1" " 知識(shí)結(jié)構(gòu)分析

“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題有一條明顯的教學(xué)主線：學(xué)生首先觀察電磁感應(yīng)現(xiàn)象，然后探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件和方向，進(jìn)而得出楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，最后理解變壓器、渦流等應(yīng)用。但要真正掌握電磁感應(yīng)核心概念，還需要明確兩條隱性的教學(xué)輔線：（1）從物質(zhì)觀和運(yùn)動(dòng)觀出發(fā)，通過(guò)探究明確感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的本質(zhì)；（2）從能量觀和相互作用觀出發(fā)，理解楞次定律的實(shí)質(zhì)，體會(huì)非靜電力做功，進(jìn)而理解各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象中遵循能量守恒定律。

1.2" " 科學(xué)解釋能力現(xiàn)狀分析

在PTDR理論框架下，科學(xué)解釋能力包含現(xiàn)象（P）、理論（T）、資料（D）和推理（R）四個(gè)要素，即能清晰地描述或預(yù)測(cè)待解釋現(xiàn)象，能選取正確解釋現(xiàn)象的理論，能從資料和經(jīng)驗(yàn)中選取用于解釋的完備信息，能通過(guò)推理建立現(xiàn)象與理論、資料間的合理聯(lián)系［2］。

通過(guò)電磁感應(yīng)新授課的學(xué)習(xí)，大多數(shù)學(xué)生科學(xué)解釋能力發(fā)展仍然不足，具體表現(xiàn)如下：

（1）現(xiàn)象與理論要素發(fā)展不足：學(xué)生對(duì)于電磁感應(yīng)的理解僅限于零散的規(guī)律和公式，并沒(méi)有深刻理解各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象背后的本質(zhì)聯(lián)系。

（2）資料要素發(fā)展不足：學(xué)生需要通過(guò)生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)認(rèn)識(shí)電磁感應(yīng)對(duì)現(xiàn)代生活和科技社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用。

（3）推理要素發(fā)展不足：盡管教師通過(guò)特定實(shí)驗(yàn)情境引導(dǎo)學(xué)生提煉出物理規(guī)律，使得學(xué)生的概念理解、分析綜合、模型建構(gòu)和推理論證等能力有所提升，但想要學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋綜合性較強(qiáng)的實(shí)際問(wèn)題，還是有一定跨度的。

2" " 基于科學(xué)解釋能力進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)串設(shè)計(jì)

為彌補(bǔ)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和科學(xué)解釋能力的不足，我們把實(shí)驗(yàn)貫穿于知識(shí)結(jié)構(gòu)建構(gòu)和科學(xué)解釋能力進(jìn)階過(guò)程中，將“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題復(fù)習(xí)課重整為四個(gè)層級(jí)?？茖W(xué)解釋能力進(jìn)階路徑如圖1所示。層級(jí)一是通過(guò)“鋁碗”和“鋁擺”實(shí)驗(yàn)回顧電磁驅(qū)動(dòng)和電磁阻尼現(xiàn)象，明確學(xué)生關(guān)于感應(yīng)電流、楞次定律和安培力的認(rèn)知水平，為電磁感應(yīng)概念理解創(chuàng)設(shè)基礎(chǔ)情境，引導(dǎo)現(xiàn)象、理論和資料要素進(jìn)階。在層級(jí)二中，引導(dǎo)學(xué)生分析“電磁炮”的實(shí)驗(yàn)原理，綜合運(yùn)用安培力公式和法拉第電磁感應(yīng)定律，強(qiáng)化學(xué)生的模型建構(gòu)和探究實(shí)證能力，重點(diǎn)加強(qiáng)推理要素進(jìn)階。層級(jí)三運(yùn)用特斯拉線圈實(shí)現(xiàn)“隔空點(diǎn)燈”，加入了變壓器以及互感知識(shí)，強(qiáng)化其分析綜合能力，引導(dǎo)科學(xué)解釋能力全面進(jìn)階。層級(jí)四的“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生綜合運(yùn)用電磁知識(shí)，在探究中深入理解自感和渦流，注重推理要素進(jìn)階，以增強(qiáng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生深度理解、整合完善“電磁感應(yīng)”概念，便是科學(xué)解釋能力發(fā)展的進(jìn)階終點(diǎn)。教學(xué)過(guò)程中需要向?qū)W生詮釋科學(xué)解釋的四個(gè)要素，并引導(dǎo)他們分析解釋相關(guān)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在潛移默化中掌握科學(xué)解釋的方法。

2.1" " 層級(jí)一進(jìn)階活動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1" " “鋁碗”實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，將鋁碗倒扣在自制支架上，使其保持平衡，手持磁鐵在鋁碗上方沿同一方向轉(zhuǎn)圈，可以觀察到鋁碗跟隨磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。這是典型的電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，主要涉及了楞次定律和安培力兩方面的基礎(chǔ)知識(shí)。鋁碗可看作由許多閉合回路組成的導(dǎo)體，磁鐵（磁場(chǎng)）相對(duì)鋁碗轉(zhuǎn)動(dòng)，穿過(guò)閉合回路的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，安培力使靜止的鋁碗運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

2.1.2" " “鋁擺”實(shí)驗(yàn)

如圖3所示，用細(xì)線將鋁片懸掛在支架上，使其前后擺動(dòng)，手持磁鐵等待鋁片靠近，可以觀察到擺動(dòng)的鋁片在即將撞上磁鐵時(shí)立即“剎車(chē)”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也比較基礎(chǔ)，屬于電磁阻尼現(xiàn)象，依舊可以運(yùn)用楞次定律和安培力知識(shí)來(lái)解釋。

設(shè)計(jì)意圖：“鋁碗”和“鋁擺”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)易于操作且現(xiàn)象明顯，主要是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)的感性認(rèn)識(shí)，為后面的進(jìn)階過(guò)程奠定情境基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)“科學(xué)解釋能力培養(yǎng)”任務(wù)單［3］，如表1所示。

2.2" " 層級(jí)二進(jìn)階活動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，將充電后的電容器連上線圈，摁下開(kāi)關(guān)后，塑料管內(nèi)的小鐵柱像炮彈一樣射出去，這就是“電磁炮”演示實(shí)驗(yàn)。

變化的磁場(chǎng)使得炮彈（導(dǎo)體）中閉合回路的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，使得炮彈受到足夠大的安培力作用向外射出。層級(jí)一兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的磁場(chǎng)均由磁鐵提供，通過(guò)人為移動(dòng)位置使磁通量發(fā)生變化；那么，在“電磁炮”實(shí)驗(yàn)中磁通量是如何發(fā)生變化的？強(qiáng)大的安培力是如何產(chǎn)生的？通過(guò)安培力公式F=BIL可以得到，在導(dǎo)體固定的情況下，可以通過(guò)增大感應(yīng)電流的方式來(lái)增加安培力。由法拉第電磁感應(yīng)定律E=可得，磁通量變化率要足夠大，才能產(chǎn)生大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。本實(shí)驗(yàn)采用電容快速放電，提供一個(gè)瞬時(shí)大電流，線圈周?chē)臻g立刻形成強(qiáng)磁場(chǎng)。炮彈在線圈中的加速過(guò)程如圖5所示。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)?zāi)依烁嚯姶胖R(shí)，需要學(xué)生靈活運(yùn)用規(guī)律和公式進(jìn)行推理，推理分析線圈的作用，得出了炮彈加速模型，對(duì)現(xiàn)象的解釋才能更加透徹。本實(shí)驗(yàn)源于現(xiàn)代武器電磁炮，引導(dǎo)學(xué)生加深理解電磁感應(yīng)在生活實(shí)際中的應(yīng)用。引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)“科學(xué)解釋能力培養(yǎng)”任務(wù)單。

2.3" " 層級(jí)三進(jìn)階活動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖6所示，選用12 V電源給特斯拉線圈通電，頂端線頭產(chǎn)生電火花。將小燈泡靠近線圈，可以觀察到燈泡在沒(méi)有接通任何線路的情況下變亮；燈泡本身越靠近線圈越亮，接線柱靠近線圈反而沒(méi)那么亮。改用220 V的大燈泡靠近特斯拉線圈，依舊可以發(fā)光。為什么可以隔空點(diǎn)亮小燈泡，而且位置不同亮度不同？12 V的電源為什么可以點(diǎn)亮額定電壓220 V的大燈泡？

本實(shí)驗(yàn)采用的小燈泡是氖泡，氖氣在強(qiáng)電場(chǎng)下會(huì)被電離發(fā)出紅光。學(xué)生可以猜想得出“隔空點(diǎn)燈”的原理：線圈周?chē)哂袕?qiáng)電場(chǎng)，小燈泡靠近時(shí)，里面的氣體電離發(fā)光；不同位置電場(chǎng)強(qiáng)弱有差別，所以燈泡亮度不同。那么，線圈周?chē)膹?qiáng)電場(chǎng)是怎么產(chǎn)生的？這涉及到了特斯拉線圈的工作原理，需要給學(xué)生簡(jiǎn)單補(bǔ)充資料，電路如圖7所示。開(kāi)關(guān)閉合后，電容器放電電流輸送至初級(jí)線圈，三極管的作用是使初級(jí)線圈的電壓放大，然后通過(guò)互感將能量傳遞給次級(jí)線圈。由于次級(jí)線圈的匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初級(jí)線圈，=，電壓將再次升高，使得次級(jí)線圈頂部空氣電離放電形成強(qiáng)電場(chǎng)。再次運(yùn)用變壓器原理可以得到：通過(guò)增加次級(jí)線圈匝數(shù)增大電壓，可使得線圈周?chē)碾妶?chǎng)足夠強(qiáng)來(lái)點(diǎn)亮220 V的大燈泡。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)變壓器及互感原理的理解，這是電磁感應(yīng)非常重要的應(yīng)用。在解釋“隔空點(diǎn)燈”現(xiàn)象過(guò)程中，學(xué)生明確特斯拉線圈是一種升壓變壓器。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以了解其他類(lèi)型的特斯拉線圈及其應(yīng)用，比如火花間隙特斯拉線圈，這其中包含了電磁振蕩等更多知識(shí)，可以進(jìn)一步提升對(duì)電磁感應(yīng)及其應(yīng)用的整合理解。引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)“科學(xué)解釋能力培養(yǎng)”任務(wù)單。

2.4" " 層級(jí)四進(jìn)階活動(dòng)設(shè)計(jì)

將鋁環(huán)套入線圈中的鐵芯，接通交流電瞬間鋁環(huán)跳起并懸浮，如圖8所示。改變線圈匝數(shù)，可以觀察到鋁環(huán)跳起高度隨匝數(shù)增加而減?。桓淖冸娏鞔笮?，可以觀察到鋁環(huán)跳起高度隨電流增加而增大。“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)綜合了交變電流、楞次定律、電磁感應(yīng)定律、互感等知識(shí)，學(xué)生可以大致給出本實(shí)驗(yàn)的原理解釋?zhuān)鹤兓拇艌?chǎng)由線圈中的交變電流提供，鋁環(huán)中的磁通量因此產(chǎn)生變化，鋁環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生足夠大的安培力，使得鋁環(huán)跳起并懸浮在鐵芯上。

本實(shí)驗(yàn)的特色是使用了交變電流，也是解釋“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的難點(diǎn)所在。交變電流的大小和方向隨時(shí)間呈周期性變化，因此產(chǎn)生了兩種作用機(jī)制：（1）當(dāng)線圈中的交變電流增加時(shí)，鋁環(huán)中磁通量增大，根據(jù)楞次定律，鋁環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙磁通量的變化。這時(shí)兩種電流的方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，二者相斥，鋁環(huán)向上跳起。（2）當(dāng)線圈中的交變電流減弱時(shí)，鋁環(huán)中的磁通量減少，產(chǎn)生的感應(yīng)電流要阻礙磁通量的變化，這時(shí)它們的電流方向相同，磁場(chǎng)方向相同，二者相吸，鋁環(huán)受到的安培力合力向下，這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相悖。也就是說(shuō)，只用互感原理來(lái)解釋“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)是有缺陷的。學(xué)生需要明確電磁感應(yīng)還有另一個(gè)重要現(xiàn)象——自感。

設(shè)定線圈中交變電流表達(dá)式為i1（t）=I1msinωt，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其相位相同，磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為B1（t）=B1msinωt。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，鋁環(huán)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e2==S=-ωSBsin（ωt-）=

Esin（ωt-）。由于自感存在，鋁環(huán)中的感應(yīng)電流I2不會(huì)突變，相對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)其相位將落后φ，即i2（t）=Im2sin（ωt--φ）。比較i1和i2在一周期內(nèi)的大致相位圖（圖9），可以發(fā)現(xiàn)：異向電流時(shí)間大于同向電流時(shí)間，即鋁環(huán)在每一周期內(nèi)受向上安培力的時(shí)間更長(zhǎng)，因此鋁環(huán)上跳。說(shuō)明自感才是鋁環(huán)跳起并懸浮的重要因素。

接下來(lái)，帶領(lǐng)學(xué)生探究跳環(huán)高度和線圈匝數(shù)、電流的關(guān)系。大多數(shù)學(xué)生最初猜想線圈匝數(shù)越多跳環(huán)跳得越高，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與以上的推測(cè)并不一致。在電流不變的情況下，線圈匝數(shù)n增加會(huì)使得產(chǎn)生的磁場(chǎng)增強(qiáng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=n，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變大，但實(shí)際情況下線圈的電阻與自感不可忽略。線圈匝數(shù)越多阻抗就越大，產(chǎn)生的電流變小，磁場(chǎng)也變小，因此鋁環(huán)跳不高。在探究跳環(huán)高度與電流關(guān)系時(shí)用到了Tracker視頻分析軟件，實(shí)驗(yàn)中可以明確看到，跳環(huán)跳起的高度隨電流增加而增大，如圖10所示。

做完一系列實(shí)驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)鐵芯很燙，學(xué)生能聯(lián)想到渦流，并進(jìn)行解釋。線圈內(nèi)交變電流產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)，使得鐵芯中的磁通量不斷變化，產(chǎn)生了渦電流。渦流在電阻很小的金屬塊內(nèi)會(huì)釋放焦耳熱，這也是電磁爐的工作原理。

設(shè)計(jì)意圖：本實(shí)驗(yàn)融入了交變電流、自感等知識(shí)，使得學(xué)生對(duì)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的把握更加全面。過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)前面層級(jí)的認(rèn)識(shí)對(duì)“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋修正，在探究實(shí)證中明確了自感的重要性；最后還強(qiáng)調(diào)了渦流的存在，將書(shū)本知識(shí)與生活實(shí)際相聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生填寫(xiě)“科學(xué)解釋能力培養(yǎng)”任務(wù)單。

3" " “電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題進(jìn)階學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

學(xué)習(xí)進(jìn)階有著明確的起點(diǎn)、進(jìn)階層級(jí)和終點(diǎn)，將評(píng)價(jià)貫穿于教學(xué)之中，能夠有效促進(jìn)教、學(xué)、評(píng)的一致性發(fā)展?；谇笆觥翱茖W(xué)解釋能力培養(yǎng)”任務(wù)單填寫(xiě)情況，學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)評(píng)價(jià)可以依托于進(jìn)階圖表來(lái)進(jìn)行［4-5］。我們從進(jìn)階活動(dòng)設(shè)計(jì)、活動(dòng)目的以及評(píng)價(jià)要點(diǎn)幾個(gè)方面設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)表（表2），供學(xué)生自評(píng)和教師評(píng)價(jià)。

主題教學(xué)結(jié)束后，編制測(cè)試題及相關(guān)評(píng)價(jià)量表［6］，以檢測(cè)學(xué)生科學(xué)解釋能力的發(fā)展?fàn)顩r，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決存在的問(wèn)題。下面給出測(cè)試題示例，包含實(shí)驗(yàn)串中的部分知識(shí)點(diǎn)。

測(cè)試題示例：

零刻度在表盤(pán)正中間的電流計(jì)非常靈敏，通入電流后，線圈所受安培力和螺旋彈簧彈力作用達(dá)到平衡時(shí)，指針在示數(shù)附近的擺動(dòng)很難停下，使讀數(shù)困難。在指針轉(zhuǎn)軸上裝上的扇形鋁框或扇形鋁板，在合適區(qū)域加上磁場(chǎng)，可以解決此困難。判斷圖11所示方案是否合理并給出理由，如果都不合理，請(qǐng)自行設(shè)計(jì)一個(gè)方案，并按照現(xiàn)象、理論、資料和推理四個(gè)要素解釋該方案。

表3給出測(cè)試題評(píng)價(jià)量表（滿(mǎn)分20分），幫助教師進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4" " 總" 結(jié)

本文基于學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)了“電磁感應(yīng)及其應(yīng)用”主題的實(shí)驗(yàn)串，用于復(fù)習(xí)課教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)情境下領(lǐng)悟物理核心概念，加深學(xué)科整體認(rèn)知，提升科學(xué)解釋能力。同時(shí)，設(shè)計(jì)進(jìn)階學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式，促進(jìn)“教-學(xué)-評(píng)”一致性的達(dá)成，使得學(xué)科核心素養(yǎng)得以落實(shí)。

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［4］潘考鳳，梁鴻東，周展濼.形成性評(píng)價(jià)診斷模型在物理學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)中的應(yīng)用——以“牛頓第三定律”為例［J］.湖南中學(xué)物理，2024，39（1）：11-13.

［5］王煥霞，谷慧娟，仇立崗.“教—學(xué)—評(píng)”一致性視域下的學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)研究——以“運(yùn)動(dòng)和力”單元為例［J］.物理教師，2023，44（6）：34-37，41.

［6］高佳利.基于科學(xué)解釋能力進(jìn)階的中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)研究［D］.荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2019.

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