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1、实验为桥，大任务驱动大单元教学的思路探讨摘要：基于“新课程的教材改革背景下的高中物理新教材的编写注重学科核心素养在知识中的整体架构和学生的整体学习体验，大任务驱动是大单元整体教学模式的重要一环，而实验教学是物理课堂重要的组成部分。笔者结合新教材特点以电磁感应相关创新型实验搭桥从而高效推动电磁感应与电磁波初步的单元教学。本文为大单元整体教学模式下实验教学方面做了有益的实践和探索，以供各位同仁参考与研讨。关键词：大单元教学，大任务驱动，创新实验，自制手机无线充电器。引言：新教材的使用已经有段时间，很多教师都在不断探索新教材提出的大单元整体教学模式应该如何实行。我们很多时候把整合的侧重点都放在知识体
2、系上，但是实验教学是物理课堂极其重要的组成部分。实验教学该如何进行单元整合呢？本文从实验为桥的角度，就以我们熟知的电磁感应与电磁波初步这一单元为例，探讨如何以大任务驱动大单元教学。笔者进行了多方面请教和参考，并设计了一系列创新型实验，尤其是探究法拉第电磁感应定律这一实验的创新点和成果都很明显。本文的思路已经被笔者多次应用到了实际教学中，取得不错的教学成果。一、大任务串联起单元教学内容“电磁感应与电磁波这一单元是必修模块的最后一章，在力学和电学的基础上，落实课程标准的要求，内容跨度大，但线索清晰。从电和磁之间的联系讲到电磁感应，再到电磁场、电磁波。对于学生来说能否掌握本章的核心素养不应该是只会解
3、答相关习题，他应该能做一个东西出来，这个东西应该是能够为学生的生活服务，让他感受到物理课堂是真正地学以致用。所以我结合高中生的生活特点提出了这样的一个本单元的大任务，那就是制作一个手机无线充电器，并成功的为手机充电。再来看看课程标准的相关具体要求如下：通过实验，认识磁场，了解磁感应强度，会用磁感线描述磁场；体会物理模型在探索自然规律中的作用；通过实验，了解电磁感应现象，了解产生感应电流的条件。为了更好的实现物理学科核心素养教学的目的，我从单元整体上设计了如下的任务群：1 .探究如何描述磁场的强弱和方向。2 .探究法拉第电磁感应定律。3 .查阅资料并动手探究变压器原副线圈电压大小影响因素。4 .
4、最后实现大任务自制手机无线充电器，大任务的成功就可以反应学生能够熟练掌握并应用电磁感应相关知识，也意味着学生在大单元整体教学模式下获得了物理核心素养的整体提升。二、实验为桥，推进大任务驱动1 .探究如何描述磁场的强弱和方向我们都知道磁场的强弱和方向通过磁感应强度这个物理量来描述，但是对学生来说，它是很抽象的，看不见也摸不着。传统教学中通常都是理论类比电场向学生介绍磁感应强度，我认为这是不够的，电荷之间的受力特点学生在初中实验课上是见过的，而通电导线在磁场中的受力学生并没有细致地观察和探究。如果只是浅显地向学生灌输磁感应强度的概念，首先学生对知识点的掌握就比较模糊，更不要说深入理解磁感应强度的物
5、理意义了。为了更好的实现高中物理核心素养的提升，我设计了下面的实验：图1,图2实验中判断通电导线受力方向是依靠一个拆除外壳的电流表，而定量确定通电导线受力大小的是力的传感器，改变磁感应强度是通过一对弱磁铁和一对强磁铁来实现的。力的传感器连接着计算机，由计算机直接得出结果并生成图像，再通过图像分析总结磁感应强度的定义。为了在实验中培养高中物理核心素养科学探究能力,通过任务链加分组实验的形式在课堂中推进本实验。问题链设置如下：（1）磁场的作用对象为磁体和通电导线，探究磁场的大小采用哪个作用对象更好？（2）类比电场，在相同磁场中通电导线受到的作用力与哪些因素有关？（3）用哪个物理量定量描述通电导线？
6、（4）通电导线在磁场中受力与电流成线性关系，斜率有何意义？（5）磁感应强度B与通电导线在磁场受到的力F成正比？（6）磁感应强度B与电流元IL成反比？图3（实验装置图）强磁铁磁场，斜率：0.9777N/A普通磁铁磁场，斜率：0.5486N/A图4（实验结果图）当学生处理完所有的任务链中的问题后，他自然对磁感应强度的定义B=FIL有了详细而深入的理解。这个实验的设计意图是通过问题链的形式激发学生的探究欲望，促使他们运用已有知识，通过类比、分析、交流、总结，主动构建新的知识，同时深化对电磁相互联系的认识。2 .实验探究法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律在高中物理具有重要地位，同时学习它也有一定的难
7、度，而一个成功的演示实验对于学生深入理解该定律的帮助不言而喻。课本中的实验只能做一个定性的探讨，让学生理解感应电流产生的条件，但是在解决具体问题时，仅仅只有定性分析是不够的，也不能满足高中物理核心素养对我们这节课提出的科学思维和科学探究方面的要求。在这里我设计了一个创新型实验去探究法拉第电磁感应定律，做好这个实验也是推进大任务驱动的关键所在。下面我来具体介绍下这个实验：本实验从教材原始实验着眼，积极思考和探索，从自制线圈改变匝数、利用减速电机配合调速器控制磁铁运动的时间、电压传感器配合计算机测量感应电动势的图像、同屏软件展示实验过程四个方面入手，克服“法拉第电磁感应定律演示实验操作难、效果差、
8、难以得出结论等困难，获得出色效果。教材利用电压表配合自由落体运动分别改变线圈的匝数、磁铁的强度得出了感应电动势与线圈的匝数以及磁通量的变化率之间定性的关系，由于该实验成功难度极大，教师在教学中往往以视频或课件模拟代替演示实验，影响教学效果。实际实验在演示过程中存在很多困难，使得操作难、效果差、难以观察、学生不能分析归纳结论。下面是我对实验困难做的总结并提出的改进基本思路。（1）教材中的实验使用磁铁做自由落体运动，导致磁铁通过线圈的速度很大，电压表记录感应电动势的时间很短，来不及观察。该实验设法控制磁铁的速度从而使实验清晰且具有说服力。（2）教材中磁铁通过线圈的速度难以求出，导致不能获得感应电动
9、势和时间的定量关系，教材只是要求学生对这一关系有定性的认识即可，不利于培养学生的科学探究能力。该实验设法将速度的关系定量处理从而得出在磁通量的变化量一定时感应电动势与时间成反比。（3）教材中对怎么控制磁通量的变化量不变没有做处理，现实实验很难获得绝对匀强的磁场来控制磁通量的变化量不变，该实验进行了大胆地思维创新通过每次实验均比较最大电动势来巧妙解决这一问题O（4）教材中使用电压表测量感应电动势，电压表偏转时间极短且不够准确，学生只能获得一般的定性感受，不利于培养学生的科学思维。该实验用更先进的电压传感器配合计算机来解决这个问题。（5）实验仪器体积不大导致不能让所有同学都观察清楚，该实验用智慧课
10、堂中的同屏软件成功解决了这一问题。针对实验存在的困难，为了达到良好实验效果，让学生可以在课堂实时观察，笔者从以下几方面具体进行了创新和改进。（1）用减速电机将磁铁以合适的速度匀速拉上去，能够确保同一次实验磁铁通过线圈的速度相同，且让电压传感器有足够长的时间记录数据。（2）用调速器控制磁铁的速度，可以定量的分析感应电动势与时间的关系。丁广：Tl:1N111号“”*曹先符Jc图5（实验装置图）（3）现实实验很难获得绝对匀强的磁场来控制磁通量的变化量不变，我们通过每次实验均比较最大电动势来巧妙解决这一问题。（4）用电压传感器和计算机配合可以将每一时刻的感应电动势准确测量出来并通过计算机以图像的形式直
11、观地呈现出来。eu 7 5! * jrC f s 4Nkn图6（200匝），图7（400匝）使用200匝（图6）和400匝（图7）的线圈，让同样的磁铁以相同速度经过线圈，分别得出它们的最大电动势,发现最大电动势和匝数成正比。图8（速度V）图9（速度v2）让同样的磁铁分别以V（图8）和v/2（图9）经过同一个线圈，再次测出它们的最大电动势，发现最大电动势和速度成正比即与运动时间成反比。此时磁通量的变化量是一定的，即可得到感应电动势和磁通量的变化率成正比。（5）当实验效果明显的时候，如何将实验过程分享给学生观察成为关键，因为实验本身器材体积不是很大而且实验时间也比较短暂，学生往往看不清楚整个过程导
12、致没有很好的理解实验的原理。考虑到现有智能手机拍摄效果好且具备投屏功能,用手机或平板等拍摄，同时用智慧课堂的同屏软件将实验过程无线同屏到大屏幕。学生可以实时观察分析，效果明显。本实验在实际教学中取得非常出色的效果，全体学生都能够清晰准确的观察到不同情况下电压传感器所记录的最大感应电动势，从而总结出法拉第电磁感应定律即闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比、与线圈匝数成正比；加深了学生学习物理的热情，培养了他们继续学习电磁学的兴趣，同时锻炼了物理核心素养中科学思维和科学分析的能力。这个实验将来可以将超强磁铁换成电磁铁效果会更好，可以通过连续改变电流改变磁场强弱，获取更多
13、数据研究电动势和磁场强弱的关系。3 .查阅资料并探究变压器原副线圈电压大小影响因素因为制作无线手机充电器必须有明确的电流电压信息，一般市面上的手机充电器输出电压大约5V,输出电流大约2-6A,所以我们自制的手机无线充电器必须要有明确的数据支撑，否则充电会引起手机的损坏。而要想定量控制无线充电器的输出电压那就要学生掌握变压器的相关理论知识。在这里对于学生的要求比较拔高，笔者采取了这样的方式：首先引导学生查阅资料，利用法拉第电磁感应定律，推导电压与匝数关系，再利用不同电压比的变压器，进行拆解，猜想电压与匝数关系，初步得出变压器输入电压与输出电压之比等于原副线圈匝数比，最后由学生分组自制线圈进行实验
14、验证。4 .最后实现大任务自制手机无线充电器在前面三个实验的基础上，学生掌握了磁感应强度、磁通量等磁场的相关物理知识，并通过探究法拉第电磁感应定律实验明确了感应电流产生的原理和感应电动势的定量计算依据，并且利用变压器的工作原理实现了定量控制输出电压。这时他们已经有了制作手机无线充电器的理论储备，再选择合适的直流变交流和交流变直流集成模块，学生就可以成功地制作出手机无线充电器（图11）。接下来用我们自制的手机无线充电器成功地给手机充电，如图12、图13、图14、图15。IHll（自制无线手机充电器）图14图12图13图15图16表3（使用自制手机无线充电器）大任务的成功完成（图16）就意味着电磁
15、感应与电磁波初步这一单元最重要的电磁感应部分内容的教学是成功的。通过实验为桥将核心素养所要求学生掌握的物理概念例如磁感应强度、磁通量、产生感应电流的条件等依次明确和深化；在学生亲自参与实验过程中他们的科学思维、实验探究能力得到了锻炼和提升；同时手机无线充电器的制作成功离不开学生的创新探究和合作共享，这是他们一次科学态度和责任的有效教育。三、总结和反思笔者基于大单元整体教学模式为电磁感应与电磁波初步这一单元设置了一个大任务，为了完成这个大任务，又通过四个实验任务群层层递进，应该说以实验为桥实现了大任务驱动大单元整体教学。从学生反馈来看效果是比较理想的，学生对物理概念的掌握既有了广度也有了深度，当
16、大任务完成后大家都迫不及待地想给自己的手机充电，这无疑增加了他们学习物理的兴趣，陶冶了他们的科学情操。笔者也有一些反思，其一是一个单元的大任务想要完成，一般来说部分实验或者部分内容就会超出所学范围，如果回避的话，往往大任务驱动就很难具有连贯性,所以这一块的困难还要求授课老师多方面多角度来处理好。再有就是实验为桥的过程中，往往会增加一些补充实验以及增加学生合作探究的时间，这样我们的课堂时间就会有些紧张，这也需要授课老师找好平衡点。总之实验为桥，大任务驱动大单元教学无疑是对于新课标下的高中物理教学非常高效的一种方式，它也是全方面培养学生物理核心素养的有力手段。参考文献：谷雅慧.人教版物理第十三章团电磁感应与电磁波初步编写说明B.中学物理，2020(09)：06-08.余杰，曾裕.自制法拉第电磁感应定律实验装置J.中学物理教学参考，2011(40)：32-33.
