基于物理核心素养的情境教学研究 ——以“电磁感应 电磁波”章节为例
基于物理核心素养的情境教学研究
——以“电磁感应 电磁波”章节为例
薛莉莉（华东理工大学附属中学）
[摘要]：本文阐述了物理核心素养的主要内容，以“电磁感应电磁波”单元为例，分析了情境教学在培养学生物理学科核心素养具有的重要作用，尝试为普通完中类学校的物理教学设计提供参照和借鉴。
[关键词]：核心素养、情境教学、电磁感应
《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称《标准》)中提出，“物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。”物理观念是其他核心素养的基础，通过逐步学习、系统反思、迁移应用形成“物质观念、运动和相互作用观念、能量观念”教师引领学生经历物理观念的建构过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的最重要途径。
一、情境创设的理论依据
（一）联系实际是物理学科特点决定的
物理本身研究的就是自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律的。物理学是基于观察与实验，建物理模型，应用数学等工具通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。不论从学科的目标、学习的内容、学习的过程、学习的评价，高中物理课程都特别重视实际问题解决过程中学习物理、应用物理，从而达到培养学生物理核心素养的总目标。
（二）《标准》关于考试内容
提出明确要求:试题的任务情境要与生活、科技发展等紧密联系，要关注物理学前沿与成果应用要探索设计与现实相关的问题情境，加强对学生应用物理学知识综合解决实际问题能力的考查。
（三）情境教学内涵
情境教学是指在教学过程中，教师依据教学目的，有针对性地引入或创设真实、生动、具体、形象适宜的场景或者氛围，使学习者直观感受到知识的原始形式，以引起学生积极的态度体验，行为体验，从而激活学生的思维，扩大学生的知识视野，激发学生思考的积极性，进而帮助学生掌握并理解知识，提高分析和解决问题的能力。《标准》中提出，“在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设，创设情境进行教学，对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。”
（四）创设情境的途径
（1）与生产生活密切相关一一生活中的事
（2）与物理学前沿、科技发展、成果应用密切相关——科学技术的事
（3）与自然现象密切相关ーー自然界的事
（4）与物理课堂密切相关ー一课堂上的事
二、案例分析
笔者挑选上海科学技术出版社高二年级物理课本（试用本）第十一章“电磁感应 电磁波”单元，以本校设计的单元教学设计作为案例进行剖析。本单元包含4课时的基础性课程，5课时的拓展型课程。
（一）语言解码能力需要创设情境
通过调研发现，一些学生学习物理存在困难并不是因为它们缺乏学习的动力，而是因为他们在认识上与书本教材和教师间存在差异。这导致哪怕教学过程中，教师和教材使用的都是学生的母语，但学生对文本进行理解时，仍存在很大障碍，就像要把外语翻译成母语之后才能知道它在说什么。针对这一状况需要教师在教授新知的时候，有意识的培养学生理解科学文本符号的能力，帮助学生的知识获取，能够从科学语言中获取有效信息。教师可以组织学生开展科学对话和写作，让学生主动组织语言，帮助学生在自身话语体系和科学语言间搭建桥梁，提升学生的语言解码能力、阅读理解能力、信息搜索能力。情境创设见表一：
表一：语言解码的情境创设
情境创设 | 活动目标 |
有一根与电路相连接的导线以及两块磁铁。试描述你怎样利用这些产生电压和电流？ | 能说出一些简单的物理模型 （科学思维 水平一） |
把问题补充完整，以便可以用电磁感应概念来求解：“一根长度为1.25m铜导线......” | 能从物理学视角观察实际情境，将这一情境与电磁感应现象产生关联 （物理观念 水平一） |
假定存在一条“反楞次定律”，这意味着存在某种力，它能推进磁场的变化。因此，当需要更多的能量时，转动发电机所需要的力反而可以减小。这条“定律”违反了哪条守恒定律？请说明理由。 | 能使用简单和直接的证据表达自己的观点；具有质疑和创新的意识 （科学思维 水平二） 能分析物理现象，提出可探究的物理问题，作出初步的猜测；尝试用已有的物理知识进行解释（科学探究 水平三）
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（二）物理概念的建立需要创设情境
捷克教育家夸美纽斯在《大教学论》中写道：“一切知识都是从感官开始的。”物理概念的形成需要学生经历学习理解、应用实践、迁移创新的过程.这需要物理课堂教学不再是教师的一言堂。在教学前需要通过对学生的前测，深入了解学生当前认识水平，这样能开发有针对性的教学设计；在教学中要基于学生现状，创设真实情境，为学生提供支撑，通过问题引导学生经历概念建构，规律探索和能力发展的生成过程。
学生已有的知识储备，知道电路中有电源，用电器才能工作。所以笔者在“电磁感应现象”的引入中，创设了这样一个生活展示情景：用变魔术的方式，让小灯泡亮、暗。事先准备好的小灯泡和电键组成一个闭合回路，在袖子里放入一个钕磁铁。于是看似各种不经意的动作，都会引起小灯泡的亮度变化。同学们都被这神奇的情境所吸引，开始了各种猜测，达到了科学思维水平一，能对常见的现象进行分析和推理的培养。
在后续的电磁感应现象教学中，做了如下情境创设见表二、三
表二：物理概念的情境创设
情境创设 | 活动目标 | 活动评估 |
某同学研究电磁感应现象实验，实验器材包括：条形磁铁，螺线管，小磁针，白象电池，安培表，灵敏电流计，导线若干。请选择合适的实验器材，并做出合理的解释。 | 能观察物理现象，提出物理问题；能根据已有的科学探究方案，使用基本的器材获得数据；能对数据进行整理，得到初步的结论；陈述科学探究过程和结果。 （科学探究 水平二）
能对比较简单的物理现象进行分析和推理，获得结论；能使用简单和直接的证据表达自己的观点（科学思维 水平二）
| ①由于是探究“磁生电”所以电流是由磁场产生的，而非常规电源。 ②安培表由于自身的设计原理，对电流的流入方向有要求，而本实验无法预测电流方向。 ③电流周围存在磁场，并且磁场的强弱与电流的大小有关，虽然磁场的特性是对放入其中的磁体有力的作用，但是考虑到地磁场和条形磁铁周围也有磁场，会相互干扰，选用小磁针来判断是否产生感应电流并不理想。 |
问题 （1）这就是科拉顿的实验，可他却和真理失之交臂，分析他失败的原因？
（2）“如果把墙推倒，科拉顿眨了眨眼，他还能发现吗？”
（3）恒定电流周围存在稳定的磁场，而它的逆命题就一定成立吗？ |
具有“磁生电”是一个“瞬态”而非“电生磁”的“稳态”的物理观念，能从物理学的视角描述和解释自然现象，能应用物理知识解决实际问题。 （物理观念 水平三）
| “由静到动”是一个大的飞跃，学生在认识理解方面，较之前所学习的“静态”的电场和磁场要困难得多。 大自然有“对称之美”，“类比”只是一个研究方法，如果因此就轻而易举发现物理规律了，那无疑是对“类比”的一种误解。它是否正确，需要我们用实验事实来验证。 |
科学思维是基于真实证据和推理对不同观点进行检验，科学质疑、科学论证是培养科学思维地主要手段。
表三：物理概念的情境创设
情境创设 | 活动目标 | 活动评估 |
如图所示，某同学做了“模拟法拉第的圆环实验”当他合上和切断开关时，发现小磁针偏转。他提出了如下思考：
（1）小磁针偏转是否由通电线圈A引起的？
| 能观察物理现象，提出物理问题；能根据已有的科学探究方案，使用基本的器材获得数据；能对数据进行整理，得到初步的结论； 陈述科学探究过程和结果。 （科学探究 水平二）
| 如果学生能回答出可以用两次实验来检验，第一次只有线圈A，通电后，小磁针不偏转；第二次其他条件都不变，加入线圈B，小磁针偏转。说明已经基本掌握了控制变量法。 |
（2）能确定线圈B中产生感应电流？需要如何改进？ | 能恰当使用证据表达自己的观点；能对已有观点提出质疑 （科学思维 水平三）
| 由于铁是电的良导体，不能确定线圈B中是感应电流，实验中要用绝缘的材料包裹住铁环，这样才能证明是新产生的电流。能从真实情境里抽象出导电建立物理模型。 |
（3）圆铁环对产生感应电流而言是否必要的？ | 观察、分析物理现象，要分清主要因素和次要因素，这样才能更好理解核心内容得出物理规律。（科学思维 水平二） | 学习了磁性物质我们知道，铁很容易磁化，有它在会增强磁场，让实验现象更明显，但它不是实验的关键要素，所以不必要。 |
（三）物理规律的探究需要创设问题情境
学生从情境中发现和提炼问题，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过分析形成关于物理规律的结论。不管是从“物”到“理”，还是从“理”到“物”，实质上都是探究事物本质和规律的复杂认知过程。学生认为物理很难学，从表面上看是因为“物”与“理”之间的跳跃性太大了，但究其本质而言，则是因为物理问题的探究过程相对比较复杂且“不易控制”，以至于他们必须借助一个特别的“工具”，而这个“工具”又必须同时具备双向可逆性的功能。很显然，实验就具备有这样一种特殊的功能。
“研究感应电流产生的条件”设计1课时，让学生利用提供的实验器材，自己设计实验，得出结论见表四
表四：物理规律的情景创设
情境创设 | 活动目标 | 学生设计实验图 |
“研究感应电流产生的条件”采用学生探究式实验完成 提供器材“学生电源、电池、导线、电键、滑动变阻器、恒定电阻、电阻箱、灵敏电流计、小磁针、微电流传感器、原、副线圈、亥姆霍兹线圈、马蹄形磁铁、条形磁铁、直导线、自制线圈等。” | 能观察物理现象，提出物理问题；能根据已有的科学探究方案，使用基本的器材获得数据；能对数据进行整理，得到初步的结论；能撰写简单的报告，陈述科学探究过程和结果。（科学探究 水平二） 能使用简单和直接的证据表达自己的观点；具有质疑和创新的意识 （科学思维 水平二） |
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最后大家通过类比、归纳发现了一个共同特点“闭合回路的磁通量发生变化”其中线圈在匀强磁场中转动来获得感应电流的方案，无意中为接下来要研究的发电机原理，铺平了道路。真实的实验场景，对具体操作细节进行了考查，对由于真实的物理实验条件导致的系统误差进行分析.这意味着学生不仅需要具备扎实的理论功底，理解实验原理，还一定要亲身做过实验，了解实验细节，オ能对这些理论外，现实中的物理问题进行思考，加以解决.
（四）应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境
“楞次定律”是利用“感应电流产生的磁场”与“引起该感应电流的磁通量变化”的关系，来间接确定感应电流的方向，这使得该定理成为很多同学难以理解和掌握的规律。探索宏观现象背后的微观机理，使我们认识到：其实电磁感应现象的本质就是能量守恒定律，在电磁学领域的一种具体表现。在这部分学习中有凸显了物理学的一个研究方法：追寻守恒量。以“楞次定律的应用”创设情境见表五
表五：生活应用的情境创设
情境创设 | 活动目标 |
| 形成初步的“阻碍相对运动”的物理观念，能从物理学的视角解释一些自然现象，能应用物理知识解决一些实际问题（物理观念 水平二）
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| 能在问题情境中应用常见的物理模型；能对比较简单的物理现象进行分析和推理，获得结论；能使用简单和直接的证据表达自己的观点；（科学思维 水平二）
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问题 （1）谁在阻碍？
（2）阻碍什么？
（2）如何阻碍？
（4）能否阻止？
（5）为何阻碍？
（6）若“促进”会有怎样的结果呢？ | （科学思维、探究 水平二） 能从物理学的视角观察自然现象，得出“感应电流的磁场” 通过分析和推理，获得结论“引起感应电流的磁通量的变化” 通过分析和推理，获得结论“增反减同”
能使用简单和直接的证据表达自己的观点；“不能” 能发现特点， 形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释；用学过的物理术语交流科学探究过程和结果。“其本质能量守恒定律” |
笔者认为仅在有限的课堂教学的40分钟内学生探究式，拓展型的研究体检在目前的课时情况下无法达成，而课后的单元长作业的设计可以予以一定程度上的解决。与传统的课后作业相比，单元长作业中的情境具有可选择性，让主体学生真正拥有决定权，选择他们更感兴趣的，更有把控力的生活情境，进行物理概念的理解与应用。笔者在指导长作业时，以一个“合伙人”的身份和学生一起投入研究，不断吸取学生在活动中所激发出来的创新、智慧。培养和鼓励学生的怀疑和批判精神，科学探究的精髓就是建立在科学理性批判基础上的自由探索。单元长作业为学生提供了一个舞台，让他们在探索过程中，理解现有的科学结论，并由此产生有创意的思考，展示自己的独特个性，创设民主、宽松、和谐的研究氛围。发掘学生的思维闪光点，培养科学探究能力。其次单元长作业还加强教师之间的联合，特别是跨学科教学，比如在电磁波在医学上的应用就聘请了生物老师共同作为评委，对学生的建议进行评分。这需要不同学科的教师之间加强交流，共商指导策略，也是促进教师自身发展的契机。
表六：单元长作业中的情境创设
单元长作业设计——社会生活中的电磁波 | ||||
活动 | 情境创设 | 活动目标 | 活动资源 | 活动评估 |
社会生活中的电磁波 | 1、播放短视频:生活中的电磁波
2、以小组为单位，对生活中的电磁波应用现象作出分析解释，提出建议与倡导或以调查问卷、实地考察、访谈调查等形式了解电磁波
| 1、了解电磁波是一种物质可以传递信息携带能量，能解释简单的电磁波现象。 2、能在熟悉的生活情境中应用所学的知识对比较简单的物理问题进行分析和推理，获得结论。 3、通过课题研究，使学生经历科学的研究过程。自主获得关于电磁波在社会生活中应用的拓展知识。 4、认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，有较强的主动学习和研究物理的兴趣，乐于合作、勇于创新，并能具有保护环境、节约资源的责任意识。 | 推荐书目 1、《物理原理与问题》下册 2、《普通高中教科书 物理必修》 第三册 人教版 3、《高级中学课本物理》高二年级第二学期 上科版
4、参考网址: https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E7%A3%81%E6%B3%A2/102449?fr=aladdin 5、参考网址: https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E7%A3%81%E6%B3%A2%E5%8F%8A%E5%85%B6%E5%BA%94%E7%94%A8 | 1、对研究的问题、获得的成果进行详细的论述，能清晰地阐明自己的观点和见解。无科学错误、论据准确可信、逻辑性强。
2、汇报交流以PPT形式展示研究作业，并现场互动提问 。 |
（五）借助情境渗透科学态度和社会责任
“科学态度与责任”是指在认识科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在驱动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感。笔者在介绍法拉第制造发电机的心路历程时运用语言描述情境，区别于以往只关注发电机的原理，而不懂为什么法拉第突然想发明“电”呢？这就要从当时的社会背景说起“伏打电池造价昂贵，制造、搬运都很麻烦，伏打电池用不了多久就要更换。”法拉第希望能够用电磁感应的原理制造出廉价、稳定的电源，提升当时人们的生活。可见科学进步是推动人类社会发展最有利的原动力，不同时代的科学家身上都背负着各自的使命，正是这些责任与使命，人类才能在文明的长河中渊源流淌。同样麦克斯韦发现电磁波也不是偶然的，同学们在观看了麦克斯韦的生平视频后，教师引领学生学习电磁波的发现背景，带有激情地讲述两代科学家的风采，特别是他们的精彩对白，“你不应停留在用数学解释我的观点，而应该突破它。”这句话，出乎意料的成为了同学们喜爱的座右铭。一句话竟能让学生重新喜欢上物理，天赋是事物发展的内因，但激励则是事物发展的外因，是一件多么令人兴奋地事。任何人的成功，都离不开前人工作的成果和自己不懈的努力。
三、案例实施与反思
核心素养要求培养学生解决实际复杂问题的能力，运用与迁移知识的能力，强调物理与社会、科技、医疗、环境等领域的紧密联系。这有助于培养学生学以致用的思维品质，打破学科边界壁垒，促进学科间相互滲透、交叉的活动。不人为制造难题、偏题，强调概念的理解和方法的掌握。物理这门从真实生活中走出的学科，回归到真实情境，学生才能够从更高的层面和更新的视角去观察、分析问题，探究物理世界的内在规律性，从而为今后的学习和工作做好充分的准备。这就是“返璞归真”的含义吧！
参考文献
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[2]申先甲. 《普通高中课程标准实验教科书 物理 选修1-1》[J].课程．教材．教法,2008（4）100-100
[3]李文宣. 《指向学科核心素养的课堂教学范式》[J].课程教学研究,2019（7）72-77
[4]张慧敏等.《高中物理情景教学的课堂实践》[J].课程教学研究,2021（1）20-22
[5]李树祥. 情境教学中要注意的几个问题[J].课程教学研究,2021（1）11-14
附件：评估测试
对《电磁感应 电磁波》一章实施情境教学后，特设计本卷，尝试有针对性的对物理学科核心素养目标的实现效果进行对比检测。对比对象为笔者所教授的两个高二合格考班，A班为传统授课，B班进行情境教学。
评估测试卷
1、如图1所示的匀强磁场中有一个矩形闭合导线框。在下列几种情况下，线框中是否产生感应电流?
(1)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中上下运动(图甲)
(2)保持线框平面始终与磁感线垂直，线框在磁场中左右运动(图乙)
(3)线框绕轴线转动(图丙)。
2、我们在初中学过:“闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生电流”。现在我们说“只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生”。这两种说法是否一致?
3、通过电路学习，我们知道，回路中有电源，才会产生电流。运用“类比”方法，推测图中2哪部分相当于电源。
4、某自行车上有一个如图3所示的装置，滚轮靠在自行车轮胎的边缘上。自行车行驶时，滚轮带着其中的磁体转动。这个装置有什么用途?
5、在室内观看电视，同时开动吸尘器，观察电视机屏幕上有没有干扰“雪花”，解释此现象
6、小组讨论：如图4所示，把条大约10m长电线的两端连在一个灵敏电流表的两个接线柱上，形成闭合电路，两个同学迅速摇动这条电线，可以发电吗?简述你的理由。你认为两个同学沿哪个方向站立时，发电的可能性比较大?
测试结果记录分析表：
A班 | B班 | 测评目标 | |
1题 | 选择C 约50%； 选择B 约30%； 选择A 约占20%； | 选择C 约60%， 选择B 约23%； 选择A 约占17%； | 主要考察核心素养中的 “物理观念”水平一 具有将物理学与实际相联系的意识； “科学思维”水平一 能对常见的物理现象进行简单的分析 |
2题 | 观点正确文字标识清晰约占50% | 观点正确文字标识清晰约占62%。 | 主要考察核心素养中的 “科学思维”水平一 能区别观点和证据。 |
3题 | 填写正确约占55% | 填写正确约占74% | 主要考察核心素养中的 “科学思维”水平二 能对比较简单的物理现象进行分析和推理 |
4题 | 能够建立物理模型分析并正确表述的约占45% | 能够建立物理模型分析并正确表述的约占60% | 主要考察核心素养中的 “物理观念”水平二 能应用物理知识解决一些实际问题；建构模型 “科学思维”水平二 能使用简单和直接的证据表达自己的观点 |
5题 | 电磁波处于理解背诵阶段，正确率50% | 单元长作业的研究，对生活中的电磁波有了深层次的理解正确率达75% | 主要考察核心素养中的 “物理思维”水平二 建构物理模型及情景迁移能力； “科学探究”水平一 具有问题意识
|
6题 | 考虑地磁场方向，建构物理模型，语言表述规范约20% | 考虑地磁场方向，建构物理模型，语言表述规范约40% | 主要考察核心素养中的 “科学思维”水平二 具有质疑和创新的精神。 “科学探究”水平二 能根据已有的科学探究方案，得到初步结论。 |
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