基于科学解释能力进阶的实验串设计

摘" "要：电磁感应教学中不仅要求学生掌握相关的基本概念和规律，还要求促进其科学解释能力的发展，从而能够运用这些知识解决实际问题。选取“电磁感应及其应用”主题，基于学习进阶理论设计实验串，重构复习课教学内容和教学过程，建构科学解释能力进阶“教-学-评”一致性评价框架。

关键词：电磁感应；实验串；主题式教学；科学解释能力进阶

中图分类号：G633.7 文献标识码：A " " 文章编号：1003-6148（2025）1-0061-6

科学解释能力培养对于发展核心素养有重要意义，能够促进知识理解，提升探究质量，培养高阶思维和科学素养。基于学习进阶进行主题式教学，将相关教学内容按照学生的思维路径进行重构，有利于形成连贯、依次进阶的知识框架，可以明确地描述核心概念和学生科学解释能力的发展脉络［1］。

人教版高中物理选择性必修第二册可以分为“磁场”“电磁感应及其应用”“电磁振荡与电磁波”和“传感器”四个主题。其中，“电磁感应及其应用”主题以电磁感应作为核心概念，围绕楞次定律和法拉第电磁感应定律，揭示了电场和磁场相互联系和转化的统一性。这一主题不仅是前面电学、磁学知识的逻辑发展，也可与后面“交变电流”“电磁振荡与电磁波”的学习发生关联。内容较为抽象难懂，涉及知识面较宽，但富含实验素材且现象明显；如果将实验情境贯穿于复习课，可以使学生深度理解、整合完善“电磁感应”概念。

因此，本文基于学习进阶理论设计实验串，重构“电磁感应及其应用”主题复习课的教学内容和教学过程，引导学生科学解释能力的进阶发展。

1" " 科学解释能力进阶起点分析

1.1" " 知识结构分析

“电磁感应及其应用”主题有一条明显的教学主线：学生首先观察电磁感应现象，然后探究感应电流的产生条件和方向，进而得出楞次定律和法拉第电磁感应定律，最后理解变压器、涡流等应用。但要真正掌握电磁感应核心概念，还需要明确两条隐性的教学辅线：（1）从物质观和运动观出发，通过探究明确感应电动势和感应电流的本质；（2）从能量观和相互作用观出发，理解楞次定律的实质，体会非静电力做功，进而理解各种电磁感应现象中遵循能量守恒定律。

1.2" " 科学解释能力现状分析

在PTDR理论框架下，科学解释能力包含现象（P）、理论（T）、资料（D）和推理（R）四个要素，即能清晰地描述或预测待解释现象，能选取正确解释现象的理论，能从资料和经验中选取用于解释的完备信息，能通过推理建立现象与理论、资料间的合理联系［2］。

通过电磁感应新授课的学习，大多数学生科学解释能力发展仍然不足，具体表现如下：

（1）现象与理论要素发展不足：学生对于电磁感应的理解仅限于零散的规律和公式，并没有深刻理解各种电磁感应现象背后的本质联系。

（2）资料要素发展不足：学生需要通过生产生活中的实际应用，加强认识电磁感应对现代生活和科技社会发展的促进作用。

（3）推理要素发展不足：尽管教师通过特定实验情境引导学生提炼出物理规律，使得学生的概念理解、分析综合、模型建构和推理论证等能力有所提升，但想要学生运用所学知识解释综合性较强的实际问题，还是有一定跨度的。

2" " 基于科学解释能力进阶的实验串设计

为弥补学生知识结构和科学解释能力的不足，我们把实验贯穿于知识结构建构和科学解释能力进阶过程中，将“电磁感应及其应用”主题复习课重整为四个层级。科学解释能力进阶路径如图1所示。层级一是通过“铝碗”和“铝摆”实验回顾电磁驱动和电磁阻尼现象，明确学生关于感应电流、楞次定律和安培力的认知水平，为电磁感应概念理解创设基础情境，引导现象、理论和资料要素进阶。在层级二中，引导学生分析“电磁炮”的实验原理，综合运用安培力公式和法拉第电磁感应定律，强化学生的模型建构和探究实证能力，重点加强推理要素进阶。层级三运用特斯拉线圈实现“隔空点灯”，加入了变压器以及互感知识，强化其分析综合能力，引导科学解释能力全面进阶。层级四的“跳环”实验让学生综合运用电磁知识，在探究中深入理解自感和涡流，注重推理要素进阶，以增强其解决实际问题的能力。学生深度理解、整合完善“电磁感应”概念，便是科学解释能力发展的进阶终点。教学过程中需要向学生诠释科学解释的四个要素，并引导他们分析解释相关电磁感应现象，在潜移默化中掌握科学解释的方法。

2.1" " 层级一进阶活动设计

2.1.1" " “铝碗”实验

如图2所示，将铝碗倒扣在自制支架上，使其保持平衡，手持磁铁在铝碗上方沿同一方向转圈，可以观察到铝碗跟随磁铁转动。这是典型的电磁驱动现象，主要涉及了楞次定律和安培力两方面的基础知识。铝碗可看作由许多闭合回路组成的导体，磁铁（磁场）相对铝碗转动，穿过闭合回路的磁通量发生变化，进而产生感应电流，安培力使静止的铝碗运动起来。

2.1.2" " “铝摆”实验

如图3所示，用细线将铝片悬挂在支架上，使其前后摆动，手持磁铁等待铝片靠近，可以观察到摆动的铝片在即将撞上磁铁时立即“刹车”。这个实验也比较基础，属于电磁阻尼现象，依旧可以运用楞次定律和安培力知识来解释。

设计意图：“铝碗”和“铝摆”两个实验易于操作且现象明显，主要是增强学生对电磁感应的感性认识，为后面的进阶过程奠定情境基础。引导学生填写“科学解释能力培养”任务单［3］，如表1所示。

2.2" " 层级二进阶活动设计

如图4所示，将充电后的电容器连上线圈，摁下开关后，塑料管内的小铁柱像炮弹一样射出去，这就是“电磁炮”演示实验。

变化的磁场使得炮弹（导体）中闭合回路的磁通量发生变化，进而产生感应电流，使得炮弹受到足够大的安培力作用向外射出。层级一两个实验中的磁场均由磁铁提供，通过人为移动位置使磁通量发生变化；那么，在“电磁炮”实验中磁通量是如何发生变化的？强大的安培力是如何产生的？通过安培力公式F=BIL可以得到，在导体固定的情况下，可以通过增大感应电流的方式来增加安培力。由法拉第电磁感应定律E=可得，磁通量变化率要足够大，才能产生大的感应电动势和感应电流。本实验采用电容快速放电，提供一个瞬时大电流，线圈周围空间立刻形成强磁场。炮弹在线圈中的加速过程如图5所示。

设计意图：本实验囊括了更多电磁知识，需要学生灵活运用规律和公式进行推理，推理分析线圈的作用，得出了炮弹加速模型，对现象的解释才能更加透彻。本实验源于现代武器电磁炮，引导学生加深理解电磁感应在生活实际中的应用。引导学生填写“科学解释能力培养”任务单。

2.3" " 层级三进阶活动设计

如图6所示，选用12 V电源给特斯拉线圈通电，顶端线头产生电火花。将小灯泡靠近线圈，可以观察到灯泡在没有接通任何线路的情况下变亮；灯泡本身越靠近线圈越亮，接线柱靠近线圈反而没那么亮。改用220 V的大灯泡靠近特斯拉线圈，依旧可以发光。为什么可以隔空点亮小灯泡，而且位置不同亮度不同？12 V的电源为什么可以点亮额定电压220 V的大灯泡？

本实验采用的小灯泡是氖泡，氖气在强电场下会被电离发出红光。学生可以猜想得出“隔空点灯”的原理：线圈周围具有强电场，小灯泡靠近时，里面的气体电离发光；不同位置电场强弱有差别，所以灯泡亮度不同。那么，线圈周围的强电场是怎么产生的？这涉及到了特斯拉线圈的工作原理，需要给学生简单补充资料，电路如图7所示。开关闭合后，电容器放电电流输送至初级线圈，三极管的作用是使初级线圈的电压放大，然后通过互感将能量传递给次级线圈。由于次级线圈的匝数远远大于初级线圈，=，电压将再次升高，使得次级线圈顶部空气电离放电形成强电场。再次运用变压器原理可以得到：通过增加次级线圈匝数增大电压，可使得线圈周围的电场足够强来点亮220 V的大灯泡。

设计意图：本实验强调学生对变压器及互感原理的理解，这是电磁感应非常重要的应用。在解释“隔空点灯”现象过程中，学生明确特斯拉线圈是一种升压变压器。在此基础上，学生可以了解其他类型的特斯拉线圈及其应用，比如火花间隙特斯拉线圈，这其中包含了电磁振荡等更多知识，可以进一步提升对电磁感应及其应用的整合理解。引导学生填写“科学解释能力培养”任务单。

2.4" " 层级四进阶活动设计

将铝环套入线圈中的铁芯，接通交流电瞬间铝环跳起并悬浮，如图8所示。改变线圈匝数，可以观察到铝环跳起高度随匝数增加而减小；改变电流大小，可以观察到铝环跳起高度随电流增加而增大。“跳环”实验综合了交变电流、楞次定律、电磁感应定律、互感等知识，学生可以大致给出本实验的原理解释：变化的磁场由线圈中的交变电流提供，铝环中的磁通量因此产生变化，铝环产生感应电流，从而产生足够大的安培力，使得铝环跳起并悬浮在铁芯上。

本实验的特色是使用了交变电流，也是解释“跳环”实验现象的难点所在。交变电流的大小和方向随时间呈周期性变化，因此产生了两种作用机制：（1）当线圈中的交变电流增加时，铝环中磁通量增大，根据楞次定律，铝环产生的感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化。这时两种电流的方向相反，产生的磁场方向相反，二者相斥，铝环向上跳起。（2）当线圈中的交变电流减弱时，铝环中的磁通量减少，产生的感应电流要阻碍磁通量的变化，这时它们的电流方向相同，磁场方向相同，二者相吸，铝环受到的安培力合力向下，这与实验现象相悖。也就是说，只用互感原理来解释“跳环”实验是有缺陷的。学生需要明确电磁感应还有另一个重要现象——自感。

设定线圈中交变电流表达式为i1（t）=I1msinωt，电流产生的磁场与其相位相同，磁感应强度表达式为B1（t）=B1msinωt。

根据法拉第电磁感应定律，铝环中的感应电动势为e2==S=-ωSBsin（ωt-）=

Esin（ωt-）。由于自感存在，铝环中的感应电流I2不会突变，相对于感应电动势其相位将落后φ，即i2（t）=Im2sin（ωt--φ）。比较i1和i2在一周期内的大致相位图（图9），可以发现：异向电流时间大于同向电流时间，即铝环在每一周期内受向上安培力的时间更长，因此铝环上跳。说明自感才是铝环跳起并悬浮的重要因素。

接下来，带领学生探究跳环高度和线圈匝数、电流的关系。大多数学生最初猜想线圈匝数越多跳环跳得越高，但实验现象与以上的推测并不一致。在电流不变的情况下，线圈匝数n增加会使得产生的磁场增强，根据法拉第电磁感应定律E=n，感应电动势变大，但实际情况下线圈的电阻与自感不可忽略。线圈匝数越多阻抗就越大，产生的电流变小，磁场也变小，因此铝环跳不高。在探究跳环高度与电流关系时用到了Tracker视频分析软件，实验中可以明确看到，跳环跳起的高度随电流增加而增大，如图10所示。

做完一系列实验后可以发现铁芯很烫，学生能联想到涡流，并进行解释。线圈内交变电流产生了交变磁场，使得铁芯中的磁通量不断变化，产生了涡电流。涡流在电阻很小的金属块内会释放焦耳热，这也是电磁炉的工作原理。

设计意图：本实验融入了交变电流、自感等知识，使得学生对于电磁感应现象的把握更加全面。过程中，学生根据前面层级的认识对“跳环”实验现象进行解释修正，在探究实证中明确了自感的重要性；最后还强调了涡流的存在，将书本知识与生活实际相联系，引导学生解决实际问题。引导学生填写“科学解释能力培养”任务单。

3" " “电磁感应及其应用”主题进阶学习评价

学习进阶有着明确的起点、进阶层级和终点，将评价贯穿于教学之中，能够有效促进教、学、评的一致性发展。基于前述“科学解释能力培养”任务单填写情况，学习进阶教学评价可以依托于进阶图表来进行［4-5］。我们从进阶活动设计、活动目的以及评价要点几个方面设计评价表（表2），供学生自评和教师评价。

主题教学结束后，编制测试题及相关评价量表［6］，以检测学生科学解释能力的发展状况，及时发现并解决存在的问题。下面给出测试题示例，包含实验串中的部分知识点。

测试题示例：

零刻度在表盘正中间的电流计非常灵敏，通入电流后，线圈所受安培力和螺旋弹簧弹力作用达到平衡时，指针在示数附近的摆动很难停下，使读数困难。在指针转轴上装上的扇形铝框或扇形铝板，在合适区域加上磁场，可以解决此困难。判断图11所示方案是否合理并给出理由，如果都不合理，请自行设计一个方案，并按照现象、理论、资料和推理四个要素解释该方案。

表3给出测试题评价量表（满分20分），帮助教师进行评价。

4" " 总" 结

本文基于学习进阶设计了“电磁感应及其应用”主题的实验串，用于复习课教学，让学生在实验情境下领悟物理核心概念，加深学科整体认知，提升科学解释能力。同时，设计进阶学习评价方式，促进“教-学-评”一致性的达成，使得学科核心素养得以落实。

参考文献：

［1］符采青，肖洋.高中物理“光的本性”主题学习进阶研究［J］.物理教学探讨，2024，42（6）：91-96.

［2］陈泓宇，李春密.中学生科学解释能力测评及教学建议［J］.中学物理，2024，42（11）：18-22.

［3］王迪，彭章辉，高守宝.基于科学解释能力培养的高中物理“牛顿第一定律”教学设计［J］.物理教学探讨，2022，40（2）：31-35.

［4］潘考凤，梁鸿东，周展泺.形成性评价诊断模型在物理学习进阶教学中的应用——以“牛顿第三定律”为例［J］.湖南中学物理，2024，39（1）：11-13.

［5］王焕霞，谷慧娟，仇立岗.“教—学—评”一致性视域下的学习进阶教学设计研究——以“运动和力”单元为例［J］.物理教师，2023，44（6）：34-37，41.

［6］高佳利.基于科学解释能力进阶的中学物理教学设计研究［D］.荆州：长江大学，2019.

（栏目编辑" " 刘" "荣）