基于课程标准的教学目标结构分析——《电磁感应现象的两类情况》有效教学设计案例研究，本文主要内容关键词为：电磁感应论文,教学设计论文,两类论文,教学目标论文,课程标准论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
《电磁感应》是人教版高中物理选修3-2的第一章内容，本章以“现象—规律—本质—实际应用”的顺序，呈现人类对“电磁感应”的认识发展规律。《电磁感应现象的两类情况》是本章第五节内容，属于认知链条上的“本质”环节。
《普通高中物理课程标准（实验）》（以下简称《课程标准》）中提出“理解法拉第电磁感应定律”这一要求。从显性术语来讲，它属于知识与技能的理解水平；从认知发展的角度来讲，该定律需要在一个相对完整的教学单元中，通过逐步深化才能实现这一教学目标，而不是通过某一节课就能完成的教学任务。该节属于理解电磁感应的本质特征即“非静电力的来源分析”这一环节。从认知行为方式上看，该节定位在“巩固和深化理解法拉第电磁感应定律”这一教学要求。
人教版选修3-2《电磁感应》一章，自2005年以来教材内容和编写结构都没有变化，但其中章节的标题名称却发生了三次改变，如表1所示。
从表1可知，虽然该节的内容始终没有发生变化，但章节名称的改变表明教材的编写在逐渐回归到教材本身的逻辑结构中。其中，第一阶段和第三阶段一样，旨在阐述电磁感应的本质特征，从非静电力搬运电荷做功形成电源的电势能来分析谁来充当非静电力。教材的设计比较符合“现象—规律—本质—应用”这一认知规律，教材引入感生电动势和动生电动势的概念是想从电源本质特征的角度进一步揭示电磁感应。从认知目标上是想实现“非静电力的来源分析”这一目标，从方法体系上是想“通过做功研究能量”这一思路来研究电磁感应，三个时期教材的编写都沿袭了这一思路，因此，该节的教学重点是在对感生电场和洛伦兹力对电荷做功，实现其他形式的能向电能转化的认识上。
而章节名称的改变必然会导致教学目标定位的差异。第二个时期章节名称的改变是因为在没有深入解读课标的情况下，人为刻意地区分两种电动势，选编各种练习题进行不必要的强化。因此，2007年秋季再版时将其改为《电磁感应规律的应用》。但这一名称的改变客观上导向课堂教学降低甚至是舍弃对该节的教学要求，将其定位在法拉第电磁感应定律的巩固和应用上，通过大量习题强化已成为常态教学的追求。这种基于评价的设计自然将该章节变为习题课，背离了教材的初衷，无法实现课标设定的意图。为了引导教师进行基于课程标准的设计，2011年教材又将该节更名为《电磁感应现象的两类情况》，这是从现象分类学的角度对引起磁通量变化的原因进行分类，回归“现象—规律—本质—应用”这一递进发展的认知链条。
不同版本教材内在的逻辑关系尽管有差异，但都是基于《课程标准》进行设计和编排的。课程标准是纲领性文件，它是教材编写、教学实施和教学评价的依据，因此，基于《课程标准》的有效解读，根据章节在认知发展中的地位进行课标分解，制定可行的教学目标，以此设计程序化问题驱动认知的发展，是实现教学有效性的关键。
一、如何分解课标形成课时学习目标
有效实现课程目标的前提是研读教材、分析全章的知识结构、剖析不同章节之间的逻辑关系、凸显该章节在认知链条上所处的环节，再依据课标要求确定章节的地位。教师只有在大的教学单元背景下对执教章节充分解构，才能在相对宏观的标准框架下设定具体可操作的教学目标。如果单纯迁移课程标准对此知识点的要求，不仅使章节教学目标的设定缺乏可操作性，而且在行为要求的显性术语的界定上也难以把握，因此，只有通过研读课标，并对其结构进行分析，形成层次性的教学要求，通过对大单元的解构，才能完成课标指定的要求，基于结构性目标导引下的教学设计才会真实而富有成效。
如果是在没有课标参照下的大单元教材研读，将会失去目标指向。将课标要求简单视为某一章节教学目标的行为是对课程标准的误解。以《电磁感应》一章为例有效研读课标：一是构建电磁感应一章的认知链条；二是准确理解法拉第电磁感应定律的层次性要求。
1.解构《电磁感应》的认知发展链条
要从认知发展的过程对全章实施解构，教师必须把握好学习电磁感应的三个阶段：
第一阶段 从感应电流的角度认识电磁感应现象。这一阶段教材是以人文与科学探究并重的方式进行设计，符合学生的认知规律。分别通过科学史的学习阐述法拉第发现电磁感应现象的过程；通过几种典型实验的探究认识感应电流产生的条件；对实验现象及其结果进行分析形成楞次定律；通过说明楞次定律与右手定则的关系，形成学科思想中统一的思维方式。
第二阶段 从电动势的角度认识电磁感应现象。要让学生知道这一阶段相对第一阶段有进一步的拓展，教材在形成规律的过程中并不采取实验探究的方式，而是通过科学史的陈述及对实验定性分析，让学生进一步明确磁通量变化的快慢决定了电动势的大小，形成法拉第电磁感应定律。教材这样安排的意图是让学生了解物理学的规律并不一定都是直接归纳的结果，而是通过分析许多间接的物理事实和实验后升华出来的，且规律的正确性往往是由其推论的正确性来证实的，这也就决定了本章节不要求通过实验探究来建立物理规律。
第三阶段 探究电磁感应的本质。这一阶段认知发展的载体是从电动势的物理意义来认识电磁感应，即通过探寻非静电力的来源和做功过程来认识电磁感应的本质，因此，本章节的重点也就锁定为“非静电力的来源是什么”这一命题。
2.明确不同章节的教学地位，理解法拉第电磁感应定律的层次性要求
章节教学目标是课标的环节性分解和课程标准在不同认知阶段的具体要求，是具体教学的行动指南；它相对于课标解读是更加具体的实践行为，因为章节教学目标关注的是“是什么”和“为什么”，是对目标维度和学习领域进行描述性的指导而不是操作行为。
（1）学习程序研究
要分解“理解法拉第电磁感应定律”这一课程目标，必须注意行为动词“理解”的层次性、发展性和阶段性。对电磁感应的理解除了上述三个阶段外，还必须通过自感和互感两类现象的学习才能真正理解该规律的内涵.本章第四节《法拉第电磁感应定律》只是课程目标要求的第一层次，根据教材的逻辑结构对这一阶段的学习程序是：
①明确发生磁通量变化的位置就是电源所在处。
②建立感应电动势的概念。
③通过实验定性分析并得出决定感应电动势大小的因素。
④通过理论探究归纳并形成法拉第电磁感应定律
。
⑤通过对导线平动切割磁感线场景的分析，利用法拉第电磁感应定律推导出E=BLv。
⑥通过对电动机模型的分析，认识反电动势。
（2）学习目标研究
从学科认识论角度来看，平动切割磁感线产生的感应电动势是法拉第电磁感应定律的特例，反电动势作为感应电动势概念的补充，旨在加强对“不同形式的能量相互转化是通过克服安培力做功来实现”的认识。
从认知发展的角度来看，只是“了解”和“认识”，而对电磁感应本质的理解只有清楚了非静电力的来源后，才能形成对电磁感应的完整认识。通过上述任务的分析及对《物理课程标准》中的“理解法拉第电磁感应定律”的理解，其学习目标就可确定为：
①理解法拉第电磁感应定律的内容及数学表达式。
②知道公式E=BLv的推导过程。
③会用和E=BLv解决问题。
（3）有效学习任务研究
从认知结构和学习心理角度分析，进行更高层次的学习即形成第三阶段有效学习任务的递进关系是：
①从分类学的角度看，要知道引起磁通量变化的原因。
②从能量转化的角度看，要知道何种形式的能向电能转化。
③从做功的角度看，要认识非静电力的客观存在。
④从做功的过程看，要认识哪种力充当非静电力。
（4）教学程序研究
《电磁感应现象的两类情况》是认知链条中的“本质”这一环节，其教学目标并不是对法拉第电磁感应定律的一般性应用。依据课程标准的要求和该阶段目标的层次及教材的逻辑结构，在对学情进行有效诊断的基础上，结合“活动建议”的要求设定具体可行的学习目标是进行有效教学程序设计的关键，因此，对于揭示电磁感应本质特征的章节教学，可通过以下程序加以呈现：
①认识现象，即清楚其他形式的能可向电能转化。
②实验探究，即通过实验探究谁充当非静电力。
③逻辑推理，即动生电动势中非静电力的来源分析，其教学难点是洛伦兹力不做功与洛伦兹力分矢量做功的认知冲突。
④感生电动势中涡旋电场的特征描述与静电场的比对性分析。
至此，关于电磁感应递进的三个层次的认识就鲜明地呈现出来。因此，通过对课标的解读，将课程标准中抽象的课程目标细化为具体的、可操作的章节教学目标，并且用可观察、可测量的行为动词，准确、精炼地表述出来，是实践基于标准框架下有效教学的关键。
二、目标导引下有效教学设计的研究
基于课程标准的有效教学设计是指通过分析与解读课程标准，形成层次性的教学目标要求，根据章节内容设置符合学生认知发展的教学目标。它体现了章节教学的设想，展现了为实现这一目标而选择的教学策略及方法。由于对教学过程实施引导的是教学目标，因此，教学目标是教学设计的重要组成部分，是教学活动的出发点和归宿，是教学设计的核心和课堂教学的准绳。它具有导向、控制、激励、测度等功能，关系到教学效果的优劣。
《电磁感应现象的两类情况》这一节中包括“电磁感应现象中的感生电场”和“电磁感应现象中的洛伦兹力”两个二级标题。第一个标题的中心是感生电场，其教学的重点是认识涡旋电场，理解这种特殊场对电荷的作用力充当非静电力；第二个标题的中心是“洛伦兹力”，其教学的重点是通过过程分析突出因果逻辑关系，进而明确洛伦兹力搬运电荷定向移动充当非静电力与已有的“洛伦兹力不做功”间的矛盾冲突。
根据学生已有的认知基础，笔者对《电磁感应现象的两类情况》一节的教学顺序进行了整合，采取先学习动生电动势再学习感生电动势。对程序化问题的设计，先由闭合回路再到开路，先由电源的本质特征再到感应电动势的理解，逐步深入。
1.动生电动势学习目标的结构性分析与程序化问题的设计
该部分的教学目标是：了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系，会判断动生电动势的方向，并会计算它的大小。“了解”是对动生电动势E=BLvssinθ的再认识，是对法拉第电磁感应定律的进一步熟练应用。而识别是否是洛伦兹力充当非静电力、将动能转化为电能是知识的发展性应用，是从已知向未知发展的学习过程。
在实际的教学中，“了解动生电动势的产生以及与洛伦兹力的关系”是这一部分的主要教学目标，而实现该教学目标的关键应当是程序化问题的设计，具体是：
（1）在不同图示之间建立联系
在闭合回路部分，导体运动切割磁感线产生电动势与闭合电路之间建立联系，如图1所示。
这既是前置教学的内容，也是在学生已有的认知与指向未来发展的知识之间建立联系的渠道，只有通过这一图示才能引导该主题走向深入。该主题的教学方式通常是在前置复习中呈现：
一是通过具体场景的再现，复习法拉第电磁感应定律中动生电动势E=BLv公式；二是在前置复习第二个内容时，提出以下问题，以便在新旧知识之间建立联系，其内容是“描述电源特征的物理量是什么？电动势的物理意义是什么？如何定义电源的电动势？”
通过上述内容的复习，可在动生切割的闭合回路与电路之间建立必要的链接，因而前置复习必须强化以下问题：“非静电力是搬运电荷分别向电源正负极定向移动的力，其大小由电源来决定；电动势的物理意义是非静电力搬运单位正电荷所做的功，即
。”
在新旧知识之间建立联系后，教师可提出问题：
①闭合回路中平动切割的导体为什么相当于电源？
②谁来提供非静电力？
③决定非静电力大小的因素是什么？
④如何定义电源的电动势？
⑤若根据电源电动势的定义式来定义，形成的表达式与平动切割的表达式E=BLv是否一致？
通过上述问题的追问更易形成有效的发展性学习目标，这是利用已有的电动势的知识揭示动生电动势的产生，进而理解洛伦兹力充当非静电力的前提。
（2）从因果关系上展示其成因和机理
第二层次应当是通过展示的物理图景，从因果关系上对“电荷定向移动”的物理过程详尽地阐述，这是学习洛伦兹力充当非静电力的关键。同时，通过对认知冲突的分析，提出洛伦兹力搬运电荷做功与已有知识间产生的认知冲突，进而引导学生理解“洛伦兹力不做功”这一结论。
教学的有效性不仅是指教学方法的使用及教学策略选择的恰当性，更多是指对认知铺垫设置的有效性，符合学生的认知规律，有助于教学目标的实现。教学前的预设只有基于学生的认知规律，尊重学科的逻辑结构才能形成真实合理的设计，因此，物理情景的设置也应当循序渐进，由浅显到复杂，具体表现在对以下两个物理事实的建立上，一是消耗导体棒的动能逐渐向闭合回路的电能转化。其因果逻辑关系是：运动方向上的速度
导致电荷受到与之垂直方向的洛伦兹力
，力使导体棒内的电荷具有
方向的速度，发生定向运动；二是安培力是所有运动电荷受到磁场作用力的宏观体现。
从认知发展的程序性上，我们必须凸显思维发展的三个环节：
环节1 导体棒在x方向上的运动导致y方向上电动势的产生，由此建立的电流成因的理想化模型。其逻辑关系的大前提是电荷的定向移动形成电流；小前提是导体棒在外力作用下沿x方向匀速直线运动，导体棒内的电荷随棒的运动而具有水平方向的速度，且
；因果逻辑是电荷因具有x方向上的速度而受到洛伦兹力
，因而沿y方向产生定向运动。
结论 导体棒相当于电源，因随着导体棒运动而受到洛伦兹力，该力搬运电荷使其发生定向移动，充当了电源内部的非静电力。
如果对这一环节仅停留在因果逻辑推理而不对深层次问题进行引申，则无法将形成的知识纳入到已有的知识和经验中，仍然不是有效的建构，因此，可提出以下探究引申的问题：
①力搬运电荷做功，充当非静电力，如何表征其做功的大小？
②如何定义电动势？
③试比较在该场景下，推导的电动势与导体棒平动切割磁感线产生的电动势的联系和区别。
环节2 克服安培力做功转化为电路的能量。
从因果关系看，因电荷沿y方向上发生定向移动而受到-x方向上的-
作用，如图2所示。
环节3 “洛伦兹力不做功”与“洛伦兹力的分矢量做功”认知冲突的解决。
（3）从功能转化角度深化对动生电动势的理解
第三层次是从功能转化角度理解洛伦兹力做功与非静电力做功、洛伦兹力做功与安培力做功关系。为凸显能量转化的方向性，教师应当通过递进性物理场景的展现，逐步实现“了解”这一行为动词中蕴含的“辨认事实”这一教学要求。
场景设置 如图1所示，导体棒在外力作用下沿x方向做匀速直线运动，到具有初速度
的导体棒逐渐停下来。
2.感生电动势学习目标的结构分析与程序化问题的设计
将该主题的教学目标确定为“了解感生电场，知道感生电动势产生的原因，会判断感生电动势的方向，并会计算它的大小”。从教学目标的逻辑结构分析，认识感生电场是前提，涡旋电场与静电场的比较是教学的难点，涡旋电场对电荷的作用力充当非静电力是逻辑的必然结果。由此可知，该主题的教学重心应落脚于认识涡旋电场的独立存在性上。
现行教材的逻辑结构是先通过对电源特性的分析，指出非静电力搬运电荷做功转化为电源的电势能，通过展示图3提出“磁场发生变化时产生感应电动势，谁充当非静电力？”这一问题。从章节目标的设定来看，这种从已有的感知出发进行推理的方式是有效的，但如果从有利于麦克斯韦电磁理论的认知发展来看却没有真实的效力，因为这种设计不利于学生对“感生电场不依赖于金属导体而独立存在”的认识。从基于课程标准框架下的教学目标层次性看，它缺乏发展性。
教材在还没有利用已有知识推理时，就直接给出“磁场变化时候会在空间激发一种电场”，进而给出感应电场，并通过闭合导体中自由电荷的定向运动指出非静电力的来源，利用这一推理直接提出电子感应加速器。教材这种简洁的安排似乎符合学生的认知，但如果从知识体系的发展和后续性知识的生成来审视，这种编写并不十分科学有效。从认知形成的递进关系上分析，应当完成如下程序才更加富有成效、从提供的场景顺序看，从“闭合圆环—缺口圆环—缺口扩大没有介质”。在行动策略上应采取有序的任务驱动，其内容是：
①（有形）变化的磁场在圆环中产生电动势对外电路供电，提出谁来充当电源。
②利用已有知识判断感生电流的方向，计算电动势的大小。
③根据电流的方向判断闭合回路中电场的方向。
④提出谁来充当非静电力的来源这一问题。
⑤根据“电荷的定向移动形成电流”这一事实进行逻辑判断。
⑥对非闭合线圈“有势无流”现象的判断。
⑦缺口圆环之间和内部电场连续性的认识，形成涡旋电场的特征性认识。
⑧将涡旋电场与静电场进行比较。
⑨由于圆环缺口进一步扩大，直至没有介质，形成“磁场变化在正交平面内激发涡旋电场”这一物理事实。进而形成“变化的磁场产生电场”这一认识。
用列表法比较涡旋电场和静电场之间的异同点，同时设计必要的习题进行巩固和深化是此环节的有效设计，如表2所示。
除表2的比较外，设计程序化的练习是深化和提高认识的重要手段。层次性的习题设计示例如下：
练习2 如图5所示，在内壁光滑且水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口直径的带正电的小球（重力不计），正以速率沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球带的电量不变，那么（ ）
A.小球对玻璃环的压力不断增大
B.小球受到的洛伦兹力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，再沿顺时针方向做加速运动
D.洛伦兹力对小球一直不做功
通过上述的分层练习，使学生对涡旋电场“无头无尾”和做功与路径有关的特性有了一定的认识。
3.教材资源的选择性使用——“电子感应加速器”教学处理
电子感应加速器、电磁流量计和电磁炉等是认知发展链条上的“应用”环节，它是学习目标中“会联系科技实例进行分析”的教学内容，只有对这些实验器材的原理有一定的认识，才达到标准提出的要求。教材对电子感应加速器只要求简单理解其加速原理，进一步深化涡旋电场对电荷做功实现加速这一过程而已，设计的重点并不是理解电子感应加速器的真实原理。如果想挖掘电子感应加速器的课程价值，实际的教学只要对电子感应加速器的结构、简单的原理进行分析就达到了教学的目标，不需要对“环形轨道区域内的磁感应强度的变化率等于内柱面区域内磁感应强度的变化率的一半，即
及维持带电粒子沿半径r不变的轨道运动，并被不断加速”这一必要条件进行探讨，如图6所示。对于为什么选择电子作为加速的对象，为什么只是在正弦交流电的前
周期内被加速，不应当作为教学拓展的内容，只是对于如图7的原理给予一定的阐述就完成了教学目标。
为深化巩固电子感应加速器的工作原理，教师可再设计一些习题引导学生进行探究。
综上所述，《课程标准》的内容标准是课程实施的直接依据，教师根据对学情的有效诊断，在尊重章节内容的前提下确定有效的教学目标，这种目标应当是对课程标准解读下的设计，它应当是阶段性和层递性的，要始终明确通过章节内容的学习要达到的实际教学目标，以此来确定章节教学的目标、设计教学策略和评价的内容，通过整合资源才是实践有效教学的关键。