基于5E 教学模式的高中物理“电磁感应”概念教学环节设计与应用探究

引言

高中物理学科具有较强的理论性和实践性，涉及大量的物理概念、定律和实验操作。电磁感应作为高中物理的核心概念，深刻揭示了电与磁的内在联系，其理解难度直接影响学生对电磁学知识体系的构建。传统教学中，学生往往被动接受结论，对互感、自感等现象的形成机制及能量转换本质认识模糊，难以实现深度理解。而 5E 教学模式强调学生的主动探究和实验操作，与物理学科的特点高度契合。

1 教学环节设计：基于5E 模式的递进式探索

1.1 引入（Engage）：情境驱动，聚焦问题

课堂以学生熟悉的手机无线充电器启动，教师手持充电板与手机贴近，引导学生思考：“电能为何能隔空传输？”通过对比传统充电线的实体连接，学生自然关注到线圈间的无形能量传递。此时抛出核心问题：“若能量能在两个线圈间‘感应’传递，那么当单个线圈自身电流变化时，是否也会对自己产生感应作用？”这一设问将生活科技与物理原理衔接，既点明互感现象的存在，又引出对自感现象的质疑。学生带着“线圈如何感应自己”的认知冲突进入后续学习，形成主动探究的内驱力。

设计意图：利用真实科技情境制造认知落差，将抽象的电磁感应具象化为可感问题，为互感与自感的概念建构铺设思维锚点。

1.2 探究（Explore）：实验先行，感知现象

学生分组操作两个关键实验。第一组实验聚焦互感：学生将独立线圈 A 和B 靠近放置，当快速通断线圈A 的电源时，观察到连接线圈B 的电流表指针摆动。这一“无导线生电”现象让学生切身感知能量通过磁场传递的神奇。第二组实验突破自感难点：在并联电路中，规格相同的灯泡 A（纯电阻）与 A₁（串联电感线圈）同时接入电源。闭合开关瞬间，学生清晰看到 A 立刻亮起，而 A₁ 缓慢变亮；断开开关时， AA 立即熄灭， A₁ 却短暂闪亮后延迟熄灭。强烈的视觉对比引发惊呼：“为什么线圈会让灯泡‘慢半拍’？断电时哪来的能量让灯泡闪亮？”

设计意图：通过对比性实验制造认知冲突，让学生在现象观察中自发生成核心问题，为规律解释提供实证基础。

1.3 解释（Explain）：揭示规律，深化理解

基于实验现象，师生共同剖析本质。针对互感实验，学生梳理出能量传递链条：线圈 AA 电流变化→磁场变化→穿过线圈 B 的磁通量变化→产生感应电动势。对于自感现象中灯泡的异常表现，学生通过讨论发现：闭合开关时，线圈因电流增大产生自感电动势，其方向阻碍电流增大，故A₁ 延迟亮起；断开开关时，自感电动势阻碍电流减小，短暂维持回路电流，导致 A₁ 闪亮。此时教师追问：“闪亮消耗的能量从何而来？”学生回溯实验过程，意识到线圈通电时储存了磁场能，断电时磁场能转化为电能释放，由此建立“磁场是能量载体”的物理观念。

设计意图：引导学生从现象中自主提炼物理规律，贯通电磁感应定律在具体情境中的应用，构建能量守恒视角。

1.4 迁移（Elaborate）：联系实际，学以致用

在迁移阶段，教师可设计“电磁装置优化”项目，引导学生将自感电动势公式 E= − L （​-L ΔI/Δ t）融入实践思考。当分析日光灯镇流器时，结合电路动态过程：闭合开关瞬间，电流突变率 ΔI/Δ t 极大，高自感系数 L 使镇流器产生反向电动势，与电源电压叠加形成瞬时高压击穿灯管内气体。此时可提问：若需降低启动电压，应如何调整镇流器参数？学生通过公式推导发现，减小L（如减少线圈匝数）可降低自感电动势，但需平衡正常工作时限制电流的需求，进而理解工程设计中参数优化的复杂性。

在无线充电案例中，引导学生思考互感系数 M 与传输效率的关系。当手机线圈与充电板间距增大时，M 值下降导致能量传输效率降低，这解释了为何无线充电需保持设备紧密贴合。此时可延伸讨论电磁屏蔽技术：高磁导率材料（如铁氧体）能约束磁场线，减少向空间辐射的漏磁，既提升有效互感又降低电磁干扰。

针对制作大自感系数线圈的设计任务，教师可引导学生回顾影响自感系数L 的因素：线圈匝数 N 越多、横截面积 S 越大、加入铁磁材料作为铁芯，L越大；线圈长度 l 越长，L 越小。教师可展示实验数据：相同尺寸的空芯线圈和加入铁氧体磁芯的线圈，在相同 | ΔI/Δ t| 下，后者产生的自感电动势显著更大（例如提升数百甚至上千倍）。学生通过比较发现，在有限空间内，加入高磁导率铁芯（如铁氧体）比单纯增加匝数更能有效提升 L 值。这种参数权衡的思考过程，正是工程实践中常见的决策模式。”

设计意图：将抽象原理嵌入真实工程场景，强化物理与科技的关联性，培养学生运用核心概念解决实际问题的能力。

1.5 评价（Evaluate）：多维反馈，检验成效

评价贯穿教学全程：课堂中通过追问“断电闪亮是否违反能量守恒”检验概念理解；实验环节观察学生操作规范性及现象分析能力；小组讨论时记录对“磁场能转化”的表述准确性。阶段性评测包含三类任务：其一，概念辨析题（如判断电动机启停时的自感电动势方向）；其二，现象解释题（分析含电感电路的通断特性）；其三，简易设计题（为特定电子设备选择抗互感干扰方案）。课后要求学生绘制“互感 - 自感 - 磁场能”概念图，综合评估知识网络的结构化程度。

设计意图：通过多元评价手段诊断学习成效，兼顾基础知识掌握与科学思维发展，为教学改进提供依据

2 应用价值与反思

将5E 教学模式应用于“电磁感应”教学，实现了三大转变：知识传递转向概念建构，被动接受转向主动探究，抽象理解转向具身体验。学生通过亲历“互感感知 - 自感冲突 - 规律揭示 - 应用迁移”的完整科学探究链条，不仅深刻理解了法拉第电磁感应定律在具体情境（互感、自感）中的体现，更关键的是体悟了“变化产生感应”的核心思想及电磁场能量属性。

实践中需注意：实验环节需确保现象明显，给予充足观察讨论时间；解释环节需紧扣学生探究发现，避免脱离情境的强行灌输；迁移应用应贴近学生认知水平，选取典型实例。只有这样，5E 模式才能真正赋能概念教学，促进学生物理核心素养的扎实发展。

结论

本研究将 5E 教学模式系统融入高中物理电磁感应概念教学，以互感、自感及磁场能量为核心，建立了情境引入 - 实验探究 - 规律解释 - 应用迁移 - 多维评价的闭环学习路径。实践表明，该设计通过生活化情境激发认知冲突，以对比实验突破自感难点，引导学生自主建构电磁感应定律在互感、自感现象中的具体表现，深化对变化产生感应及磁场能量本质的理解。

参考文献：

[1] 伍锦 . 基于“5E”教学模式提升高中生物理科学思维素养的实践研究[D]. 江西 ： 江西师范大学 ，2024.

[2] 朱骏鹏 . 核心素养视域下 5E 教学模式在高中物理概念教学中的应用研究 [D]. 湖南理工学院 ，2024.

[3] 蔡祯颖. 基于5E 教学模式的高中物理概念教学研究[D]. 贵州： 贵州师范大学 ，2024.