基于核心素养的探究式教学设计：电磁继电器的工作原理与应用

基于核心素养的探究式教学设计：电磁继电器的工作原理与应用一、教学内容分析从《义务教育物理课程标准（2022年版）》审视，本节课位于“能量”主题下的“电磁能”部分，是“电与磁”相互作用规律的深化与应用，扮演着连接物理原理与工程技术实践的桥梁角色。知识技能图谱上，它要求学生在理解“电流的磁效应”和“电磁铁”的基础上，深入探究电磁继电器这一核心元器件“如何利用低电压、弱电流的电路来控制高电压、强电流电路”的工作机制，这涉及到对电路“控制部分”与“工作部分”的结构性认知，是从原理理解迈向实际应用的关键转折点。过程方法路径上，课标强调科学探究与跨学科实践（如“工程设计与物化”），本节课是绝佳载体。探究活动可聚焦于“设计一个由电磁继电器实现的安全报警或自动控制电路”，引导学生经历“明确需求分析原理设计电路制作调试”的微型工程流程，深化模型建构、科学推理和动手实践能力。素养价值渗透方面，通过对电磁继电器在生活（如汽车、家电）、工业（如自动化生产线）乃至前沿科技（如机器人、智能家居）中广泛应用的剖析，引导学生领悟“物理原理驱动技术革新”的科技发展观，培育其将知识服务于社会的责任意识与创新意愿。立足于九年级学生的认知特点进行学情诊断。已有基础与障碍：学生已掌握电路的基本组成、电流的磁效应及电磁铁的特性，这为理解继电器“以磁控电”的核心原理奠定了知识基础。然而，将抽象的电磁原理与具象的机械动作（如衔铁吸合与释放）动态关联，并理解其“信号隔离与放大”的工程价值，是普遍的思维难点。学生可能对“低压控制高压”的必要性和安全性缺乏直观感受。过程评估设计：通过“前概念调查问卷”（如：你认为能用一节电池点亮220V的灯泡吗？）捕捉迷思概念；在新授环节，通过观察学生实物拆解、电路连接的过程性表现，以及倾听小组讨论中关于“控制回路”与“工作回路”关系的解释，动态评估理解深度。教学调适策略：对于概念理解较快的学生，提供拓展性任务，如分析带有光敏或热敏元件的继电器电路；对于需要更多支持的学生，则提供结构化的学习支架，如附有关键步骤提示的“实验探究指南”和动态演示工作过程的仿真软件，帮助其建立清晰的物理图景。二、教学目标知识目标：学生能准确阐述电磁继电器的主要组成部分（电磁铁、衔铁、弹簧、触点）及其功能；能完整叙述其“通电吸合、断电释放”的工作过程；能在原理图上清晰区分并标注控制电路（低压）和工作电路（高压），并解释其实现安全控制与自动化的基本原理。能力目标：学生能够独立或合作完成利用给定电磁继电器模块、电源、用电器（如小电机、灯泡）等器材，连接一个实现特定功能（如远程开关、高低压隔离控制）的电路；能基于实物或电路图，分析故障原因（如触点接触不良、弹簧失效）；并能将继电器原理迁移至解释生活场景中的简单自动控制现象。情感态度与价值观目标：在小组协作探究中，学生能表现出严谨、细致的操作习惯和乐于分享、倾听不同意见的合作精神；通过了解继电器在电力保护、自动化生产中的应用，感受物理知识转化为技术的巨大力量，初步树立技术应用应服务于安全、便利和效率的价值观念。科学思维目标：重点发展学生的模型建构与系统分析思维。通过将复杂的继电器实物抽象为“控制端”与“执行端”相互作用的物理模型，学生能够运用“输入处理输出”的系统思维框架分析其工作逻辑，并能辩证地思考其在特定应用中的优势与局限性。评价与元认知目标：学生能够依据清晰的操作规范与电路功能实现度，对自己及同伴搭建的继电器控制电路进行评价；能在课堂小结时，反思自己在理解“低压控高压”原理过程中遇到的困难及突破方法，初步形成利用“结构功能”对应关系分析复杂装置的学习策略。三、教学重点与难点教学重点：电磁继电器的工作原理，特别是其如何通过控制电路的通断来间接控制工作电路的通断，实现电路的隔离、保护和自动控制功能。确立依据：从课程标准的“大概念”来看，这直接体现了“能量的转换与转移”以及“系统的相互作用”的核心思想，是理解后续更复杂电磁设备（如电动机、发电机）控制逻辑的基础。从学科能力角度看，掌握此原理是学生能否将电磁知识进行情境化应用的关键标志，也是学业水平考试中考查学生应用能力与创新意识的常见考点。教学难点：对“低压控制高压、弱电流控制强电流”原理的深层理解，以及在实际电路设计中灵活运用继电器解决问题的能力。预设依据：该难点源于学生的认知跨度——需将抽象的电磁作用与具体的机械联动、电路切换进行动态整合，思维过程较为复杂。常见错误表现为在设计电路时混淆控制回路与工作回路的电源，或无法根据需求（如常开/常闭触点选择）正确连接电路。突破方向在于强化实物观察与动手操作，通过“做中学”将静态原理动态化、可视化。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式课件（含电磁继电器结构爆炸图、工作原理动画、生活应用实例视频）；实物投影仪。1.2实验器材（分组）：电磁继电器学生实验模块（透明外壳为佳）至少12套；低压电源（干电池组或学生电源）；小灯泡（2.5V）及灯座；开关；导线若干；可选配件（如小电机、蜂鸣器、光敏电阻模块用于拓展）。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础探究步骤与拓展挑战题）；课堂形成性评价量表。2.学生准备2.1知识预备：复习电流的磁效应及电磁铁相关知识。2.2物品：科学笔记本、笔。3.环境布置3.1座位安排：四人小组合作式就坐，便于讨论与实验。3.2板书记划：预留核心概念区、原理图示区、学生生成区（用于张贴小组设计图）。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：“同学们，请看屏幕，如果我要用这根小小的导线去直接开关工厂里那台巨大的机器，会发生什么？”（展示对比图片：细导线与大型工业设备）。学生会意识到危险与不现实。“那么，有没有一种‘魔法开关’，能让我们安全又方便地实现远程控制呢？其实，它就藏在我们身边——比如汽车启动时，你转动钥匙的微小电流，是如何引爆引擎的？许多家电的自动控制又是如何实现的？”1.1问题提出与路径明晰：“今天，我们就来认识这位幕后英雄——电磁继电器。我们的核心问题是：它是如何扮演‘电路指挥官’的角色，实现‘以小控大、以弱控强’的？本节课，我们将通过‘拆解观察识结构’、‘动手探究明原理’、‘设计应用悟价值’三个环节，一步步揭开它的奥秘。首先，回忆一下，电磁铁有什么特性？（生答：通电有磁性，断电磁性消失）这个特性，正是我们探究的起点。”第二、新授环节本环节以探究性任务链推进，搭建从结构认知到原理探究，再到迁移应用的认知支架。任务一：结构初探——拆解观察，认识“指挥官”的组成部分教师活动：首先，教师利用高清实物投影，展示一个透明壳体的电磁继电器。“请大家先不要通电，像一位工程师一样，仔细观察你手中的继电器。你能找出几个关键部分？尝试给你认为重要的部件起个名字。”教师巡视，提示观察触点、衔铁、弹簧等细节。随后，通过课件呈现标准的结构爆炸图，引导学生对照并说出各部件名称：电磁铁、衔铁、弹簧、动触点、静触点（常开/常闭）。此时强调：“大家注意看，这些触点实际上分属于两个完全独立的电路路径。”学生活动：学生以小组为单位，仔细观察继电器实物，用手轻按衔铁感受其动作，并尝试描述所见结构。对照课件，在任务单上标注各部分名称。讨论并猜测：“哪些部件可能是一起动的？（电磁铁和衔铁）哪些是固定不动的？”即时评价标准：1.观察是否细致，能否指认出电磁铁、衔铁和至少一组触点。2.小组讨论时，能否基于观察提出合理的功能猜测。3.能否准确在示意图上进行标注。形成知识、思维、方法清单：★核心结构认知：电磁继电器主要由电磁铁（产生磁力）、衔铁（被吸引，带动动触点）、弹簧（使衔铁复位）、触点（包括动触点和静触点，是电路通断的关键）组成。▲触点类型：静触点有“常开触点”（线圈未通电时断开）和“常闭触点”（线圈未通电时闭合）之分，这是实现不同控制功能的基础。方法提示：认识复杂装置，可从“结构功能”对应关系入手。先“分”看各部分，再“合”想其联动。任务二：原理探究——动态分析，理解“通电吸合，断电释放”教师活动：这是突破重点的关键步骤。“结构清楚了，它到底怎么工作呢？让我们通上电看看！”教师演示：将一个低压电源（如3V）、开关和继电器的线圈（控制端）串联；将另一个高压电源（如6V，但安全范围内）、小灯泡和继电器的常开触点（工作端）串联。“请大家预测，当我闭合控制电路的开关，灯泡会亮吗？为什么？”演示后，引导学生分步描述过程：闭合控制开关→线圈有电流→产生磁场→吸引衔铁→动触点与常开静触点接触→工作电路接通→灯泡亮。断开控制开关，反向分析。“这个过程的核心动作是什么？（生：吸合与释放）对，就像一位忠诚的哨兵，一通电就行动，一断电就归位。”学生活动：学生分组连接并操作相同的演示电路，亲身验证“低压控制高压”的过程。一边操作，一边由一名组员口述工作流程。尝试快速开合控制开关，观察灯泡的即时响应。思考并回答：“工作电路中的电流，有没有流过电磁铁的线圈？（没有）这两个电路在电气上是隔离的。”即时评价标准：1.电路连接是否正确、规范、安全。2.口头描述工作过程时，逻辑是否清晰，能否正确使用“线圈”、“衔铁”、“触点闭合”等术语。3.能否明确指出控制电路与工作电路是相互独立的。形成知识、思维、方法清单：★工作原理核心：电磁继电器的工作原理基于电流的磁效应。其工作过程可简述为：控制电路通电→电磁铁产生磁性→吸引衔铁→带动动触点动作→接通或断开工作电路。★电路隔离概念：控制电路（低压、弱电流）和工作电路（高压、强电流）在电气上是相互隔离的，仅通过磁场的“桥梁”发生联系，这保证了操作的安全性与控制电路的可靠性。易错点提醒：学生常误以为工作电流也流经电磁铁线圈，需通过实验观察和电路分析反复强化“隔离”概念。任务三：电路辨识与符号学习——读懂“指挥官”的图纸教师活动：“在实际的电路设计中，我们不可能每次都画实物图。物理学家和工程师们为它设计了一个简洁的符号。”展示电磁继电器的电路符号，并将其分解讲解：长方形框代表电磁铁线圈，常用“KR”或“J”表示；常开触点和常闭触点用不同的钩状符号表示，并用虚线表示它们与衔铁的机械联动关系。“请大家在任务单上，将我们刚才实验的电路，用符号画成电路图。思考一下，控制部分和工作部分在图纸上如何清晰地分开？”学生活动：学生学习并临摹继电器电路符号。根据刚才的实验，尝试独立绘制包含继电器控制电路和工作电路的完整电路图。小组内交换检查，重点检查线圈与触点的对应关系、电源是否区分。即时评价标准：1.绘制的电路符号是否规范、清晰。2.电路图中是否明确区分了两个独立的回路及各自的电源。3.能否说出符号中各部分对应的实物结构。形成知识、思维、方法清单：★电路符号：掌握电磁继电器在电路图中的标准图形符号，理解长方形框代表线圈，触点符号代表其状态（常开或常闭），虚线表示机械联动。这是进行电路设计与识图的“语言”。应用关联：能够根据实物连接绘制电路图，或根据电路图连接实物，实现“实物原理图”的双向转换，是工程技术实践的基本功。任务四：功能拓展——认识“常开”与“常闭”，初识自动化教师活动：“刚才我们一直用的是常开触点，让灯泡‘通电则亮’。如果我想要一个‘通电则灭’的报警器呢？该用什么触点？”引导学生观察继电器上的常闭触点。“假设这个灯泡是一个安全指示灯，正常工作时应常亮（接常闭触点），一旦出现故障，控制电路动作，就让它熄灭报警。大家能设计这个电路吗？”提供简化的设计情境，引导学生思考触点选择。学生活动：学生观察继电器上的常闭触点，理解其“常态闭合”的含义。分组讨论并尝试设计“通电即报警（灯灭）”的电路连接方案。动手验证自己的设计。思考：“常开和常闭触点，给了我们怎样的控制灵活性？”即时评价标准：1.能否正确识别实物上的常开与常闭触点。2.设计思路是否清晰，能否根据功能需求正确选择触点类型。3.验证实验是否成功，并能解释其原理。形成知识、思维、方法清单：▲触点功能拓展：常开触点（NO）：线圈未通电时断开，通电后闭合；常闭触点（NC）：线圈未通电时闭合，通电后断开。★设计思维：根据实际控制需求（如“启动则运行”或“故障则报警”）灵活选择触点类型，是实现多样化自动控制的基础。这体现了工程设计的“需求导向”思维。任务五：情境应用设计——化身小小工程师教师活动：发布挑战性任务：“现在，大家就是一名自动化工程师了。请为我们的‘智能苗圃’设计一个简易的土壤干燥报警系统。要求：用一个湿度传感器（我们可用一个开关来模拟传感器信号：断开表示‘太干’）控制一个报警蜂鸣器（我们用小灯泡代替）。当土壤太干时，报警器工作。请画出电路图，并说明工作原理。”教师提供元件符号，并巡视指导，鼓励不同方案。学生活动：小组合作，分析任务需求。讨论是使用常开还是常闭触点来实现“干燥则报警”。绘制设计电路图，并向教师或相邻小组阐述设计思路。学有余力的小组可尝试用实物连接验证。即时评价标准：1.电路设计是否满足任务要求。2.原理阐述是否清晰，能否合理解释传感器信号（开关状态）如何通过继电器最终控制报警器（灯泡）。3.小组分工协作是否高效有序。形成知识、思维、方法清单：★核心应用迁移：电磁继电器是实现自动控制和远程控制的核心元件。它将感知信号（如温度、湿度、光强、压力变化，通过相应传感器转化为电信号）与执行动作（如启动电机、打开阀门、发出警报）联系起来。▲工程实践初体验：经历“分析需求→选择方案（触点类型）→设计电路→解释原理”的微型工程设计流程，体会物理知识解决实际问题的完整逻辑链。第三、当堂巩固训练构建分层、变式训练体系，促进知识的内化与迁移。1.基础层（全体必做，强化概念）：“请看这道题：下图是电磁继电器的工作原理示意图，请标出图中各部分的名称，并简述当开关S闭合时，工作电路中的灯泡L是如何被点亮的。”（考察结构与原理的准确复现）2.综合层（多数学生挑战，应用分析）：“请分析一个防汛报警器原理图：水位上涨使金属块A、B接通（模拟传感器），控制电路接通，继电器动作，报警灯亮。请问：（1）继电器使用的是常开还是常闭触点？（2）若想让报警器在水位过高时启动抽水机（用电机符号表示），该如何修改电路？”（在新情境中综合运用知识）3.挑战层（学有余力选做，开放设计）：“设计一个简易的汽车转向指示灯电路：拨动左转开关，左侧前后两个指示灯同时闪烁（可用继电器控制电路通断模拟闪烁）；右转同理。提供两个继电器、电源、开关、灯泡若干，画出你的设计草图，并说明工作过程。”（涉及多继电器协作，具有开放性与探究性）反馈机制：基础层题目通过集体核对、教师点评快速反馈；综合层题目采取小组讨论后代表发言，教师针对共性问题精讲；挑战层设计图可进行小组间展示互评，教师选取有代表性的方案进行剖析，重在思路而非唯一答案。第四、课堂小结引导学生进行结构化总结与元认知反思。知识整合：“同学们，经过这节课的探索，谁能用一句话概括电磁继电器的核心作用？（生：用低压控制高压的自动开关。）非常好！请大家在笔记本上，尝试用关键词和箭头，画一个简单的思维导图，梳理从‘结构’到‘原理’，再到‘应用’的学习路径。”方法提炼：“回顾一下，我们今天是如何认识这个陌生装置的？（从外到内观察结构，动手实验探究原理，绘图分析抽象模型，最后设计应用。）这种‘结构功能应用’的分析方法，对我们今后学习其他复杂机械或电子设备很有帮助。”作业布置：“今天的作业分为三个层次：必做作业是完成练习册上关于继电器原理的基础习题；选做作业A（拓展）是调查并列举出家中或生活中三个用到继电器或类似原理的电器，简要说明其作用；选做作业B（探究）是尝试利用网络电路仿真软件（如EveryCircuit在线版），搭建一个你感兴趣的继电器控制电路模型。下节课，我们将走进更广阔的电磁世界，看看电流和磁场还能上演怎样精彩的‘双人舞’。”六、作业设计基础性作业（必做）：2.绘制电磁继电器的工作原理示意图，并用文字分步说明其“通电吸合、断电释放”的工作过程。3.完成教材课后练习中关于电磁继电器电路连接与分析的基础题目，巩固核心概念。拓展性作业（建议大多数学生完成）：设计一份“电磁继电器应用小报”。内容需包含：（1）介绍一个电磁继电器在现实生活中的具体应用实例（如电饭煲保温控制、汽车起动电路、恒温箱等），并配以简单的原理示意图。（2）分析在该实例中，继电器发挥了哪些具体作用（如安全隔离、自动控制、信号转换等）。探究性/创造性作业（选做，供学有余力者挑战）：项目名称：“我的简易智能光控灯模型设计与制作”。任务：利用电磁继电器、光敏电阻（或光敏二极管模块）、小灯泡（或LED）、电源、导线等，制作一个模型。要求：当环境光线变暗时，模型灯自动点亮；光线变亮时，灯自动熄灭。成果要求：提交一份简短的设计报告（含电路图、元件清单、工作原理说明）和模型实物照片或视频。鼓励对模型外观进行创意设计。七、本节知识清单及拓展★1.电磁继电器的本质：它是一种利用电流的磁效应制成的自动开关。核心功能是实现用低电压、小电流的控制电路去控制高电压、大电流的工作电路。★2.核心组成部分（结构功能对应）：1.电磁铁：通电时产生磁性，是动作的“动力源”。2.衔铁：能被电磁铁吸引的铁片，带动动触点运动，是“传动杆”。3.弹簧：当电磁铁断电时，将衔铁拉回原位，实现“复位”。4.触点：包括动触点（随衔铁动作）和静触点（固定）。静触点又分为常开触点（NO）（常态断开）和常闭触点（NC）（常态闭合），是电路通断的“执行者”。★3.基本工作原理：控制电路接通→电磁铁线圈有电流通过→产生磁场→吸引衔铁→衔铁带动动触点动作→使动触点与对应的静触点接触或分离→从而接通或断开工作电路。控制电路断开，则过程相反。★4.关键特性：电气隔离：控制电路和工作电路之间没有直接的电气连接，仅通过磁场进行“耦合”。这保证了控制端的安全，也避免了工作电路的大电流、高电压对控制电路的干扰。★5.电路符号：必须掌握其在电路图中的标准画法。长方形框代表电磁铁线圈，常用“J”标注；触点符号与线圈用虚线连接，表示机械联动。这是阅读和设计电路图的“语言”。▲6.“常开”与“常闭”触点的应用选择：这是实现多样化控制逻辑的基础。需要“通电则启动”功能时，选用常开触点；需要“通电则停止”或“故障报警”功能时，选用常闭触点。★7.核心应用价值：5.安全控制：实现操作人员与高压、危险设备的电气隔离。6.自动控制：可与各种传感器（温、光、声、压等）结合，构成自动化系统，实现条件触发式控制。7.信号放大与转换：将微弱的控制信号转换为对大功率负载的直接控制。▲8.常见应用实例：电铃、汽车启动机电路、自动水位控制器、恒温箱、机床自动控制、家用电器（如空调、洗衣机）的控制板与执行部件之间等。★9.易混淆点辨析：务必分清“控制电路”和“工作电路”是两个独立的回路，各有其电源。工作电流不经过电磁铁的线圈。▲10.拓展联系：固态继电器（SSR）：现代技术中，出现了使用半导体元件（如光电耦合器、可控硅）实现类似功能的“固态继电器”。它无机械触点，动作更快、寿命更长、抗干扰能力更强，但成本通常更高，适用于高频、小体积的场合。理解电磁继电器是理解其电子升级版的基础。八、教学反思(一)目标达成度分析从预设的形成性评价点（任务单完成情况、实验操作规范性、小组讨论深度、巩固练习正确率）来看，知识目标与能力目标达成度较高。绝大多数学生能清晰叙述工作原理并成功连接基础控制电路。情感与价值观目标在“情境应用设计”任务中表现突出，学生展现出浓厚的工程探究兴趣和协作精神。科学思维目标中的模型建构初见成效，学生能将继电器抽象为“输入（控制信号）处理（电磁动作）输出（电路通断）”的模型，但在灵活运用该模型分析复杂陌生系统时（如挑战层作业），部分学生仍显吃力，这提示模型的内化与迁移需要更持续的训练。评价与元认知目标的引导稍显薄弱，学生在依据量规互评时多关注结果（灯亮与否），对过程（设计逻辑、连接工艺）的深度剖析不足，今后需提供更细致的评价维度和示范。(二)教学环节有效性评估导入环节创设的“以小控大”矛盾情境迅速聚焦了学生注意力，驱动性问题有效激发了探究欲望。“如果直接点明继电器的作用，恐怕就没这份好奇心了。”新授环节的五个任务链，遵循了从具体到抽象、从认识到应用的认知规律，结构性良好。特别是任务二（原理探究）的“做中思”和任务五（应用设计）的“创中用”，构成了能力提升的两级重要阶梯。实验器材（透明继电器）的选择功不可没，使得内部结构的联动过程一目了然，极大降低了理解难度。然而，任务四（功能拓展）的过渡略显生硬，部分学生对“常闭触点”的应用场景理解仍停留在机械记忆层面。若能在任务四之前增设一个更生活化的对比情境（如楼道声控灯“有声响则亮”与消防应急灯“断电则亮”），可能更利于学生自主领悟触点选择的逻辑。(三)学生表现与差异化应对剖析课堂观察显示，学生大体可分为三类：第一类“快速建构者”，约占30%，他们能迅速理解原理并完成所有任务，甚至提出创新想法（如有小组尝试用两个继电器设计交替闪烁灯）。对这类学生，教师提供的“挑战层”任务和开放性的探究作业满足了其深度需求，但课堂即时性的生成资源利用不足，未