20.3 跨学科：电磁波与信息技术 核心素养教学设计（表格式）--沪科版新版9全册物理

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《20.3跨学科：电磁波与信息技术》教学设计
课题 3.跨学科：电磁波与信息技术 单元 20 学科 物理 年级 九
教材分析 本课时选自沪科版九年级物理第二十章《电磁波与信息时代》的第三节“跨学科：电磁波与信息技术”，是一节融合物理、信息科技、工程应用与社会发展的综合性课程。教材以学生熟悉的生活场景为切入点，如手机通信、互联网学习、卫星导航等，系统介绍了光纤通信、现代电信网络（卫星通信、微波通信、移动通信）、互联网以及第五代移动通信技术（5G）的基本原理与应用。内容不仅涵盖电磁波在信息传递中的核心作用，还通过“迷你实验室”引导学生观察光在光纤中的传播现象，理解全反射原理；并通过“物理聊吧”“请提问”等栏目激发学生探究兴趣，培养跨学科思维。教材图文并茂，配有图20-11至图20-21等十余幅示意图，直观展示光纤结构、蜂窝基站布局、5G概念图、北斗导航系统等关键知识点，帮助学生建立从抽象原理到现实应用的认知桥梁。本节内容强调科学与技术的融合，注重培养学生的信息意识、科学思维与社会责任感，是落实新课标“科学态度与责任”“技术 工程 社会”理念的重要载体。
2022新课标要求 1.知识融合：以电磁波的产生、传播等物理本质为核心，衔接信息技术里5G、光纤通信等应用，关联卫星轨道等地理相关知识。 2.素养培养：借北斗、天链系统等案例增强科技自信；结合生活中的通信设备教学，落实从生活到物理、再到社会的理念。
学习目标与核心素养 1.物理观念：（1）能从跨学科视角了解电磁波与信息技术的关联，能了解光纤通信、现代电信网络、互联网等及其与生产生活的关联；（2）能体会电磁技术应用对人类生活和社会发展带来的影响。2.科学思维：（1）能通过分析图20-14现代电信网络示意图，推理手机通话过程中信号的传递路径与转换过程；（2） 能比较光纤通信与传统电线通信的优劣，归纳其大容量、抗干扰强的特点，并能运用类比方法理解“蜂窝”基站布局的优势。3.科学探究：（1） 能动手完成“观察光在光纤中的传播”实验，记录并描述光在直、弯、环状光纤中的传播现象；（2） 能基于实验现象提出“光为何不会从光纤外层逸出”的科学问题，并结合教材图20-12理解内外层折射率差异导致全反射的原理。3.科学态度与责任：（1）能通过查阅资料或课堂讨论，举例说明5G、北斗等我国自主研发的通信技术对国家发展和人民生活的积极影响；（2）能辩证看待信息技术发展带来的便利与挑战（如隐私安全、数字鸿沟），树立合理使用科技、服务社会的责任意识。
学情分析 九年级学生已具备一定的物理基础知识，学习过声波、光的折射与反射、电流与电路等内容，对“波”的概念有初步认知，但对电磁波的本质及其在信息传递中的具体机制仍较为模糊。学生日常生活中频繁使用手机、Wi-Fi、导航等依赖电磁波的技术产品，具有丰富的感性经验，但缺乏对其工作原理的系统理解，容易将电磁波与声波、机械波混淆。此外，学生对“光纤如何传光不漏”“5G为何更快”“北斗如何定位”等问题充满好奇，具备较强的探究欲望。然而，本课涉及较多抽象概念（如频率、波长、信号调制、全反射等），且知识跨度大，涵盖物理、通信、信息技术等多个领域，学生在跨学科整合能力上尚显不足。因此，教学中需借助生活实例、实验观察和可视化图表降低认知难度，通过情境驱动和任务引导促进知识建构，帮助学生实现从“知其然”到“知其所以然”的思维跃迁。
重点 通过实验观察，理解光在光纤中的传播原理；结合实例，掌握光纤通信的传输特点及其优势。
难点 理解光在光纤中传播时不会跑到外层的原理；分析光纤通信在信息传输中的实际应用及其重要性。
材料准备 彩色透明纸、手电筒、一束光纤
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入1888年，赫兹用实验首次证实了电磁波的存在；短短20年后，马可尼利用电磁波实现了跨洋无线电通信；如今，5G、卫星互联网、物联网让信息传递速度突破极限！电磁波彻底改变了人类的沟通方式。本节我们将学习我们身边的几种典型的通信技术。 观看图片，聆听讲解 从生活熟悉的信息技术场景切入，引发认知冲突，自然关联课题，激发探究兴趣。
讲授新课 一、光纤通信1.光纤：光纤是光导纤维的简称，是由玻璃或塑料等材料制成的纤维。光纤是利用光波（即可见光）传播信号的，是信息社会传送各种信息的主要工具。细如发丝的光纤2.光纤传送信息的容量大一根光纤能同时传输相当于10 000根电线所传输的信息量。随着科学技术的发展, 光纤能传送的信息容量还会更大。拓展延伸高锟与光导纤维1966 年，33 岁的华裔科学家高锟提出：光通过直径仅几微米的玻璃纤维就可以用来传输大量信息。高锟因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖。根据这一理论制造的光导纤维。光导纤维 高锟（1933-2018）迷你实验室3.观察光在光纤中的传播（1）实验器材彩色透明纸、手电筒、一束光纤（2）实验步骤①先将彩色透明纸蒙在手电筒的玻璃上，再将一束光纤的一端垂直放置其上。观察不同颜色的光在光纤中传播的现象。②把光纤弯曲成不同的角度，甚至成环状，重复上面的实验步骤。③观察光在弯曲光纤中传播的现象，跟同学们一起讨论为什么会出现这些现象。（3）实验视频（4）结论：不同颜色的光都能沿着光纤传播，不管光纤怎样弯曲，从它的一端射入的光都会顺着它传播，再从它的另一端射出。4.光在光导纤维中的传播原理光发生多次全反射光在光导纤维中的传播原理是光的全反射。光纤很细，由内芯和外套两层组成，内芯的折射率比外套的大，光传播时在内芯与外套的界面上发生全5.光纤通信的优点①传输容量大：单根光纤可同时传输数百万路电话或数千路电视信号。②传输距离远：信号衰减极弱，无中继传输距离可达数十公里，减少设备成本。 ③抗电磁干扰能力强：光纤不导电、不辐射电磁波，不受雷电、工业干扰，信号稳定。④保密性好：光信号在光纤内传播，不易泄露，难以窃听。6.光纤通信网络：由于光纤传输信号容量及抗干扰能力的优异特性，现已成为互联网地面信号传输的主要媒介，由其组建的网络又称为光纤通信网络。通过光纤传送的若干电视频道信号拓展延伸光导纤维的应用：光纤通信、医学上的内窥镜。如果把光导纤维聚集成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端。二、现代电信网络人们经常使用电话，其实，要打通一个电话可没想象中那么简单。电话系统由许多有线、无线网络构成。电话网络示意图1.卫星通信（1）卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。卫星把地面站送来的信号接收下来，进行放大，然后转发给另外的地面站。（2）卫星通信的优缺点①卫星通信的优点覆盖范围广：可跨越海洋、沙漠等网络盲区，实现全球覆盖。通信距离远：单颗卫星即可连接数千公里外的终端，无需大量地面中继站。部署灵活：适用于应急通信、偏远地区通信，快速组网。容量较大：现代卫星可支持语音、数据、视频等多业务并发传输。②卫星通信的缺点 时延较高：信号往返卫星需0.25秒左右，实时性差。受环境影响大：暴雨、暴雪等天气会干扰信号，导致通信质量下降。 成本高昂：卫星制造、发射及地面设备投入大，使用费用较高。轨道资源有限：地球同步轨道容量稀缺，存在频率干扰风险。2.微波通信（1）微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。（2）微波通信的优点和缺点①优点：频率高，传播信息的容量大；质量好，可传送很远的距离；大致沿直线传播，受大气干扰小，收到的信号强且稳定。②缺点：需要大量的中继站进行信号处理，受地形限制较大。3.移动通信（1）移动电话用微波信号与电话网络联系，既是无线电发射台又是无线电接收台。移动通信的基地台是参考蜂窝的构造布局的，大大增加了无线电覆盖的有效面积，因此移动电话也被称为“蜂窝电话”。蜂窝 移动通信的基站学 科 综 合视频：第五代移动通信技术想一想你知道国际电信联盟（ITU）定义了 5G 的八大关键性能指标是什么？5G 移动通信概念图其中高速率、低时延、大连接成为 5G 最突出的特征，用户体验速率达 1 Gbps，时延低至 1 ms，用户连接能力达每平方千米百万连接，另外还有移动性，频谱效率，流量密度，能量效率等性能都大大提高。三、互联网1.互联网（1）互联网将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。（2）互联网使信息在全球范围内得到了高速共享。想一想阅读课文并根据自己对互联网的认识说一说互联网有哪些应用？2. 互联网的应用（1）获取信息与传播人们通过计算机，进入互联网这个信息高速公路，足不出户就可获得世界各地的各种信息，也可通过社交软件、自媒体分享内容。（2）沟通与社交即时通讯（微信、QQ）、视频通话（Zoom、腾讯会议）、社交网络（微博、抖音），实现跨时空人际、群体互动。网络让我们即使远隔千山万水，也仿佛近在咫尺。（3）教育与学习互联网为我们提供了崭新的学习方式— 网络学校。互联网让图书馆和实验室都能“进入”你的家里，随时随地打开计算机，你就可开始学习。在线课程（网易云课堂、Coursera）、远程教育、题库工具、虚拟实验室，打破教育时空限制。（4）网上医院网上医院使医生与患者能通过互联网及时传递信息，患者无需和医生面对面，就能获得专业咨询和诊断。（5）生活服务在线购物（淘宝、京东）、外卖点餐（美团、饿了么）、出行预订（滴滴、携程）、政务办理（电子税务局、政务APP），简化日常事务。（6）娱乐与休闲：流媒体（腾讯视频、Netflix）、网络游戏、在线音乐、直播互动，丰富精神生活。（7）工作与生产远程办公（钉钉、飞书）、云存储（百度网盘、阿里云）、在线协作（石墨文档、腾讯文档）、企业数字化管理（ERP系统），提升工作效率。（8）金融与商务：网上银行、移动支付（支付宝、微信支付）、数字货币、跨境电商、在线投融资，革新金融交易模式。学 科 综 合跨越千年：从烽火台到“5G + 北斗”导航烽火传递信息 卫星导航示意图阅读课文了解从烽火台到 “5G + 北斗”导航的内容。视频：5G+北斗导航 阅读课文了解光纤了解高锟与光导纤维动手实验观察光在光纤中的传播，并得出实验结论了解光在光导纤维中的传播原理，讨论总结光纤通信的优点通过示意图辅助、阅读课文聆听讲解，系统梳理现代电信网络的组成与工作机制探讨卫星通信的优缺点阅读课文了解微波通信、移动通信观看视频阅读课文了解互联网的定义以及应用 锻炼学生的自主学习能力拓展学生的知识面锻炼学生的动手能力以及归纳总结能力锻炼学生的逻辑思维能力和归纳总结能力突破 “系统协同” 的难点，培养系统思维能力锻炼学生的归纳总结能力锻炼学生的自主学习能力了解第五代移动通信技术体会互联网已经融入我们的生活，锻炼学生的归纳总结能力
课堂练习 1．关于电磁波和现代通信，下列说法错误的是（ ）A．光纤通信具有传输信息量大、抗干扰能力强、损耗小等优点B．微波、超声波、无线电波都属于电磁波C．卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站进行通信的D．卫星通信、光纤通信都可以用来传递信息【答案】B【详解】A．光纤通信的优点是传输信息量大、抗干扰能力强及光能损耗小等，故A正确，不符合题意；B．微波、无线电波都属于电磁波，超声波不属于电磁波，故B错误，符合题意。C．卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站进行通信的，故C正确，不符合题意。D．卫星通信、光纤通信都可以用来传递信息，故D正确，不符合题意。故选B。2．2024年春运期间，我国自主生产的C919飞机首次投入春运，深受国人的喜爱。此飞机在空中飞行时，跟地面上联系用的是（ ）A．光纤通信 B．超声波 C．广播和电视 D．电磁波【答案】D【详解】飞机在空中飞行时，与地面联系是利用电磁波。因为电磁波可以在真空中和空气中传播，而超声波不能在真空中传播且传输距离有限，光纤通信需要铺设光缆，广播和电视本质也是电磁波，但属于单向传播的民用信号，非专用航空通信手段。故D符合题意，ABC不符合题意。故选D。3.光纤通信是利用________从光导纤维的一端射入，在内壁上多次_____ ，从另一端射出来传递信息的；它传播信息的速度_____ （选填“大于”“小于”或“等于”）3×108 m/s 。【答案】激光 反射 小于【详解】[1][2][3]光纤通信是利用激光传输信息的，从光纤的一端射入，在内壁上多次反射后在另一端放射出来，然后在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光在光导纤维中传播的速度小于 ,因为光在真空中速度最快，在介质中速度会变慢。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 跨学科：电磁波与信息技术1.光纤通信（1）光纤：是由玻璃或塑料等材料制成的纤维（2）传播原理：光的全反射光纤通信的优点2.现代电信网络卫星通信、微波通信、移动通信3.互联网（1）互联网将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。(2)互联网的应用 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解
板书 一、光纤通信1.光纤：光纤是光导纤维的简称，是由玻璃或塑料等材料制成的纤维。2.光在光导纤维中的传播原理是光的全反射。3.光纤通信的优点二、现代电信网络1.卫星通信：星把地面站送来的信号接收下来，进行放大，然后转发给另外的地面站。2.微波通信：微波通信像接力赛，每隔几十千米修建一座接力站，接收并放大信号，继续传送。这就像接力赛跑一样，一棒传一棒，可以把信息传递到远方。3.移动通信移动电话用微波信号与电话网络联系，既是无线电发射台又是无线电接收台。三、互联网互联网将分布于世界各地的计算机网络连接起来，用来传送计算机信号。2. 互联网的应用 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 1.推荐《电磁波的奇妙旅行》图文结合，直观展示电磁波传播过程2.趣味问答：《为什么Wi-Fi能穿墙？——电磁波小常识》解答学生常见疑问。
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教学反思 本次“电磁波与信息技术”教学围绕新课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念展开，聚焦初中学生抽象思维薄弱的特点设计教学，但实际实施中仍有可优化之处，具体反思如下：抽象概念具象化仍需加强后续可增加实物演示，通过“可感知的现象”推导抽象本质，契合初中生“直观认知优先”的思维特点。互动环节的参与度需均衡，部分学生因操作不熟练未能充分参与。下次教学可提前录制简化版实验视频，课前让学生预习步骤，课堂上分组时搭配动手能力强弱的学生，同时增加教师巡场指导频次，确保每位学生都能参与体验，落实新课标“面向全体学生”的要求。
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