緊密聯(lián)系生活的漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計

胡嘉瑩 陳振東 張軍朋

摘? ?要：變壓器是生活中常見的一種器件，與之相關(guān)的知識也是高中物理教材要求學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。文章在教材分析、學(xué)生學(xué)情分析以及教學(xué)內(nèi)容重難點(diǎn)剖析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了該節(jié)課程的完整教學(xué)流程。本節(jié)課的中心思想是聯(lián)系生活中的各種變壓器，進(jìn)而循序漸進(jìn)地讓學(xué)生體會變壓器模型的構(gòu)建過程。同時，通過自制教具和探究實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，制造認(rèn)知沖突，使學(xué)生對變壓器有更深刻的理解。

關(guān)鍵詞：聯(lián)系生活;漸進(jìn)式教學(xué);教學(xué)流程;自制教具

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0026-5

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于讓學(xué)生更有興趣地進(jìn)行探究，更好地掌握相應(yīng)的知識點(diǎn)。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程設(shè)計方面應(yīng)當(dāng)緊密聯(lián)系生活，讓物理教材中的理論知識和生活實(shí)際相結(jié)合，循序漸進(jìn)地通過實(shí)驗(yàn)和教具引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考。本文提出的以“變壓器”為例子的教學(xué)背景分析和教學(xué)過程設(shè)計，也能給同樣類型的課（如電容、電感等）一定的教學(xué)啟示。

1? ? 課程背景分析

教材選自高中物理粵教版選修模塊3-2的第二章第六節(jié)，教學(xué)對象為高二學(xué)生，教學(xué)內(nèi)容為“變壓器”。課標(biāo)對本節(jié)課的要求是：通過實(shí)驗(yàn)，探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系;觀察常用的變壓器，了解其作用。

這一節(jié)在內(nèi)容上前后呼應(yīng)，一方面是上一章《電磁感應(yīng)》教學(xué)的進(jìn)一步延伸，即通過《變壓器》一節(jié)的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生了解到電磁感應(yīng)現(xiàn)象更廣泛的應(yīng)用。另一方面，變壓器本身作為交流電路中一種常見的電器設(shè)備，是遠(yuǎn)距離輸送交變電流不可缺少的裝置，本節(jié)的學(xué)習(xí)將為下一節(jié)《電能的輸送》的學(xué)習(xí)奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2? ? 學(xué)情分析

2.1? ? 知識基礎(chǔ)

高二學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，已經(jīng)掌握了電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)定律、自感現(xiàn)象等相關(guān)知識，也了解了交變電流的特點(diǎn)。因此，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)該圍繞著這類知識點(diǎn)展開。一方面，該類知識是深入學(xué)習(xí)《變壓器》一節(jié)必不可少的部分;另一方面，也有利于學(xué)生重溫之前的重要知識點(diǎn)，有助于學(xué)生將知識點(diǎn)串聯(lián)，達(dá)到邏輯性學(xué)習(xí)的目的。

2.2? ? 心理特點(diǎn)

心理分析對于教學(xué)設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。高二學(xué)生有很強(qiáng)的求知欲，并且對與生活緊密聯(lián)系的事物很感興趣。變壓器作為生活中十分常見的器件，可有效引發(fā)學(xué)生的興趣。但如果只單純地通過講解可拆變壓器或者介紹大型變電站的變壓器，不利于學(xué)生興趣的激發(fā)和思維的發(fā)散。所以，在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，利用身邊一些“不起眼”的變壓器，通過教師的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和認(rèn)知興趣[1]。

2.3? ? 認(rèn)知困難

僅僅通過知識基礎(chǔ)和學(xué)生心理特點(diǎn)的分析還不足以完成學(xué)情分析。教師應(yīng)當(dāng)充分了解學(xué)生在認(rèn)知上的難點(diǎn)，并逐點(diǎn)擊破，在保證教學(xué)質(zhì)量的同時達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。注意到學(xué)生科學(xué)思維的能力仍存在不足，在理論推導(dǎo)方面會遇到一定的困難。因此，本文的教學(xué)設(shè)計將圍繞著如何將知識點(diǎn)講“易”、講“懂”、講“透”開展，引導(dǎo)學(xué)生順利理解理論的概念，并熟練掌握公式的推導(dǎo)。

3? ? 教學(xué)設(shè)計與安排

3.1? ? 教材編排

本文選擇的粵教版教材中，編寫人員依據(jù)課標(biāo)的要求，在編排上首先通過在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要改變交流電流的電壓入手，從而引入改變交變電壓的設(shè)備——變壓器;接著，從實(shí)驗(yàn)用可拆變壓器入手，認(rèn)識變壓器的組成;其次，介紹了電路中變壓器的符號以及變壓器的工作原理;隨后，探究變壓器電壓和匝數(shù)的關(guān)系，并引出理想變壓器、升壓變壓器和降壓變壓器;最后，點(diǎn)明變壓器在工作過程中的能量損耗以及理想變壓器中電流和匝數(shù)之間的關(guān)系。

3.2? ? 對教材內(nèi)容的處理

首先，適當(dāng)補(bǔ)充和完善教學(xué)內(nèi)容。教材中并沒有明確給出互感現(xiàn)象的概念，導(dǎo)致學(xué)生理解時產(chǎn)生困難。為了使學(xué)生更加充分地認(rèn)識互感現(xiàn)象，本文結(jié)合動畫對產(chǎn)生互感現(xiàn)象的過程進(jìn)行逐步引導(dǎo)和講解。

其次，增加利用法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)理想變壓器基本規(guī)律的過程?？紤]到在教材中并沒有給出理論推導(dǎo)過程，而這一內(nèi)容又是考試的重點(diǎn)，同時也是下一內(nèi)容“遠(yuǎn)距離輸電”的基礎(chǔ)。因此，特意增設(shè)了這一教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生解決遠(yuǎn)距離輸電的問題。

3.3? ? 教學(xué)重難點(diǎn)及目標(biāo)分析

本節(jié)知識教學(xué)的重點(diǎn)是通過理論推導(dǎo)得出變壓器原、副線圈兩端電壓與匝數(shù)的關(guān)系。隨后的課堂內(nèi)容設(shè)計將圍繞著這部分進(jìn)行展開。

本節(jié)的難點(diǎn)在于變壓比關(guān)系的推導(dǎo)和理解。針對這一問題，本節(jié)課將融入實(shí)驗(yàn)探究，來幫助學(xué)生克服這一教學(xué)難點(diǎn)。

在新課改后，原有的三維目標(biāo)變成了核心素養(yǎng)，因此對于教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)從“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個部分出發(fā)[2]。對于物理觀念部分，學(xué)生要知道變壓器的構(gòu)造及工作原理，要理解互感現(xiàn)象。對于科學(xué)思維部分，應(yīng)通過對可拆變壓器構(gòu)造的分析，構(gòu)建變壓器的結(jié)構(gòu)模型。并通過已有的知識，推導(dǎo)理想變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)之間的關(guān)系[3]。對于科學(xué)探究部分，通過實(shí)驗(yàn)探究變壓器原、副線圈電壓和匝數(shù)的關(guān)系。而對于最后一點(diǎn)——科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面，則通過對變壓器的利弊進(jìn)行分析，同時了解變壓器在生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生感受物理、技術(shù)、社會的緊密聯(lián)系，使學(xué)生逐步形成STSE意識。

4? ? 教學(xué)過程

本文設(shè)計的課堂教學(xué)過程總共分為6個環(huán)節(jié)，耗時控制在40分鐘左右。每個環(huán)節(jié)都要求教師與學(xué)生進(jìn)行交流和互動，并以設(shè)置問題的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、推導(dǎo)和動手實(shí)踐[4]。

4.1? ? 課堂引入

教師讓學(xué)生觀察桌面上用電器的額定電壓分別為多少，如圖1所示。利用用電器額定電壓和家庭電路中電壓的不同，提出疑問，引出本節(jié)課所要學(xué)習(xí)的變壓器[5]。

■

圖 1? ?桌面上的常見用電器樣例

師：桌面上用電器的額定電壓分別為多少？

生：（在經(jīng)過翻查后回答）20 V、5 V、6 V。

師：為什么這些用電器接入家庭電路中還能正常工作？

生：（思考）

該部分的設(shè)計意圖：通過學(xué)生自己動手發(fā)現(xiàn)我們?nèi)粘Ｉ钪幸恍┏Ｒ姷挠秒娖鞯念~定電壓并不是220 V，從而使他們認(rèn)識到變壓器在日常生活中的普遍性和必要性，最后帶著問題進(jìn)入課堂。

4.2? ? 觀察結(jié)構(gòu)，引發(fā)思考

教師向?qū)W生展示日常生活中的變壓器的圖片和手機(jī)充電插頭里面的變壓器，引導(dǎo)學(xué)生觀察可拆變壓器的結(jié)構(gòu)，包括原線圈、副線圈和閉合鐵芯。實(shí)驗(yàn)用可拆變壓器如圖2所示。從不同種類的變壓器到可拆變壓器，再到示意圖，最后到符號，這也就是變壓器結(jié)構(gòu)模型建立的完整過程。通過實(shí)物展示和圖片展示，讓學(xué)生對變壓器有初步的、感性的了解。

■

圖 2? 實(shí)驗(yàn)用可拆變壓器

在了解變壓器的結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步思考：副線圈中的小燈泡在原線圈接入直流電的情況下，能否被點(diǎn)亮。

師：原、副線圈中的電路相通嗎？

生：不相通。

師：給原線圈通直流電，副線圈回路中的小燈泡會亮嗎？

生：不亮。

該部分的設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生在已有的知識上思考，同時也為接下來制造認(rèn)知沖突做鋪墊。

4.3? ? 對比實(shí)驗(yàn)，觀察分析

本文自制了變壓器教學(xué)儀器，如圖3所示。教師將原線圈接直流電驗(yàn)證猜想。引導(dǎo)學(xué)生思考使燈泡持續(xù)發(fā)亮的方法。該階段教師應(yīng)解釋原線圈接直流電的情況下，開關(guān)閉合瞬間小燈泡會閃亮一下的原因。

■

圖 3? 自主設(shè)計的變壓器教具

師：直流電產(chǎn)生的是不變的磁場，所以通過副線圈的磁通量只有在開關(guān)閉合的瞬間發(fā)生改變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是小燈泡閃亮了一下，這與學(xué)生原有的認(rèn)知（小燈泡不會亮）產(chǎn)生沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

隨后，通過原線圈接交流電能使燈泡發(fā)亮（如圖4所示），得出變壓器的概念：變壓器是改變交變電壓的設(shè)備。

■

圖 4? ?教具接上交流電時的效果

師：同學(xué)們有沒有辦法幫老師持續(xù)點(diǎn)亮這盞燈泡呢？

生：接交流電。

師：（強(qiáng)調(diào)）變壓器是改變交變電壓的設(shè)備，并不能改變直流電壓。

生：回想變壓器的組成（并思考）。

這部分的設(shè)計意圖：希望學(xué)生在聽老師講解完原線圈接直流電，燈泡會閃亮一下的原因后，結(jié)合之前學(xué)過的交變電流的特點(diǎn)，思考讓小燈泡常亮的方法，從而鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力。

4.4? ? 實(shí)驗(yàn)探究，歸納分析

4.4.1? ? 實(shí)驗(yàn)探究

因?yàn)樽儔浩魇歉淖兘蛔冸妷旱脑O(shè)備，從而進(jìn)一步探究影響變壓器原、副線圈電壓之比的因素。

師：變壓器原、副線圈電壓之比與哪些因素有關(guān)？

生：可能與變壓器原、副線圈的匝數(shù)有關(guān)。

隨后，利用可拆變壓器和自制電路演示儀進(jìn)行定量探究：

①n1、n2一定，U1對U2的影響。

②U1、n1一定，n2對U2的影響。

③U1、n2一定，n1對U2的影響。

教師利用可拆變壓器進(jìn)行演示，如圖5所示，分別改變輸入電壓、原線圈匝數(shù)、副線圈匝數(shù)，觀察副線圈電壓的示數(shù)，并且請一位學(xué)生上臺在Excel表格中記錄數(shù)據(jù)。

■

圖 5? 教師演示實(shí)驗(yàn)

4.4.2? ? 歸納分析

分析誤差產(chǎn)生的原因：原、副線圈中存在的電阻在通電時會發(fā)熱產(chǎn)生能量損耗，鐵芯在反復(fù)磁化時發(fā)熱產(chǎn)生能量損耗，此外，還有漏磁引起的損耗。從而引出理想變壓器。

師：物理是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，既然實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤差，我們就要分析誤差的來源是什么。

生：原、副線圈中存在電阻，鐵芯在磁化的過程中有渦流現(xiàn)象會產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致能量損失。

這部分的設(shè)計意圖：在特定的情況下，需要考慮誤差的來源，以此來培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識。

4.4.3? ? 演示實(shí)驗(yàn)

演示鐵芯從不閉合到閉合的過程，讓學(xué)生觀察小燈泡的亮暗變化[6]（如圖6所示）。從而引導(dǎo)學(xué)生想到造成誤差的一個原因是漏磁。

■

圖 6? 教師演示實(shí)驗(yàn)

該部分的設(shè)計意圖：

使學(xué)生由已學(xué)的知識想到產(chǎn)生誤差的兩個原因分別是：原、副線圈電阻的存在和渦流產(chǎn)生的熱能損失。但是，學(xué)生很難想到由于漏磁產(chǎn)生的能量損失，所以設(shè)計了這一演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考和分析。

4.4.4? ? 得出結(jié)論

最后，通過法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出理想變壓器的電壓與匝數(shù)之間的關(guān)系，并得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，原、副線圈的電壓比等于原、副線圈的匝數(shù)比。實(shí)驗(yàn)和理論分析都表明，對理想變壓器來說，原、副線圈的電壓之比等于兩個線圈的匝數(shù)之比，即為公式（1）所示。

■=■ （1）

對公式（1）進(jìn)行分析，可讓學(xué)生得出結(jié)論：當(dāng)n2>n1時，U2>U1，變壓器使電壓升高，這種變壓器叫做升壓變壓器;當(dāng)n2

4.5? ? 理論推導(dǎo)，拓展提高

4.5.1? ? 理論推導(dǎo)

理論推導(dǎo)理想變壓器的基本規(guī)律。功率關(guān)系如公式（2）所示，變流規(guī)律如公式（3）所示。

P■=P■（2）

■=■（3）

師：理想變壓器原線圈的輸入功率與副線圈的輸出功率有什么關(guān)系？

生：輸出功率和輸入功率相等。

4.5.2? ? 拓展提升

從理想變壓器只有一個副線圈，拓展到原線圈有一個、副線圈有多個的情況，分別得出功率關(guān)系、變壓規(guī)律和變流規(guī)律。分別如公式（4）（5）（6）所示。

P■=P■（4）

■=■=■（5）

n1I1=n2I2+n3I3（6）

該部分的設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生利用原有知識解決新問題的能力，讓學(xué)生體會到學(xué)以致用的喜悅，并且使學(xué)生的知識得以升華。

4.6? ? 利弊分析，課后任務(wù)

教師展示帶有USB插頭的插座，介紹變壓器帶來的便利。插座如圖7所示，插座拆開后有一個小型變壓器。

■

圖 7? 帶USB插頭的插座

接著，教師可以列舉近年來因變壓器燒壞而引起的災(zāi)害，闡述變壓器燒壞后給人們生活帶來的不便。

該部分的設(shè)計意圖：通過介紹變壓器給我們生活帶來的便利和危害，讓學(xué)生感受物理、技術(shù)、社會的緊密聯(lián)系，再一次體現(xiàn)“緊密聯(lián)系生活”的教學(xué)設(shè)計中心思想。

同時，教師應(yīng)留下課后任務(wù)，鼓勵學(xué)生自主分析、解決問題。

例如，請同學(xué)們自行查找避免變壓器產(chǎn)生危害的方法。

5? ? 結(jié)束語

本文通過對教材的分析解讀、學(xué)生學(xué)情的分析以及教學(xué)重難點(diǎn)的剖析，設(shè)計了《變壓器》的教學(xué)內(nèi)容和配套的教具。把教學(xué)內(nèi)容所涉及的元器件（如電容、電感、變壓器等）帶到課堂中，讓學(xué)生實(shí)際接觸它們，由此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們更好地掌握知識點(diǎn)。教師們可以通過本文介紹的教學(xué)流程，加以自己的理解和補(bǔ)充，完善該門課程的教學(xué)，讓學(xué)生更好地掌握“變壓器”的工作原理和公式推導(dǎo)，并對生活中常見的變壓器有明確的認(rèn)識和理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]田成良， 李寶才. 密切聯(lián)系生活聚焦核心素養(yǎng)——2018年高考理綜新課標(biāo)卷Ⅰ物理第24題評析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（8）：21-23.

[2]馬骎. 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計改革[J].教育理論與實(shí)踐， 2018，38（17）：7-9.

[3]王學(xué)斌.變壓器與交流輸電原理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考， 2017，46（5X）：90.

[4]孫蘋蘋，高嵩. “變壓器”教學(xué)過程設(shè)計[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（13）：38-41.

[5]魯信.以問題為主線構(gòu)建創(chuàng)生課堂的實(shí)踐探索——以“變壓器”變壓比的教學(xué)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（7）：12-14.

[6]韓志祥.突破“變壓器”教學(xué)難點(diǎn)新探索[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014，43（8）：24-26.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）