紧密联系生活的渐进式实验教学设计

胡嘉莹 陈振东 张军朋

摘   要：变压器是生活中常见的一种器件，与之相关的知识也是高中物理教材要求学生必须掌握的内容。文章在教材分析、学生学情分析以及教学内容重难点剖析的基础上，设计了该节课程的完整教学流程。本节课的中心思想是联系生活中的各种变压器，进而循序渐进地让学生体会变压器模型的构建过程。同时，通过自制教具和探究实验，激发学生的学习兴趣，制造认知冲突，使学生对变压器有更深刻的理解。

关键词：联系生活;渐进式教学;教学流程;自制教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0026-5

物理实验教学的目的在于让学生更有兴趣地进行探究，更好地掌握相应的知识点。因此，在实验教学课程设计方面应当紧密联系生活，让物理教材中的理论知识和生活实际相结合，循序渐进地通过实验和教具引导学生独立思考。本文提出的以“变压器”为例子的教学背景分析和教学过程设计，也能给同样类型的课（如电容、电感等）一定的教学启示。

1    课程背景分析

教材选自高中物理粤教版选修模块3-2的第二章第六节，教学对象为高二学生，教学内容为“变压器”。课标对本节课的要求是：通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系;观察常用的变压器，了解其作用。

这一节在内容上前后呼应，一方面是上一章《电磁感应》教学的进一步延伸，即通过《变压器》一节的学习可以使学生了解到电磁感应现象更广泛的应用。另一方面，变压器本身作为交流电路中一种常见的电器设备，是远距离输送交变电流不可缺少的装置，本节的学习将为下一节《电能的输送》的学习奠定坚实的基础。

2    学情分析

2.1    知识基础

高二学生在学习本节内容之前，已经掌握了电流的磁效应、电磁感应定律、自感现象等相关知识，也了解了交变电流的特点。因此，教学内容的设计应该围绕着这类知识点展开。一方面，该类知识是深入学习《变压器》一节必不可少的部分;另一方面，也有利于学生重温之前的重要知识点，有助于学生将知识点串联，达到逻辑性学习的目的。

2.2    心理特点

心理分析对于教学设计有重要的指导意义。高二学生有很强的求知欲，并且对与生活紧密联系的事物很感兴趣。变压器作为生活中十分常见的器件，可有效引发学生的兴趣。但如果只单纯地通过讲解可拆变压器或者介绍大型变电站的变压器，不利于学生兴趣的激发和思维的发散。所以，在教学过程中应当充分发挥演示实验的作用，利用身边一些“不起眼”的变压器，通过教师的引导，激发学生的求知欲和认知兴趣[1]。

2.3    认知困难

仅仅通过知识基础和学生心理特点的分析还不足以完成学情分析。教师应当充分了解学生在认知上的难点，并逐点击破，在保证教学质量的同时达成教学目标。注意到学生科学思维的能力仍存在不足，在理论推导方面会遇到一定的困难。因此，本文的教学设计将围绕着如何将知识点讲“易”、讲“懂”、讲“透”开展，引导学生顺利理解理论的概念，并熟练掌握公式的推导。

3    教学设计与安排

3.1    教材编排

本文选择的粤教版教材中，编写人员依据课标的要求，在编排上首先通过在实际应用中经常需要改变交流电流的电压入手，从而引入改变交变电压的设备——变压器;接着，从实验用可拆变压器入手，认识变压器的组成;其次，介绍了电路中变压器的符号以及变压器的工作原理;随后，探究变压器电压和匝数的关系，并引出理想变压器、升压变压器和降压变压器;最后，点明变压器在工作过程中的能量损耗以及理想变压器中电流和匝数之间的关系。

3.2    对教材内容的处理

首先，适当补充和完善教学内容。教材中并没有明确给出互感现象的概念，导致学生理解时产生困难。为了使学生更加充分地认识互感现象，本文结合动画对产生互感现象的过程进行逐步引导和讲解。

其次，增加利用法拉第电磁感应定律推导理想变压器基本规律的过程。考虑到在教材中并没有给出理论推导过程，而这一内容又是考试的重点，同时也是下一内容“远距离输电”的基础。因此，特意增设了这一教学环节，有利于学生解决远距离输电的问题。

3.3    教学重难点及目标分析

本节知识教学的重点是通过理论推导得出变压器原、副线圈两端电压与匝数的关系。随后的课堂内容设计将围绕着这部分进行展开。

本节的难点在于变压比关系的推导和理解。针对这一问题，本节课将融入实验探究，来帮助学生克服这一教学难点。

在新课改后，原有的三维目标变成了核心素养，因此对于教学目标，应当从“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度與责任”四个部分出发[2]。对于物理观念部分，学生要知道变压器的构造及工作原理，要理解互感现象。对于科学思维部分，应通过对可拆变压器构造的分析，构建变压器的结构模型。并通过已有的知识，推导理想变压器原、副线圈电压与匝数之间的关系[3]。对于科学探究部分，通过实验探究变压器原、副线圈电压和匝数的关系。而对于最后一点——科学态度与责任方面，则通过对变压器的利弊进行分析，同时了解变压器在生活中的应用，让学生感受物理、技术、社会的紧密联系，使学生逐步形成STSE意识。

4    教学过程

本文设计的课堂教学过程总共分为6个环节，耗时控制在40分钟左右。每个环节都要求教师与学生进行交流和互动，并以设置问题的形式引导学生进行思考、推导和动手实践[4]。

4.1    课堂引入

教师让学生观察桌面上用电器的额定电压分别为多少，如图1所示。利用用电器额定电压和家庭电路中电压的不同，提出疑问，引出本节课所要学习的变压器[5]。

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图 1   桌面上的常见用电器样例

师：桌面上用电器的额定电压分别为多少？

生：（在经过翻查后回答）20 V、5 V、6 V。

师：为什么这些用电器接入家庭电路中还能正常工作？

生：（思考）

该部分的设计意图：通过学生自己动手发现我们日常生活中一些常见的用电器的额定电压并不是220 V，从而使他们认识到变压器在日常生活中的普遍性和必要性，最后带着问题进入课堂。

4.2    观察结构，引发思考

教师向学生展示日常生活中的变压器的图片和手机充电插头里面的变压器，引导学生观察可拆变压器的结构，包括原线圈、副线圈和闭合铁芯。实验用可拆变压器如图2所示。从不同种类的变压器到可拆变压器，再到示意图，最后到符号，这也就是变压器结构模型建立的完整过程。通过实物展示和图片展示，让学生对变压器有初步的、感性的了解。

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图 2  实验用可拆变压器

在了解变压器的结构后，进一步思考：副线圈中的小灯泡在原线圈接入直流电的情况下，能否被点亮。

师：原、副线圈中的电路相通吗？

生：不相通。

师：给原线圈通直流电，副线圈回路中的小灯泡会亮吗？

生：不亮。

该部分的设计意图：引导学生在已有的知识上思考，同时也为接下来制造认知冲突做铺垫。

4.3    对比实验，观察分析

本文自制了变压器教学仪器，如图3所示。教师将原线圈接直流电验证猜想。引导学生思考使灯泡持续发亮的方法。该阶段教师应解释原线圈接直流电的情况下，开关闭合瞬间小灯泡会闪亮一下的原因。

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图 3  自主设计的变压器教具

师：直流电产生的是不变的磁场，所以通过副线圈的磁通量只有在开关闭合的瞬间发生改变，从而产生感应电流。

实验结果是小灯泡闪亮了一下，这与学生原有的认知（小灯泡不会亮）产生冲突，激发学生的学习兴趣。

随后，通过原线圈接交流电能使灯泡发亮（如图4所示），得出变压器的概念：变压器是改变交变电压的设备。

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图 4   教具接上交流电时的效果

师：同学们有没有办法帮老师持续点亮这盏灯泡呢？

生：接交流电。

师：（强调）变压器是改变交变电压的设备，并不能改变直流电压。

生：回想变压器的组成（并思考）。

这部分的设计意图：希望学生在听老师讲解完原线圈接直流电，灯泡会闪亮一下的原因后，结合之前学过的交变电流的特点，思考让小灯泡常亮的方法，从而锻炼学生的科学思维能力。

4.4    实验探究，归纳分析

4.4.1    实验探究

因为变压器是改变交变电压的设备，从而进一步探究影响变压器原、副线圈电压之比的因素。

师：变压器原、副线圈电压之比与哪些因素有关？

生：可能与变压器原、副线圈的匝数有关。

随后，利用可拆变压器和自制电路演示仪进行定量探究：

①n1、n2一定，U1对U2的影响。

②U1、n1一定，n2对U2的影响。

③U1、n2一定，n1对U2的影响。

教师利用可拆变压器进行演示，如图5所示，分别改变输入电压、原线圈匝数、副线圈匝数，观察副线圈电压的示数，并且请一位学生上台在Excel表格中记录数据。

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图 5  教师演示实验

4.4.2    归纳分析

分析误差产生的原因：原、副线圈中存在的电阻在通电时会发热产生能量损耗，铁芯在反复磁化时发热产生能量损耗，此外，还有漏磁引起的损耗。从而引出理想变压器。

师：物理是一门严谨的学科，既然实验结果有误差，我们就要分析误差的来源是什么。

生：原、副线圈中存在电阻，铁芯在磁化的过程中有涡流现象会产热，从而导致能量损失。

这部分的设计意图：在特定的情况下，需要考虑误差的来源，以此来培养学生严谨求实的科学态度与责任意识。

4.4.3    演示实验

演示铁芯从不闭合到闭合的过程，让学生观察小灯泡的亮暗变化[6]（如圖6所示）。从而引导学生想到造成误差的一个原因是漏磁。

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图 6  教师演示实验

该部分的设计意图：

使学生由已学的知识想到产生误差的两个原因分别是：原、副线圈电阻的存在和涡流产生的热能损失。但是，学生很难想到由于漏磁产生的能量损失，所以设计了这一演示实验，引导学生思考和分析。

4.4.4    得出结论

最后，通过法拉第电磁感应定律推导出理想变压器的电压与匝数之间的关系，并得出结论：在误差允许的范围内，原、副线圈的电压比等于原、副线圈的匝数比。实验和理论分析都表明，对理想变压器来说，原、副线圈的电压之比等于两个线圈的匝数之比，即为公式（1）所示。

■=■ （1）

对公式（1）进行分析，可让学生得出结论：当n2>n1时，U2>U1，变压器使电压升高，这种变压器叫做升压变压器;当n2

4.5    理论推导，拓展提高

4.5.1    理论推导

理论推导理想变压器的基本规律。功率关系如公式（2）所示，变流规律如公式（3）所示。

P■=P■（2）

■=■（3）

师：理想变压器原线圈的输入功率与副线圈的输出功率有什么关系？

生：输出功率和输入功率相等。

4.5.2    拓展提升

从理想变压器只有一个副线圈，拓展到原线圈有一个、副线圈有多个的情况，分别得出功率关系、变压规律和变流规律。分别如公式（4）（5）（6）所示。

P■=P■（4）

■=■=■（5）

n1I1=n2I2+n3I3（6）

该部分的设计意图：培养学生利用原有知识解决新问题的能力，让学生体会到学以致用的喜悦，并且使学生的知识得以升华。

4.6    利弊分析，课后任务

教师展示带有USB插头的插座，介绍变压器带来的便利。插座如图7所示，插座拆开后有一个小型变压器。

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图 7  带USB插头的插座

接着，教师可以列举近年来因变压器烧坏而引起的灾害，阐述变压器烧坏后给人们生活带来的不便。

该部分的设计意图：通过介绍变压器给我们生活带来的便利和危害，让学生感受物理、技术、社會的紧密联系，再一次体现“紧密联系生活”的教学设计中心思想。

同时，教师应留下课后任务，鼓励学生自主分析、解决问题。

例如，请同学们自行查找避免变压器产生危害的方法。

5    结束语

本文通过对教材的分析解读、学生学情的分析以及教学重难点的剖析，设计了《变压器》的教学内容和配套的教具。把教学内容所涉及的元器件（如电容、电感、变压器等）带到课堂中，让学生实际接触它们，由此来激发学生的学习兴趣，促进他们更好地掌握知识点。教师们可以通过本文介绍的教学流程，加以自己的理解和补充，完善该门课程的教学，让学生更好地掌握“变压器”的工作原理和公式推导，并对生活中常见的变压器有明确的认识和理解。

参考文献：

[1]田成良， 李宝才. 密切联系生活聚焦核心素养——2018年高考理综新课标卷Ⅰ物理第24题评析[J].中学物理教学参考，2018，47（8）：21-23.

[2]马骎. 基于核心素养的教学设计改革[J].教育理论与实践， 2018，38（17）：7-9.

[3]王学斌.变压器与交流输电原理演示实验的教学研究[J].中学物理教学参考， 2017，46（5X）：90.

[4]孙苹苹，高嵩. “变压器”教学过程设计[J].中学物理教学参考，2015，44（13）：38-41.

[5]鲁信.以问题为主线构建创生课堂的实践探索——以“变压器”变压比的教学为例[J].中学物理教学参考，2015，44（7）：12-14.

[6]韩志祥.突破“变压器”教学难点新探索[J].中学物理教学参考，2014，43（8）：24-26.

（栏目编辑    邓   磊）