指向物理深度学习的逆向教学设计与实施*——以“变压器”教学为例

□任虎虎

（江苏省太仓高级中学，江苏太仓 215411）

一、逆向教学设计和物理深度学习的内涵

（一）逆向教学设计的内涵

逆向教学设计注重“以终为始”，先确定预期结果，再确定合适的评估证据，最后设计学习活动.倡导围绕大目标、大概念和基本问题组织课程内容；围绕可迁移应用的真实性评估任务来设计和组织教学，以获得对所学知识的深度理解，达到能解释、能阐明、能应用、能洞察、能移情和能自知六个维度.逆向教学设计要让学生理解为什么要学习这些内容，预期的学习目标和表现是什么，学生根据反馈信息，重新尝试和完善学习过程，鼓励学生进行自我评价和批判性反思.

（二）物理深度学习的内涵

物理深度学习是指在物理学习过程中以高阶思维、思维品质为目标，以深度理解为基础，以整合的知识为内容，经过还原与下沉、经验与探究、反思与上浮环节，让学生全身心参与物理知识的发生与发展过程，浸润物理文化，并批判性地吸收和利用所学知识与方法解决真实问题的高投入学习.

通过比较不难发现两者都强调：深度理解和高阶思维发展；迁移应用和真实问题解决；意义建构和批判性反思；基本问题和大概念形成；及时反馈和核心表现任务.

二、指向物理深度学习的逆向教学设计

《追求理解的教学设计（第二版）》一书[1]提供了UbD(Understanding by Design)逆向教学设计框架，该框架共分为三个阶段：阶段1——预期结果；阶段2——评估证据；阶段3——学习计划.

表1是基于UbD逆向框架对人教版“变压器”一节进行的教学设计.

三、指向物理深度学习的逆向教学实施过程

笔者依据深度学习理念和逆向教学设计框架，确定了“变压器”教学的实施过程.

（一）情境与问题 有效激发学习的热情

【教学片段1】

提供一节家用的日光灯管和四节干电池与一个开关.

表1 基于UbD 逆向框架的“变压器”教学设计

师：这四节干电池能否让日光灯发光呢？为什么？

生1：不可以，因为四节干电池只能提供6V 电压，而日光灯的额定电压为220V，差得太多了.

实验演示：连接好电路后，直接将开关闭合，发现灯管确实不亮.

师：现在老师只用一个秘密电学元件（非电源）就能让日光灯管发光，你们信吗？

按照如图1 所示，将秘密元件接入电路，闭合开关，过一会再断开开关.

图1 自制灯管发光装置原理图

师：大家观察到什么现象？请说一说.

生2：看到灯管会闪亮.

师：什么时候灯管会亮？再演示一遍，请大家仔细观察.

生3：在开关闭合和断开时灯管会闪亮，开关闭合稳定后灯管不亮.

接下来利用一根钢锯条代替开关，原来连接开关一端的导线的夹子直接夹在钢锯条背上，让连接开关的另一个导线的夹子在锯齿上来回移动，观察到灯管断断续续发光.

师：说明这个秘密元件有什么作用？

生4：说明这个秘密元件在电流变化时能改变电压.

师：导线的夹子在锯齿上来回移动对电路有什么影响？

生5：电路一会儿接通，一会儿断开.

师：对此大家有什么疑惑吗？

生6：为什么只有在电流变化时才能改变电压？

【教学意图】通过创设与学生生活紧密联系的实验情境，激发学习热情，基于对比实验，引导学生提出有研究价值的挑战性问题.

（二）观察与分析 认识结构和理解原理

【教学片段2】

四名学生组成一个小组，每小组提供一个可拆式变压器，如图2所示.

图2 可拆式变压器

师：请仔细观察并研究其主要结构是什么.

生1：主要由一个闭合铁芯和两个彼此绝缘的线圈组成.

师：大家还有什么发现吗？

生2：每个线圈上都有几个不同的接线柱.

师：很好，这个代表不同的匝数，这里的2就代表200匝，还有吗？

生3：从侧面看，铁芯（横梁）是由一层一层叠加组成的.

师：大家观察非常仔细，这是硅钢片，待会我们介绍其作用.两个线圈和一个铁芯组成的变压器是如何实现变压的呢？请小组交流讨论一下.

生4：一个线圈产生的磁场会通过另一个线圈，引起磁通量发生变化，从而产生感应电动势，这是互感现象.

师：变压器能改变恒定电流的电压吗？为什么？

生5：不行，因为恒定电流产生恒定的磁场，不会引起另一个线圈的磁通量发生变化.

师：大家现在能不能解释课前日光灯管发光的原因？

生6：因为电源是干电池，恒定电流，在开关闭合或断开瞬间，电流才会变化，磁通量会变化，从而在副线圈两端产生感应电动势.

【教学意图】通过学生的小组合作，引导学生根据已学知识——互感现象，解释变压器工作原理，与其结构建立联系，强化结构决定功能的观念，也有助于评估学生对已学知识的掌握情况.

（三）实验与理论 探究变压器变压规律

【教学片段3】

让学生再观察可拆式变压器.

师：结构决定功能，大家猜想变压器的输出电压可能与哪些因素有关.

生1：可能与变压器的输入电压、原线圈匝数、副线圈匝数有关.

师：输出电压与三个因素有关，如何设计实验方案进行研究呢？

生2：控制变量法.方案一：控制输入电压和原线圈匝数不变，研究输出电压和副线圈匝数的关系；方案二：控制原线圈匝数和副线圈匝数不变，研究输出电压和输入电压的关系；方案三：控制输入电压和副线圈匝数不变，研究输出电压和原线圈匝数的关系.

师：根据提供的实验器材（学生电源、导线、滑动变阻器、开关、两个数字万用表）连接电路，进行实验探究.

由于时间关系，将12 个小组分成三个大组，四个小组为一个大组，分别根据方案一、二和三进行实验研究，如图3 所示.将数据记录在导学单的表格中，并根据测量的五组数据在导学单中做出相应的图象.

图3 学生小组实验

师：请每个大组派一名代表上台展示你们的研究结果以及得出的结论。

生1：我们小组发现在输入电压和原线圈匝数不变时，输出电压和副线圈匝数的图象是一条过原点的倾斜直线，说明输出电压和副线圈匝数成正比.

生2：我们小组发现在原线圈匝数和副线圈匝数不变时，输出电压和输入电压的图象是一条过原点的倾斜直线，说明输出电压和输入电压成正比.

生3：我们小组发现在输入电压和副线圈匝数不变时，输出电压和原线圈匝数的图象是条曲线，有点像反比例函数图象.

师：如何进一步直观地验证是不是反比例函数图象？

学生作图后发现在输入电压和副线圈匝数不变时，输出电压和原线圈匝数的倒数是一条过原点的直线，说明输出电压和原线圈匝数成反比.

师：大家请将上面的内容进行归纳，得出输出电压的计算公式.

师：系数k等于多少呢？请大家根据测量数据代入一组进行计算.

不同小组得出的结果不同，k大概在0.88到0.94之间.

师：k到底是多少呢？大家不妨从理论角度进行探究.

根据法拉第电磁感应定律得出：

师：实验测出的系数k为什么不等于1呢？

生6：刚才我们小组在实验时，感觉线圈比较热，说明有能量损失.

师：很好，还有吗？

生7：铁芯也有点热，有能量损失.

师：这是什么现象？

生8：涡流现象.

师：很好，为了减少涡流现象造成的能量损失，铁芯采用硅钢片制成，这就是大家前面发现的.接下来请大家将上面可移动的铁芯（横梁）慢慢向左移开，通过数字万用表观察输出电压变化，说说你得出的结论。

生9：观察到输出电压慢慢减小，说明铁芯能够传递磁场.

生10：还有如果横梁和下面的铁芯接触不良，就会漏磁，会造成k不等于1.

【教学意图】通过实验探究和理论探究相结合，让学生小组合作，并借助有效问题驱动，引导学生揭示变压器的变压规律，并对实验的系统误差进行分析，为建立理想变压器模型打下基础.

（四）建模与应用 理解理想变压器特点

【教学片段4】

接下来引导学生建立理想变压器模型.

师：有电压和电流，就有电能.原线圈输入的电能和副线圈输出的电能相等吗？为什么？

生1：不相等，因为线圈和铁芯有热量损失，还有漏磁，所以输入的电能（电功率）大于输出的电能（电功率）.

师：理想变压器有什么特点？

师：根据这两个公式还可以得出什么规律？

师：很好.现在有一实际问题：在郊区经常能看到很多高压输电线，高压输电线的电压一般在几十万伏特，为了保证用户电压稳定和用电安全，需要检测高压输电线的电压，这么高的电压如何测量其电压和电流呢？

【教学意图】基于分析抓住主要因素、忽略次要因素，帮助学生建立理想化模型.通过创设待解决的真实问题，引导学生将课堂上所学知识和方法灵活迁移到生活中，评估学生对物理知识和思维方法的理解程度，体会学习的价值和意义.

逆向教学设计框架为我们提供了一种全新的教学设计视角，其充分体现了以“学习者为中心”的思想，让教师真正成为学生学习的设计师.逆向教学设计关注大概念、基本问题和有效评估，以及聚焦的、目标清晰的学习计划，能促进对知识本质的理解、知识结构的意义联结，达到深度学习的目的.