深度学习视角下的高中物理建模教学设计——以“变压器”建模为例

赵绍明

（厦门市海沧中学，福建厦门 361026）

1 问题背景

深度学习是一种基于学习主动参与和理解的学习，是在教师的引领下，学生围绕具有相关的学习主题，积极参与课堂从而获得学习过程.深度学习是以发展学生的高阶思维和培养学生解决问题为目标的高层次的学习方式，更强调学生对知识和规律的深度的理解与运用，在学习的过程中培养学生独立思考、合作精神以及批判性思维.［1］

深度建模是在物理建模的基础上，通过实际应用达到理解模型，最终实现拓展模型，是建模能力的高阶体现.

变压器是日常生活中的重要器件，是对电磁感应现象的进一步延伸，不仅是电磁感应现象的具体应用，亦是远距离输电的重要装置.《普通高中物理课程标准（2017版）》对本节课的要求为通过实验探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系，培养学生基于证据推理素养.该节的教学不仅是培养学生深度运用电磁感应定律解决问题，更能让学生通过过程体验培养学生建模能力，从建模走向深度建模.［2］

2 学情分析（表1）

表1

3 教学目标（表2）

表2

4 教学流程（图1）

图1 “深度学习”变压器建模教学实践

5 教学过程

5.1 激趣实验，引入模型

教师展示连着小灯泡的线圈（图2），让学生讨论如何让小灯泡发光，发散学生的思维.

图2 激趣实验，隔空取电

学生1：使用电池、发电机、充电宝、充电器等为小灯泡供电.

学生2：可以用磁铁切割磁感线.

教师让学生演示切割磁感线，虽然学生在不停地切割磁感线，小灯泡并没有发光，引导学生思考小灯泡没有发光的原因.

学生：电流太小，所以小灯泡没有亮.

教师展示：将线圈套在一个铁柱上，铁柱下面被纸盒包裹，制造神秘感，发现小灯泡亮起来了，同学们发出惊叹之声.

问题：小灯泡没有接电源也没有切割磁感线，小灯泡的电来自哪里？

带着这些疑问，教师拆开盒子向学生展示隔空取电装置，装置仅由一个线圈和铁芯组成.教师引入变压器概念，讲解变压器的作用，并让学生寻找生活中的变压器.

评价：通过激趣实验激发学生的学习热情，引发学生对实验原理的思考.学生在演示的时候会发现，切割磁感线不一定能使小灯泡亮起来，线圈静止一样的能实现目的.实验不仅激发学生的学习兴趣，更给学生带来新的思考，引发思维的深度.

5.2 讨论分析、建立模型

随后教师展示一些生活中常见的充电器和废旧音箱充电器的内部结构，并让学生拆解桌面上的可拆卸式变压器，让学生认识变压器的基本组成：线圈、铁芯（图3）.

图3 变压器示意图、符号

学生通过动手拆解，知道变压器的基本构造，真正熟悉变压器的组成.在拆解的同时教师适当引导学生思考各元件的作用，引发学生思考，为后续的教学做好铺垫.

评价：学生在拆解的时候会发现变压器的原、副线圈并没有直接相连，但是却能实现电能的传输.学生思维存疑时刻正是提升学生思维、实现思维进阶的重要时机.学生从实物图，到变压器示意图，在到变压器符号，学生经历抽象、简化、建模一系列过程，最终构建物理模型基本的“型”.通过一系列的课程活动，让学生在行动中思和悟，达到对变压器经验认识的经验层级，具有一定初步的、感性的了解.在拆解的过程中，教师可以引导学生思考铁芯的作用是什么？为什么两个线圈没相连却能传输电？学生带着疑问进入后面的学习，再通过探究答疑解惑理解更加深刻.

5.3 探究推理，理解模型

通过上述环节的学习，学生已经知道了变压器的基本构造，但是对各元件的作用以及变压器的工作原理还不知晓.通过此环节的探究，让学生理解变压器的工作原理，构建知识图序.

教师：同学们，在之前的实验中，将线圈套在铁芯上，小灯泡就能发光，如果将铁芯抽出，会有什么现象呢？

通过实验，发现小灯泡不发光，引导学生思考铁芯的作用.在此基础上教师再次设问：如果把电源换成电压相等的直流电（注意实验仪器的安全性），小灯泡还能亮吗？

教师：通过刚才的两个实验，发现没有铁芯小灯泡不会发光，将电源换成直流电，小灯泡也不会发光.

问题：铁芯的作用是什么？为什么在直流的情况下小灯泡不能发光？

评价：学生在以上实验中体会铁芯的作用，通过实验再结合自感与互感知识进一步阐述变压器的原理，让学生从磁的角度和能量的角度分别理解变压器的工作原理.让学生绘制工作原理图，实现思维可视化.可以让学生进一步实验，在变压器通电和不通电情况下提起铁芯的难易程度，从而引导学生理解变压器的铁芯的聚磁作用，学生知道组成元件，更能进一步理解线圈和铁芯的作用，为后面的理解模型打下基础.

感悟：学生活动体验下获得的感悟比教师的讲述更加深刻，学生从“行动”到“知识”，最终达到“感悟”，在此过程中，思维层次逐级提升，真正实现思维进阶.

5.4 探究变压器原、副线圈的电压关系

教师：通过之前的学习，大家已经了解了变压器的工作原理，请同学们结合之前的实验猜测变压器的输出电压可能跟那些因素有关？

学生：跟输入电压、原副线圈的匝数有关.

教师：如何探究副线圈电压U2和原线圈电压U1、原线圈匝数n1、副线圈匝数n2之间的关系呢？

学生：控制变量法.

学生结合桌面上给定的实验器材，分组讨论，并设计实验方案.教师巡查，指导学生对实验方案进行可行性论证.教师提醒实验的注意事项，指导学生完成实验操作，并收集学生的实验数据，记录在表3中，并画出图4.

表3

图4 变压器原、副线圈电压

学生：实验存在一定的误差，测量、读数会产生一定的误差，实验过程中铁芯、线圈发热也会有一定的能量损失.

评价：学生通过抽象、简化、实验探究、证据推理、分析交流等过程，从实际的变压器转化到理想变压器模型.学生经历探究过程，在过程中落实劳动教育，培养学生探究能力与证据推理素养.通过实验结论，学生能发现实验的结果与理想的情况确有一定的差别，但是差别不大，已经非常接近理想型模型，再经理想化假设便自然的过渡到理想化模型.

感悟：引导学生建模需要建立在学生的认知层次上，当下的物理教学一直都在提倡提升学生的建模能力，此过程正是提升建模能力的好契机.理想模型“理想”在哪里？条件是什么？与真实情况有多大的区别？这些问题需要学生通过实验才能深刻体会.只有让学生真正的地理解理想化模型，才有更好的构建理想模型.通过真实情境和真实问题，培养学生灵活运用知识解决问题的能力，学生在问题解决的过程中深度理解知识，体会深度学习的价值和意义

5.5 发散思维，拓展模型

5.5.1 让充电器的体积更小

通过上一个环节的实验探究，学生已经知道变压器工作原理和原副线圈电压的规律.本环节将拓展学生思维，加强学生对电磁感应定律和变压器模型的认知.

教师展示给学生老式音箱电源和新式手机充电器（图5），学生发现虽然二者的输出电压都差不多，但是体积和重量相差很多.

图5 音箱电源与手机充电器

问题：如何在不影响电压的情况下将充电器的体积变小？

学生纷纷作答，减少线圈的匝数、将铜线变细、减小铁芯的质量等实验方案，教师针对学生的回答，帮助分析，引导学生寻找解决问题的思路.

教师：非常好，让磁场变化得更快，那么需要改变输入的交流电的哪个参数？

学生：就是提高频率.

教师：教师展示手机充电器的电路板，指出手机充电器里就是通过高频开关电路，把交变电流的频率从50 Hz提高到高频，从而让变压器变得更加轻小.

评价：物理学习的最大魅力就是运用物理知识解决实际问题，从物理走向社会.从问题最本质的地方出发寻找解决问题的思路，教会学生的不仅是本节内容的知识点，更是学会分析问题的方法.学生通过本环节的拓展，体会到变压器知识在生活中的妙用，转换思路，就能给生活带来许多便利，也间接的鼓励学生多思考实践.

5.5.2 让普通手机无线充电

教师：在前面的小魔术中，将线圈套在铁柱上，线圈可以发光，现在教师将展示线圈的另一种发光方式.

教师展示一个无线充电手机面板，将线圈放在面板上，发现线圈也能发光（图6）.

教师：请同学们思考无线充电面板中的可能具有的构造.

学生：一定存在一个线圈.

教师：现在同学们大胆设想，如果把小灯泡换成数据线，能否利用这个装置对手机实现无线充电？

学生兴致勃勃的讨论可行性，有些学生觉得电压不够大不能充电，有的同学觉得得到的是交流电可能会烧坏手机，课堂氛围得到极大的调动.

教师：现在一部旧手机放在无线充电面板上，发现不能充电.为什么手机不能被充电？

学生：手机不是无线充电型号，不能无线充电.

教师将一个线圈（无线充电贴片）接在手机上面，放在无线充电面板上（图6），学生惊奇地发现不能无线充电的手机竟然能实现无线充电，都感到无比神奇.此时教师可以通过一些列问题引导学生实现思维拓展.

图6 无线充电及电路

教师展示所施加的神器，构造非常简单，却能实现无线充电.

教师：无线充电更加便捷，不需要铁芯，那无线充电的基本原理是什么呢？

教师展示无线充电的电路图，并讲解无线充电的原理.发射线圈和受电线圈间虽然没有铁芯，但发射线圈中产生变化的磁场也能传送到接收线圈，由电磁感应原理，接收线圈中就产生了感应电动势，便能对手机实现无线充电.

评价：通过简单的改造对普通手机无线充电，破除学生对无线充电的好奇和疑惑，也让学生进一步理解电磁感应.小小的改动却对学生的创新思维有大大的提升，学生不仅惊叹物理实验之奇，也在改进中顿悟出物理知识之妙，对物理的学习更增兴趣.

从有线充电到无线充电的改进，学生不仅能更加深刻的理解电磁感应定律，更是从传统变压器模型过渡到无线充电模型，打破学生对变压器模型的固定思维，实现模型拓展和深度建模.在此过程中，学生更进一步的感受到电磁感应现象的神奇，对电磁感应的理解的更加深刻，促进学生从多角度的思考和解决问题.

5.5.3 对未来美好生活的期待

通过前面的拓展和发散，学生的思维已经非常活跃，在此基础上教师可以让学生讨论变压器在生活中的进一步应用.

学生1：可以把电压变得更高，用于生活生产.

学生2：可以对现在的新能源汽车进行无线充电，解决充电难的问题.

学生3：在家、办公室等地方实行一对多无线充电.

……

学生开动思维，探讨可行性向方案，并感受到物理推动科技的进步，物理创造更美好生活，大国重器在祖国发展中的重要作用，培养学生的家国情怀.

6 教学反思

本节课的教学，以变压器模型建构和使用为主线，以解决问题出发点，以素养提升为目的，最终实现深度建模.在教学过程中，既注重学生的“学会”和知识的“生成”，让学生在行动体验中体会知识的形成，实现思维进阶.学生参与建模，并且熟悉物理建模的具体流程（图7），为其他物理模型的建构和拓展提供了思路.

图7

学生通过本节课的学习和探究，不仅全方位的了解变压器，体验了从有线充电到无线充电的改进，对电磁感应有更深的理解，这正是深度学习的魅力所在.学生过程体验下的建模教学，不仅从建模走向深度建模，从单一知识到单元知识，帮助学生成长为与时俱进、不断发展、不断完善的人.