深入挖掘?qū)嶒?yàn)素材 發(fā)展學(xué)生思維能力
——高中“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)與反思

肖祖祥/廣東省廣州市番禺區(qū)石碁中學(xué)

深入挖掘?qū)嶒?yàn)素材 發(fā)展學(xué)生思維能力
——高中“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)與反思

肖祖祥/廣東省廣州市番禺區(qū)石碁中學(xué)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要內(nèi)容，是落實(shí)物理教學(xué)目標(biāo)、提高學(xué)生思維的重要途徑。思維是人腦將觀察、實(shí)驗(yàn)取得的感性材料進(jìn)行加工，上升為理性認(rèn)識(shí)的過(guò)程。在物理教學(xué)中，應(yīng)通過(guò)挖掘?qū)嶒?yàn)素材，來(lái)促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)素材；思維能力；變壓器

一、前言

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要內(nèi)容，是落實(shí)物理教學(xué)目標(biāo)、提高學(xué)生思維的重要途徑[1]。思維是人腦將觀察、實(shí)驗(yàn)取得的感性材料進(jìn)行加工，上升為理性認(rèn)識(shí)的過(guò)程。高中生學(xué)習(xí)物理的思維過(guò)程主要有分析、綜合、抽象、概括；思維的形式有概念、判斷、推理。物理教學(xué)應(yīng)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的深入挖掘，來(lái)更好的啟發(fā)學(xué)生從感知到的現(xiàn)象出發(fā)進(jìn)行思考，經(jīng)過(guò)縝密的思維加工過(guò)程，深入事物的本質(zhì)。

二、變壓器教學(xué)設(shè)計(jì)

“變壓器”是人教版高中物理選修3-2第5章的教學(xué)內(nèi)容，“變壓器”是交流電路中一種常見(jiàn)的電器設(shè)備[2]，它是電磁感應(yīng)教學(xué)的進(jìn)一步延伸，互感現(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)。本節(jié)課的重點(diǎn)應(yīng)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生理解變壓器線圈兩端的電壓和匝數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)學(xué)生而言，磁場(chǎng)和磁通量都是很抽象的概念，學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象和變壓器缺乏感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)變壓器原理時(shí)，學(xué)生會(huì)感到困難。因此，這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用，讓學(xué)生經(jīng)歷思維過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的跨越。

（一） 創(chuàng)設(shè)情境，引出問(wèn)題

師：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)交流電，家庭中使用的就是交流電，其電壓為220V?，F(xiàn)在我們有一個(gè)接線板，人體安全電壓是36V，這里有一個(gè)學(xué)生電源，把它打開(kāi)，當(dāng)我們手接觸電源輸出端時(shí)卻沒(méi)有什么感覺(jué)？這是為什么呢？

生：輸入220V，輸出沒(méi)有感覺(jué)，表明輸出的電壓發(fā)生了變化。

師：大家看一下學(xué)生電源，上面有輸出電壓，輸出電壓的值可以選擇，而輸入電壓為220V，說(shuō)明這里邊一定有一個(gè)改變電壓的裝置，我們將其稱為變壓器。同學(xué)們?cè)谏钪幸步佑|過(guò)各種各樣的變壓器，有哪些地方使用了呢？

生：高壓輸電、半導(dǎo)體收音機(jī)……

師：我們家里使用的各種電器的不同不見(jiàn)所需要的工作電壓是不一樣的，它的電路結(jié)構(gòu)中也會(huì)應(yīng)用到變壓器，其的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？我這里有一個(gè)變壓器模型，請(qǐng)同學(xué)們觀察它的結(jié)構(gòu)。

生：變壓器由線圈和鐵芯構(gòu)成。

師：我們看一下教材上變壓器的結(jié)構(gòu)，兩邊的線圈分別對(duì)應(yīng)的是原線圈和副線圈。原線圈就是電壓輸入端，副線圈就是電壓輸出端。這樣看起來(lái)，變壓器的結(jié)構(gòu)是不是很簡(jiǎn)單，那它是怎么起到變壓的作用呢？

（二）挖掘?qū)嶒?yàn)，提出猜想

師：把一個(gè)工作電壓為60V的燈泡，接到學(xué)生電源的兩端，電源電壓調(diào)至14V，閉合電源開(kāi)關(guān)時(shí)，請(qǐng)同學(xué)們預(yù)測(cè)燈泡是否會(huì)亮呢？

生：不會(huì)。

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燈泡的確沒(méi)有亮，這表明14V的電源不足以使燈泡發(fā)亮，那我們有什么辦法可以讓燈泡兩端電壓達(dá)到其工作電壓呢？

生：可以使用變壓器，通過(guò)變壓器的輸入、輸出端來(lái)改變大小。

師：我們現(xiàn)在需要的是使電壓變大，怎么才能使輸出端的電壓變大或電小呢？你認(rèn)為輸出端副線圈兩端的電壓可能和哪些因素有關(guān)呢？

生：跟匝數(shù)有關(guān)，跟原線圈的電壓有關(guān)……

師：變壓器有原線圈和副線圈，是和原線圈的匝數(shù)有關(guān)，還是跟副線圈的匝數(shù)有關(guān)呢？

（三）學(xué)生實(shí)驗(yàn)，引發(fā)沖突

師：根據(jù)大家的猜想與假設(shè)，影響因素有多個(gè)，我們?nèi)绾蝸?lái)確定究竟是哪些因素影響了副線圈的電壓呢？

生：采用控制變量法。

師：請(qǐng)大家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

生：學(xué)生以小組為單位，在控制電壓不變的情況下，改變輸入端和輸出端的匝數(shù)，在開(kāi)始嘗試200（原線圈）：800（副線圈）時(shí)，燈泡無(wú)法點(diǎn)亮。學(xué)生在更換為800（原線圈）:200（副線圈），燈泡仍無(wú)法點(diǎn)亮。學(xué)生又嘗試在保持200（原線圈）：800（副線圈）時(shí)，增加原線圈兩端的電壓，仍不能使燈泡點(diǎn)亮。

師：同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室，均是采用直流電源，現(xiàn)在如果我們換成交流電會(huì)怎么樣呢？

生：學(xué)生調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，在更換為交流電后，當(dāng)800（原線圈）:200（副線圈）時(shí)，燈泡仍無(wú)法點(diǎn)亮。但是在200（原線圈）：800（副線圈）時(shí)，燈泡被點(diǎn)亮。

師：同學(xué)們一定很好奇，為什么會(huì)這樣呢。實(shí)驗(yàn)就是這樣探索的，知識(shí)才能夠不斷發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)機(jī)靈一些失敗，但是我們應(yīng)仔細(xì)思考其中可能的問(wèn)題，找出問(wèn)題的癥結(jié)所在。為什么直流電不能讓燈泡點(diǎn)亮呢？

（四）建構(gòu)模型，理論探究

師：分析電路結(jié)構(gòu)，若原線圈接直流電時(shí)，會(huì)形成短路，因此副線圈的燈泡不但不會(huì)亮，還會(huì)導(dǎo)致原線圈燒壞。但是在介入交流電后，副線圈還是同樣的電路結(jié)構(gòu)，為什么沒(méi)有燒壞，反而讓副線圈的燈泡點(diǎn)亮了呢？

生：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)原線圈接交變電流時(shí)，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在副線圈中有變化的磁通量，從而在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這是一種互感現(xiàn)象。

師：能不能從能量的角度來(lái)解釋變壓器的原理呢？

生：從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程經(jīng)歷了從電能到磁場(chǎng)能到電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，變壓器就是能量轉(zhuǎn)換的裝置。因?yàn)橐a(chǎn)生磁場(chǎng)，則必須要有變化的電場(chǎng)，因此需要用交流電流。

師：我們接著討論影響副線圈電壓的因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最后能夠成功使副線圈燈泡點(diǎn)亮的，也就是副線圈電壓升高的匝數(shù)具有什么特點(diǎn)呢，請(qǐng)同學(xué)們做一個(gè)推測(cè)，原、副線圈的電壓與匝數(shù)有什么關(guān)系？

生：假設(shè)是一個(gè)理想的變壓器，忽略漏磁和渦流情況下，原、副線圈兩端的磁通量相等，在相同時(shí)間內(nèi)，磁通量的變化也相等，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可以推導(dǎo)出：U2/U1=N2/N1。

三 教學(xué)反思

教師不是知識(shí)的傳達(dá)帶，而是教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)者、學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的組織者和指導(dǎo)者、意義建構(gòu)的合作者和促進(jìn)者[3]。本節(jié)變壓器的設(shè)計(jì)，充分挖掘了從直流電源到交流電源實(shí)驗(yàn)中素材，從教師演示到學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的變化，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)了變壓器的結(jié)構(gòu)，理解了變壓器的工作原理和工作規(guī)律。在物理實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)資源的深入挖掘，讓學(xué)生經(jīng)歷了建構(gòu)模型、分析解釋、歸納歸納或演繹的推理和論證過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)概括，并敢于尋找實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果中存在的問(wèn)題等。全方位促進(jìn)了學(xué)生思維能力的發(fā)展。

[1]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2]王文斌.《變壓器》的教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2012，30（8）:78-80.

[3]顧明遠(yuǎn)，孟繁華.國(guó)際教育新理念[M].?？冢汉Ｄ铣霭嫔?，2006.

備注：本文為廣州市教育科研協(xié)作基地——基于“五環(huán)學(xué)習(xí)法”的特色發(fā)展研究基地（編號(hào)：14XZ16）的階段性研究成果。