基于核心素養的高中物理實驗探究教學案例

岳寶良 董建兵

中圖分類號：G633.7?????????? 文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2020）10-067-2

《普通高中物理課程標準》（2017版）凝練了物理學科核心素養四個方面。其中“科學探究”在該書中被提及次數最多，共66次。“課程標準”指出，“在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要作用。”本文以《變壓器》教學為例展開分析，在實驗探究教學中做出一些嘗試，以期對物理實驗探究教學提供一些參考。

一、教材分析

1.變壓器的教學要求

從教材編寫來看，對于變壓器的教學要求是“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”，變壓關系也就從實驗歸納得出，而不是理論推導，突出了實驗探究在高中物理教學中的重要地位。

2.理想化模型的引入及建立過程簡單

教材中未討論電流關系、頻率關系和相位關系，對功率關系和理想變壓器總共只交待了一句，“沒有能量損失的變壓器叫做理想變壓器”。理想化模型的引入及建立過程簡單。

3.明確給出功率關系十分必要

課后習題和《電能的輸送》一節卻明確要用到功率關系，對于電流關系一般處理方法是用功率關系和電壓關系來處理，所以建議對功率關系明確給出為好。

筆者在教材處理上，分兩節處理。第一節課，主要通過實驗歸納總結理想變壓器模型，進而探究理想變壓器的變壓規律，通過練習理解頻率關系和相位關系;第二節課，主要從理論上研究變壓關系、變流關系等，進一步理解變壓器的工作原理。

二、學情分析

1.知識基礎

在上一章第6節中學生知道變壓器是依據互感現象制成的，在第7節中學生知道什么是渦流，知道在變壓器中減小渦流的辦法是采用相互絕緣且電阻率大的硅鋼片疊成鐵芯。

2.教學效果

如果依據本節教材流程進行教學設計，根據教學實踐和學生反饋的情況來看，普遍會有這樣的疑惑：（1）能量損耗體現在哪幾方面？（2）鐵芯起到什么作用？（3）電壓與線圈匝數到底存在著某種關系呢？（4）變壓器能傳輸穩恒直流電嗎？

學生對理想變壓器的認知障礙，關鍵在于學生對銅損、鐵損無感性的認識時，對于看不見摸不到的磁感線泄漏，更是難以想象。

三、教學目標

1.通過實物認識變壓器的構造，知道變壓器的功能，理解變壓器是改變交流電電壓的設備。

2.通過理想變壓器模型建立和變壓器規律的探究，培養學生理想化方法、對比實驗法、觀察法、歸納法、圖象法、概念的建立等物理科學方法。同時，培養學生思維能力、語言表述能力、理解能力和動手能力。

3.通過例題理解變壓器的頻率關系和相位關系等問題。

4.通過實驗探究培養學生實事求是的科學態度，使學生充分體會到能量守恒是普遍適用的，強化能量觀念。

教學重點：理想變壓器模型的建立和變壓關系的探究。教學難點：對理想變壓器的理解。

四、教學過程和設計意圖

1.創設問題情境，導入新課內容

問題驅動：分析（1）在圖示電路中，當線圈1接交流電源時，線圈2中有無感應電動勢的產生？為什么？（2）對于負載燈泡線圈2起到了什么作用？

設計意圖：第一個問題讓學生從理論上進行分析，復習電磁感應相關規律，為下節理論探究打基礎。第二個問題，意在讓學生明白線圈2可以當等效電源來看，為后面銅損的分析做一個鋪墊。

實驗驗證：學生互動交流后，實驗驗證第一個問題（為節省時間事先連好電路）。

器材：J2423型可拆變壓器的紅線圈0—2接6V交流電源，綠線圈0—1接小燈泡（2.5 V，0.3 A）。

引導學生觀察現象，在電路連接完好的情況下，小燈泡不亮，學生會意識到可能是電壓不夠，再接上J0402型交流電壓表（10 V量程），確實無示數，可能是電表靈敏度不夠。經討論知，線圈2產生的電動勢不夠大。

設計意圖：通過理論分析和實驗事實的認知沖突，激發學生的學習興趣和求知欲望。

2.提出問題，解決問題

在不改變電源電壓和頻率的情況下，采用哪些方法可使線圈2產生的感應電動勢增大？分組討論，相互交流，提出解決問題的辦法：改變線圈匝數、線圈靠近，線圈疊放在一起、加鐵芯等方式。學生急于想知道他們提出的方法是否可行？學生求知欲得到進一步激發，教師指導學生逐一進行演示，發現當線圈疊放在一起并穿有鐵芯時，小燈泡有微弱光亮。

學生會感覺到鐵芯的神奇作用，對鐵芯的作用有了感性的認知。此時，教師拿出變壓器的U型鐵芯，把線圈穿在兩個臂上，緩慢移動“一字型”鐵芯至與U型鐵芯閉合。學生觀察到小燈泡越來越亮，最后達到刺眼的程度。

設問：用鐵芯為什么會有這樣神奇的效果？

若無鐵芯或鐵芯不閉合時，原線圈中的磁感線只有一小部分貫穿副線圈，大部分漏失在外，有了閉合鐵芯，由于鐵芯被磁化，絕大部分磁感線集中在鐵芯內部，貫穿整個副線圈，大大增強了傳輸電能的作用.

設計意圖：這個問題的解答，學生有一定的難度，所以教師作為陳述性知識處理。這時學生對鐵芯的作用——聚集磁感線的作用就有了非常直觀的認識。同時，為提出漏磁概念做鋪墊。

3.對比實驗，繼續探究

教師接著做一個操作，擰下小燈泡，學生觀察電壓表示數如何變化？

學生觀察得出結論，電壓表示數變高。

為什么斷開小燈泡時，電壓表示數會變大？引導學生從閉合電路歐姆定律分析出線圈2是有電阻的，相當于電源的內阻。

這是真的嗎？提出疑問，并引導學生用歐姆表進一步測量檢驗。

4.建立理想化模型——理想變壓器

①出示問題：實際變壓器在能量傳輸的過程中都有哪幾方面的能量損失？

②學生討論，歸納總結。（1）磁感線的漏失——漏磁;（2）線圈有電阻，產生焦耳熱——銅損;（3）鐵芯在反復磁化時也發熱——鐵損。

③教師陳述：實際變壓器的效率都很高，特別是大型變壓器，效率可達97%～99.5%，所以理論研究時我們可以把它當成100%--理想變壓器（即沒有能量損失的變壓器）。

設計意圖：鐵損在渦流中已經實驗過，這里不重復講述。強化理想化研究方法和能理守恒思想的普遍性。

5.探究線圈2匝數的影響

教師定性演示，用約1 m長的導線兩端接好燈泡（2.5 V，0.3 A），用綠線圈0—1接交流電源16 V。用導線分別繞2、4、6、8、10匝，看小燈泡的亮度變化情況。

學生觀察到匝數越多，小燈泡越亮，說明線圈2兩端電壓越高。我們把這種能改變電壓的裝置叫變壓器。

設計意圖：學生直觀感受到副線圈匝數的影響

6.閱讀教材，歸納總結

（1）幾種變壓器的外型;（2）電路符號;（3）結構示意圖——結構。

7.分組實驗，定量探究電壓關系

采用控制變量法，分解探究任務，學生采集數據，分析數據，交流成果。

設計意圖：培養學生的團結合作能力、動手能力、語言表達能力，圖像法處理數據的能力，進一步體會控制變量法。

8.典型例題，進一步深化

例1?????????????? 例2

【例1】計算圖中電壓表的示數

教師準備實驗器材，學生計算完后，通過實驗驗證結果的正誤。

結論：變壓器是改變交流電的電壓設備，不能傳輸穩恒直流電。

設計意圖：意在讓學生明白公式成立的條件。以退為進，讓學生理解，變壓器不能傳輸穩恒直流電。

【例2】圖中理想變壓器，在原線圈中輸入正弦交流電u1=Umsinωt，請畫出副線圈兩端電壓波形。

思考：理想變壓器能不能改變頻率和電流的大小？

設計意圖：理解相位關系和頻率關系.

9.課堂小結

（1）理想變壓器的規律;（2）你學到了哪些物理科學思維和科學方法。

設計意圖：學生相互補充，培養歸納總結的能力;顯性強化物理科學思維和科學方法，促進發展學生核心素養。

綜上所述，本節課教學一開始就采用問題驅動的方式及學生認知與現實的沖突來展開，激發學生的學習興趣。本節巧妙的突破了理想變壓器這個理想模型的建立，為了體現學生的主體地位，培養學生分析問題解決問題的能力，充分考慮到學生的認知水平，在教學中采用問題驅動、對比實驗、探究實驗、分組討論、歸納總結等方法進行教學。整節課圍繞教學資源開放、互動、自然生成，把探究課題分解為幾個相對獨立的小問題，逐一解決，符合新課程標準思想。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

注：本文為保定市“十三五”教育科學規劃課題《基于核心素養的高中物理實驗探究教學的實踐研究》（課題編號：19252）的階段性研究成果。

（作者單位：河北保定外國語學校，河北 保定 071000）