學(xué)習(xí)進(jìn)階視角下高中物理教學(xué)設(shè)計(jì) *
——以“變壓器”教學(xué)為例

卞望來

(江蘇省南菁高級中學(xué)，江蘇 無錫 214437)

1 問題的提出

學(xué)習(xí)進(jìn)階是指在一個適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)，人學(xué)習(xí)一個重要的知識或者研究一個重要的領(lǐng)域時，思維逐漸變得更加深入和復(fù)雜的描述。學(xué)習(xí)是一個不斷積累與發(fā)展的過程，是一個循序漸進(jìn)的過程，學(xué)習(xí)進(jìn)階包含五個方面內(nèi)容：(1) 進(jìn)階目標(biāo)是指發(fā)展預(yù)期或?qū)W習(xí)目標(biāo)；(2) 進(jìn)階變量是指學(xué)生所要掌握的知識情況，這是學(xué)習(xí)過程中的核心概念；(3) 成就水平是指學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的多個有關(guān)聯(lián)的中間水平，是學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)階目標(biāo)過程的階段目標(biāo)；(4) 學(xué)習(xí)表現(xiàn)是指學(xué)生在不同成就水平時掌握學(xué)習(xí)的情況，各階段的學(xué)習(xí)表現(xiàn)反映了學(xué)生能否達(dá)到該成就水平，為學(xué)習(xí)評價提供依據(jù)；(5) 學(xué)習(xí)評價在于評價學(xué)生對核心概念的理解情況。

高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)就是要實(shí)現(xiàn)有效的課堂教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生主動而高效的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)進(jìn)階視角下高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)要解決三個問題：(1) 學(xué)生的原有認(rèn)知有哪些？(2) 學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)是什么？(3) 如何在學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)目標(biāo)之間設(shè)置合理的進(jìn)階，讓學(xué)生能順利踏上新的臺階？

2 “變壓器”教學(xué)案例分析

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)分析

在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要合理呈現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階變量，讓學(xué)生在理解核心概念過程中充分經(jīng)歷學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生更牢固地掌握核心概念。筆者以“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，將核心概念細(xì)化，分階段深入分析變壓器，讓學(xué)生對此有深入的理解。

2.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)

進(jìn)階目標(biāo)：掌握理想變壓器中各物理量間的關(guān)系。

成就水平：(1) 理解變壓器的工作原理；(2) 從實(shí)驗(yàn)和理論兩個方面理解理想變壓器的規(guī)律；(3) 運(yùn)用理想變壓器的規(guī)律解決實(shí)際問題。

學(xué)習(xí)評價：通過變壓器原理的應(yīng)用，檢測學(xué)生對變壓器內(nèi)容的掌握情況。

2.3 教學(xué)過程

同學(xué)們知道供電局給學(xué)校供電的電壓是多少嗎？電壓為1萬多伏，可我們只需要220V，供電局是怎樣實(shí)現(xiàn)這一變化的呢？今天我們一起來學(xué)習(xí)變壓器。

圖1

演示實(shí)驗(yàn)：如圖1所示，當(dāng)電源輸出恒定電流或交流電時，右側(cè)小電珠會發(fā)光嗎？

同學(xué)們看到接恒定電流時，右側(cè)小電珠不亮；接交流電時，右側(cè)小電珠亮了，而且隨著輸入電壓增大而變亮，變壓器原、副線圈沒有直接相連，小電珠為什么亮？請同學(xué)們交流看法。

2.3.1 變壓器的工作原理及其構(gòu)造

(1) 工作原理

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理、改變交流電壓的裝置。

(2) 構(gòu)造

如圖2所示，與電源相連的線圈叫原線圈，與負(fù)載相連的線圈叫副線圈。鐵芯由涂漆的硅鋼片疊壓而成，這樣增大了硅鋼片的電阻，減少了電能損失。

圖2

從生活實(shí)際出發(fā)，提出問題，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，在演示實(shí)驗(yàn)中原、副線圈是筆者自己繞制的，其中原線圈為90匝，副線圈為45匝，讓學(xué)生真實(shí)感受到線圈不直接連接，接上交流電時連到副線圈上的小電珠卻發(fā)光了！這樣的教學(xué)讓學(xué)生更容易完成進(jìn)階學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對學(xué)習(xí)充滿期待。

2.3.2 探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系

(1) 實(shí)驗(yàn)探究

剛才我們做實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)：輸入交流電時，增大輸入電壓，小電珠會變亮。那么原、副線圈兩端的電壓與匝數(shù)有什么關(guān)系？實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，分別測出原、副線圈兩端電壓，將讀數(shù)填在表1中，表1中第6、7列名稱空缺，讓同學(xué)們思考討論后，再在這2列中填上變壓器的匝數(shù)比與電壓比。

表1

從表1中可以看到：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，電壓比與線圈匝數(shù)比相等。我們還不能說電壓比等于線圈匝數(shù)比，因?yàn)槲覀冞€沒有探究過匝數(shù)比為1∶3、2∶3、3∶1等情形，只有經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)才能得到上述結(jié)論。

(2) 理論推導(dǎo)

如圖4所示，當(dāng)水平放置的鐵芯慢慢向右移動時，雖然輸入電壓不變，但由于漏磁，輸出電壓不斷減小，小電珠逐漸變暗。當(dāng)鐵芯全部脫離時，小電珠基本不亮。

圖4

實(shí)驗(yàn)中為了使讀數(shù)不超過電表量程，要求如下：① 輸入電壓不能太大；② 控制匝數(shù)比。同時為了讓實(shí)驗(yàn)讀數(shù)更精確，可將匝數(shù)少的線圈作為原線圈，線圈匝數(shù)少、內(nèi)阻就小，當(dāng)通過的電流較大時，輸出電壓的誤差較小。最后為了讓學(xué)生深刻理解在鐵芯不閉合的情況下有漏磁現(xiàn)象，還做了漏磁實(shí)驗(yàn)。

2.3.3 理想變壓器的幾個關(guān)系

理想變壓器：不考慮鐵芯的漏磁和鐵損，不考慮兩個線圈的電阻。

(2) 功率關(guān)系為：P入=P出，P1=P2。實(shí)際大型變壓器滿負(fù)荷工作效率為95%。

環(huán)節(jié)評估：在得到了理想變壓器的電壓與匝數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生加深理解理想變壓器的幾個關(guān)系，同時特別提醒學(xué)生正確理解電流關(guān)系。

2.3.4 變壓器的應(yīng)用

師：同學(xué)們，剛才提到供電局給學(xué)校輸入電壓約為11000V，而學(xué)校照明電路只要220V，請問怎樣來實(shí)現(xiàn)這一改變？

生：在學(xué)校旁裝匝數(shù)比為50∶1的變壓器。

師：請同學(xué)們利用所學(xué)知識設(shè)計(jì)測高電壓、強(qiáng)電流的電路。

可先讓同學(xué)們相互討論，然后請兩位同學(xué)上來作圖(圖5)。

圖5

引導(dǎo)學(xué)生對電壓和電流互感器進(jìn)行比較，相同點(diǎn)為：副線圈均要接地。不同點(diǎn)為：連接方式不同，原、副線圈匝數(shù)比不同，測量目的不同。

由于電流互感器的原線圈要串聯(lián)在電路中，使用時很不方便。這里有一只鉗形電流表，假如它的副線圈匝數(shù)為50匝，某次測量中讀數(shù)為3.60A，則原線圈中電流為180A。

師：同學(xué)們今天學(xué)習(xí)非常認(rèn)真，我用手機(jī)播放一首歌曲“感恩的心”，以感謝大家。

教師用數(shù)據(jù)線將手機(jī)與一個線圈相連，將另一線圈與音箱相連(圖6)，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)音箱中居然傳出了手機(jī)中播放的聲音，請大家思考是什么原因？

請一位同學(xué)解釋物理原理，要求學(xué)生課后思考手機(jī)無線充電的原理。

圖6

環(huán)節(jié)評估：學(xué)生利用本課所學(xué)知識解決變壓器的實(shí)際問題，提高了學(xué)生應(yīng)用知識的能力，拓展了他們的視野。

3 教學(xué)反思

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個方面，在學(xué)習(xí)進(jìn)階視角下設(shè)計(jì)高中物理教學(xué)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3.1 有助于學(xué)生形成物理觀念

該教學(xué)設(shè)計(jì)基于學(xué)生電磁感應(yīng)的知識基礎(chǔ)，以問題為中心，步步深入，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。在教學(xué)設(shè)計(jì)中循序漸進(jìn)，設(shè)置一些小的臺階來滿足進(jìn)階學(xué)習(xí)的要求。在教學(xué)中利用漏磁等實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生鞏固能量守恒觀念。

3.2 有助于學(xué)生科學(xué)思維能力的提升

人的認(rèn)識是在實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展的，該教學(xué)設(shè)計(jì)從演示實(shí)驗(yàn)開始，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象觀察上升到理論的認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識發(fā)展的第一次飛躍——由實(shí)踐上升到理論；然后在教學(xué)中又進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識發(fā)展的第二次飛躍——由理論回到實(shí)踐。該教學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)用螺旋式的進(jìn)階策略，著重培養(yǎng)了學(xué)生的抽象思維與形象思維能力。

3.3 有助于學(xué)生扎實(shí)開展科學(xué)探究

教學(xué)中設(shè)計(jì)了4個實(shí)驗(yàn)，既有演示實(shí)驗(yàn)，又有學(xué)生實(shí)驗(yàn)，還有拓展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求逐步提升。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種再現(xiàn)科學(xué)發(fā)展歷程的特殊方式，讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、科學(xué)認(rèn)證和質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。