深度學習視角下的高中物理建模教學設計
——以“變壓器”建模為例

趙紹明

（廈門市海滄中學，福建廈門 361026）

1 問題背景

深度學習是一種基于學習主動參與和理解的學習，是在教師的引領下，學生圍繞具有相關的學習主題，積極參與課堂從而獲得學習過程.深度學習是以發展學生的高階思維和培養學生解決問題為目標的高層次的學習方式，更強調學生對知識和規律的深度的理解與運用，在學習的過程中培養學生獨立思考、合作精神以及批判性思維.［1］

深度建模是在物理建模的基礎上，通過實際應用達到理解模型，最終實現拓展模型，是建模能力的高階體現.

變壓器是日常生活中的重要器件，是對電磁感應現象的進一步延伸，不僅是電磁感應現象的具體應用，亦是遠距離輸電的重要裝置.《普通高中物理課程標準（2017版）》對本節課的要求為通過實驗探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數的關系，培養學生基于證據推理素養.該節的教學不僅是培養學生深度運用電磁感應定律解決問題，更能讓學生通過過程體驗培養學生建模能力，從建模走向深度建模.［2］

2 學情分析（表1）

表1

3 教學目標（表2）

表2

4 教學流程（圖1）

圖1 “深度學習”變壓器建模教學實踐

5 教學過程

5.1 激趣實驗，引入模型

教師展示連著小燈泡的線圈（圖2），讓學生討論如何讓小燈泡發光，發散學生的思維.

圖2 激趣實驗，隔空取電

學生1：使用電池、發電機、充電寶、充電器等為小燈泡供電.

學生2：可以用磁鐵切割磁感線.

教師讓學生演示切割磁感線，雖然學生在不停地切割磁感線，小燈泡并沒有發光，引導學生思考小燈泡沒有發光的原因.

學生：電流太小，所以小燈泡沒有亮.

教師展示：將線圈套在一個鐵柱上，鐵柱下面被紙盒包裹，制造神秘感，發現小燈泡亮起來了，同學們發出驚嘆之聲.

問題：小燈泡沒有接電源也沒有切割磁感線，小燈泡的電來自哪里？

帶著這些疑問，教師拆開盒子向學生展示隔空取電裝置，裝置僅由一個線圈和鐵芯組成.教師引入變壓器概念，講解變壓器的作用，并讓學生尋找生活中的變壓器.

評價：通過激趣實驗激發學生的學習熱情，引發學生對實驗原理的思考.學生在演示的時候會發現，切割磁感線不一定能使小燈泡亮起來，線圈靜止一樣的能實現目的.實驗不僅激發學生的學習興趣，更給學生帶來新的思考，引發思維的深度.

5.2 討論分析、建立模型

隨后教師展示一些生活中常見的充電器和廢舊音箱充電器的內部結構，并讓學生拆解桌面上的可拆卸式變壓器，讓學生認識變壓器的基本組成：線圈、鐵芯（圖3）.

圖3 變壓器示意圖、符號

學生通過動手拆解，知道變壓器的基本構造，真正熟悉變壓器的組成.在拆解的同時教師適當引導學生思考各元件的作用，引發學生思考，為后續的教學做好鋪墊.

評價：學生在拆解的時候會發現變壓器的原、副線圈并沒有直接相連，但是卻能實現電能的傳輸.學生思維存疑時刻正是提升學生思維、實現思維進階的重要時機.學生從實物圖，到變壓器示意圖，在到變壓器符號，學生經歷抽象、簡化、建模一系列過程，最終構建物理模型基本的“型”.通過一系列的課程活動，讓學生在行動中思和悟，達到對變壓器經驗認識的經驗層級，具有一定初步的、感性的了解.在拆解的過程中，教師可以引導學生思考鐵芯的作用是什么？為什么兩個線圈沒相連卻能傳輸電？學生帶著疑問進入后面的學習，再通過探究答疑解惑理解更加深刻.

5.3 探究推理，理解模型

通過上述環節的學習，學生已經知道了變壓器的基本構造，但是對各元件的作用以及變壓器的工作原理還不知曉.通過此環節的探究，讓學生理解變壓器的工作原理，構建知識圖序.

教師：同學們，在之前的實驗中，將線圈套在鐵芯上，小燈泡就能發光，如果將鐵芯抽出，會有什么現象呢？

通過實驗，發現小燈泡不發光，引導學生思考鐵芯的作用.在此基礎上教師再次設問：如果把電源換成電壓相等的直流電（注意實驗儀器的安全性），小燈泡還能亮嗎？

教師：通過剛才的兩個實驗，發現沒有鐵芯小燈泡不會發光，將電源換成直流電，小燈泡也不會發光.

問題：鐵芯的作用是什么？為什么在直流的情況下小燈泡不能發光？

評價：學生在以上實驗中體會鐵芯的作用，通過實驗再結合自感與互感知識進一步闡述變壓器的原理，讓學生從磁的角度和能量的角度分別理解變壓器的工作原理.讓學生繪制工作原理圖，實現思維可視化.可以讓學生進一步實驗，在變壓器通電和不通電情況下提起鐵芯的難易程度，從而引導學生理解變壓器的鐵芯的聚磁作用，學生知道組成元件，更能進一步理解線圈和鐵芯的作用，為后面的理解模型打下基礎.

感悟：學生活動體驗下獲得的感悟比教師的講述更加深刻，學生從“行動”到“知識”，最終達到“感悟”，在此過程中，思維層次逐級提升，真正實現思維進階.

5.4 探究變壓器原、副線圈的電壓關系

教師：通過之前的學習，大家已經了解了變壓器的工作原理，請同學們結合之前的實驗猜測變壓器的輸出電壓可能跟那些因素有關？

學生：跟輸入電壓、原副線圈的匝數有關.

教師：如何探究副線圈電壓U2和原線圈電壓U1、原線圈匝數n1、副線圈匝數n2之間的關系呢？

學生：控制變量法.

學生結合桌面上給定的實驗器材，分組討論，并設計實驗方案.教師巡查，指導學生對實驗方案進行可行性論證.教師提醒實驗的注意事項，指導學生完成實驗操作，并收集學生的實驗數據，記錄在表3中，并畫出圖4.

表3

圖4 變壓器原、副線圈電壓

學生：實驗存在一定的誤差，測量、讀數會產生一定的誤差，實驗過程中鐵芯、線圈發熱也會有一定的能量損失.

評價：學生通過抽象、簡化、實驗探究、證據推理、分析交流等過程，從實際的變壓器轉化到理想變壓器模型.學生經歷探究過程，在過程中落實勞動教育，培養學生探究能力與證據推理素養.通過實驗結論，學生能發現實驗的結果與理想的情況確有一定的差別，但是差別不大，已經非常接近理想型模型，再經理想化假設便自然的過渡到理想化模型.

感悟：引導學生建模需要建立在學生的認知層次上，當下的物理教學一直都在提倡提升學生的建模能力，此過程正是提升建模能力的好契機.理想模型“理想”在哪里？條件是什么？與真實情況有多大的區別？這些問題需要學生通過實驗才能深刻體會.只有讓學生真正的地理解理想化模型，才有更好的構建理想模型.通過真實情境和真實問題，培養學生靈活運用知識解決問題的能力，學生在問題解決的過程中深度理解知識，體會深度學習的價值和意義

5.5 發散思維，拓展模型

5.5.1 讓充電器的體積更小

通過上一個環節的實驗探究，學生已經知道變壓器工作原理和原副線圈電壓的規律.本環節將拓展學生思維，加強學生對電磁感應定律和變壓器模型的認知.

教師展示給學生老式音箱電源和新式手機充電器（圖5），學生發現雖然二者的輸出電壓都差不多，但是體積和重量相差很多.

圖5 音箱電源與手機充電器

問題：如何在不影響電壓的情況下將充電器的體積變小？

學生紛紛作答，減少線圈的匝數、將銅線變細、減小鐵芯的質量等實驗方案，教師針對學生的回答，幫助分析，引導學生尋找解決問題的思路.

教師：非常好，讓磁場變化得更快，那么需要改變輸入的交流電的哪個參數？

學生：就是提高頻率.

教師：教師展示手機充電器的電路板，指出手機充電器里就是通過高頻開關電路，把交變電流的頻率從50 Hz提高到高頻，從而讓變壓器變得更加輕小.

評價：物理學習的最大魅力就是運用物理知識解決實際問題，從物理走向社會.從問題最本質的地方出發尋找解決問題的思路，教會學生的不僅是本節內容的知識點，更是學會分析問題的方法.學生通過本環節的拓展，體會到變壓器知識在生活中的妙用，轉換思路，就能給生活帶來許多便利，也間接的鼓勵學生多思考實踐.

5.5.2 讓普通手機無線充電

教師：在前面的小魔術中，將線圈套在鐵柱上，線圈可以發光，現在教師將展示線圈的另一種發光方式.

教師展示一個無線充電手機面板，將線圈放在面板上，發現線圈也能發光（圖6）.

教師：請同學們思考無線充電面板中的可能具有的構造.

學生：一定存在一個線圈.

教師：現在同學們大膽設想，如果把小燈泡換成數據線，能否利用這個裝置對手機實現無線充電？

學生興致勃勃的討論可行性，有些學生覺得電壓不夠大不能充電，有的同學覺得得到的是交流電可能會燒壞手機，課堂氛圍得到極大的調動.

教師：現在一部舊手機放在無線充電面板上，發現不能充電.為什么手機不能被充電？

學生：手機不是無線充電型號，不能無線充電.

教師將一個線圈（無線充電貼片）接在手機上面，放在無線充電面板上（圖6），學生驚奇地發現不能無線充電的手機竟然能實現無線充電，都感到無比神奇.此時教師可以通過一些列問題引導學生實現思維拓展.

圖6 無線充電及電路

教師展示所施加的神器，構造非常簡單，卻能實現無線充電.

教師：無線充電更加便捷，不需要鐵芯，那無線充電的基本原理是什么呢？

教師展示無線充電的電路圖，并講解無線充電的原理.發射線圈和受電線圈間雖然沒有鐵芯，但發射線圈中產生變化的磁場也能傳送到接收線圈，由電磁感應原理，接收線圈中就產生了感應電動勢，便能對手機實現無線充電.

評價：通過簡單的改造對普通手機無線充電，破除學生對無線充電的好奇和疑惑，也讓學生進一步理解電磁感應.小小的改動卻對學生的創新思維有大大的提升，學生不僅驚嘆物理實驗之奇，也在改進中頓悟出物理知識之妙，對物理的學習更增興趣.

從有線充電到無線充電的改進，學生不僅能更加深刻的理解電磁感應定律，更是從傳統變壓器模型過渡到無線充電模型，打破學生對變壓器模型的固定思維，實現模型拓展和深度建模.在此過程中，學生更進一步的感受到電磁感應現象的神奇，對電磁感應的理解的更加深刻，促進學生從多角度的思考和解決問題.

5.5.3 對未來美好生活的期待

通過前面的拓展和發散，學生的思維已經非常活躍，在此基礎上教師可以讓學生討論變壓器在生活中的進一步應用.

學生1：可以把電壓變得更高，用于生活生產.

學生2：可以對現在的新能源汽車進行無線充電，解決充電難的問題.

學生3：在家、辦公室等地方實行一對多無線充電.

……

學生開動思維，探討可行性向方案，并感受到物理推動科技的進步，物理創造更美好生活，大國重器在祖國發展中的重要作用，培養學生的家國情懷.

6 教學反思

本節課的教學，以變壓器模型建構和使用為主線，以解決問題出發點，以素養提升為目的，最終實現深度建模.在教學過程中，既注重學生的“學會”和知識的“生成”，讓學生在行動體驗中體會知識的形成，實現思維進階.學生參與建模，并且熟悉物理建模的具體流程（圖7），為其他物理模型的建構和拓展提供了思路.

圖7

學生通過本節課的學習和探究，不僅全方位的了解變壓器，體驗了從有線充電到無線充電的改進，對電磁感應有更深的理解，這正是深度學習的魅力所在.學生過程體驗下的建模教學，不僅從建模走向深度建模，從單一知識到單元知識，幫助學生成長為與時俱進、不斷發展、不斷完善的人.