基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“變壓器”教學(xué)實(shí)踐探究

［摘 要］目前主流的“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)主要通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握變壓器的輸入電壓和輸出電壓以及匝數(shù)比關(guān)系，但學(xué)生在理解變壓器結(jié)構(gòu)、原理、損耗，以及原副線圈中的電壓、電流、電功率的互相制約關(guān)系時(shí)存在困難。文章針對目前“變壓器”教學(xué)中存在的問題，基于核心素養(yǎng)與學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，分析了“變壓器”的教學(xué)背景，并提出了相應(yīng)的教學(xué)改進(jìn)措施，旨在促進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)階，培養(yǎng)其核心素養(yǎng)，提高物理教學(xué)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］學(xué)習(xí)進(jìn)階理論；變壓器；高中物理

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）32-0047-03

一、“變壓器”教學(xué)背景研究

目前主流的“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示，其主要是通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握變壓器的輸入電壓和輸出電壓以及匝數(shù)比關(guān)系，并應(yīng)用于電路分析以解決相關(guān)問題。

教學(xué)反饋顯示學(xué)生存在以下三個(gè)問題：一是對變壓器的結(jié)構(gòu)及原理理解不深，存在疑問；二是對鐵芯的作用及變壓器的損耗因素認(rèn)知不清，影響對理想變壓器模型的理解與構(gòu)建；三是對變壓器原副線圈中電壓、電流、電功率的互相制約關(guān)系把握不牢，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用困難。產(chǎn)生以上問題的主要原因如下：1.雖然以生活案例作為教學(xué)引入能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但緊接著直接展示變壓器實(shí)物并介紹其結(jié)構(gòu)，難以讓僅有簡單互感知識的學(xué)生深入理解變壓器的結(jié)構(gòu)和原理，導(dǎo)致學(xué)生沒有形成物理觀念或者物理觀念層次較低；2.學(xué)生對于變壓器損耗的認(rèn)知主要來源于教師講授，缺乏直觀感受，缺少科學(xué)推理和科學(xué)探究，這限制了學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)；3.在研究變壓器原副線圈中的電壓、電流、電功率的互相制約關(guān)系時(shí)未能充分發(fā)揮變壓器作為易取電路元件的優(yōu)勢以及引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究和深度思考，學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)不足。

二、學(xué)習(xí)進(jìn)階理論在“變壓器”教學(xué)中的應(yīng)用

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論根植于認(rèn)知發(fā)展論、最近發(fā)展區(qū)理論及螺旋式課程設(shè)計(jì)理論等心理學(xué)與教育學(xué)理論，它主要指引學(xué)生在學(xué)習(xí)同一主題或者內(nèi)容時(shí)，依據(jù)知識基礎(chǔ)、認(rèn)知水平和思維能力，沿著連續(xù)性且逐步復(fù)雜化的學(xué)習(xí)路徑，不斷向更深層次邁進(jìn)，直至達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

在以往的“變壓器”的教學(xué)中，教師往往忽視學(xué)生的知識基礎(chǔ)和認(rèn)知水平，直接給學(xué)生講解變壓器的結(jié)構(gòu)和原理，導(dǎo)致學(xué)生無法有效整合與應(yīng)用變壓器的相關(guān)知識，也難以形成相應(yīng)的物理觀念。實(shí)際上，學(xué)生在學(xué)習(xí)變壓器之前已具備電磁感應(yīng)、互感、渦流等基礎(chǔ)知識，這是學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)，而學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)是應(yīng)用變壓器原副線圈中的電壓、電流、電功率的相互制約關(guān)系解決實(shí)際電路問題。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，教師可為學(xué)生設(shè)計(jì)以下學(xué)習(xí)進(jìn)階目標(biāo)（見表2）。

三、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“變壓器”教學(xué)實(shí)施策略

為促進(jìn)學(xué)生順利完成學(xué)習(xí)進(jìn)階，教師須改變原有的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律開展教學(xué)。本文提出一種具體實(shí)施方案（見圖1），旨在指導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)進(jìn)階，提升核心素養(yǎng)。

（一）新課導(dǎo)入：通過手機(jī)無線充電激活電磁感應(yīng)與互感的知識，體會(huì)無線電能傳輸

課始，教師向?qū)W生展示當(dāng)前社會(huì)科技熱點(diǎn)——手機(jī)無線充電技術(shù)，并講解無線電能傳輸?shù)脑怼Ｕn中，教師當(dāng)場拆解無線充電器及支持無線充電的手機(jī)，直觀展示兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)無線充電器及手機(jī)中均設(shè)有一個(gè)線圈（見圖2），隨后提出以下問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論。

問題1：手機(jī)無線充電的基本原理是什么？

問題2：無線充電器應(yīng)使用交流電還是直流電？

問題3：手機(jī)無線充電的效率如何？

教師組織學(xué)生分組交流，進(jìn)而總結(jié)得出：手機(jī)無線充電的原理，即電磁感應(yīng)中的互感：無線充電器中的線圈產(chǎn)生變化磁場，當(dāng)手機(jī)的接收線圈靠近這個(gè)磁場時(shí)，會(huì)感應(yīng)到磁場的變化，從而產(chǎn)生電流，使手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線充電。關(guān)于手機(jī)無線充電的效率，雖無法讓學(xué)生直接體驗(yàn)，但可以向?qū)W生展示無線充電器與普通有線充電器的具體參數(shù)來讓學(xué)生直觀體會(huì)。

問題4：手機(jī)有線充電真的全是“有線”嗎？

此時(shí)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。對此，教師可展示拆解后的手機(jī)有線充電器，特別是其核心部件——變壓器，并解析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：線圈—鐵芯—線圈，同時(shí)說明線圈之間彼此絕緣，使學(xué)生意識到在變壓設(shè)備中存在著無線電能傳輸結(jié)構(gòu)。

在新課導(dǎo)入的尾聲，教師再次提出問題，為探究鐵芯的作用埋下了伏筆。

問題5：為什么手機(jī)有線充電器的效率通常高于無線充電器？無線電能傳輸中的損耗受哪些因素影響？如何減少這些損耗？

（二）小組自主實(shí)驗(yàn)：探究無線電能傳輸損耗因素及減損結(jié)構(gòu)

教師提供實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)器材：低壓恒壓交流電源、可拆變壓器原副線圈（一對）、普通條狀鐵芯、硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯、可拆環(huán)狀鐵芯、交流電壓表（2個(gè)）、交流電流表（2個(gè)）、小燈泡。

學(xué)生分組按不同方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

方案1：在不使用鐵芯的情況下探究無線電能傳輸?shù)男省Ｗ寣W(xué)生連接電路，改變變壓器原副線圈的相對位置，觀察無線電能傳輸?shù)男首兓⑻顚懭缦卤砀瘢ㄒ姳?）。

教師組織學(xué)生進(jìn)行交流討論，并借助多媒體展示螺線管的磁感線分布情況，引導(dǎo)學(xué)生推理得出：無線電能傳輸?shù)男逝c變壓器原線圈產(chǎn)生的磁感線穿過副線圈的數(shù)量密切相關(guān)，磁感線穿過副線圈越多，電能傳輸效率越高。同時(shí)，將磁感線不能完全穿過副線圈所造成的損耗定義為“磁損”。

方案2：研究鐵芯對無線電能傳輸?shù)淖饔谩Ｔ诜桨?的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)一步探究普通條狀鐵芯、硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯對無線電能傳輸效率的影響。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可得出以下結(jié)論：（1）加入鐵芯后，無線電能傳輸效率更高，體現(xiàn)了鐵芯的磁導(dǎo)性；（2）用硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯的電能傳輸效率比普通條狀鐵芯高；（3）長時(shí)間工作后，普通條狀鐵芯發(fā)熱現(xiàn)象明顯。

在學(xué)生根據(jù)方案2完成實(shí)驗(yàn)探究后，教師可引導(dǎo)學(xué)生深入理解渦流概念，認(rèn)識到鐵芯在變化磁場中會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致能量損耗（稱為“鐵損”），而硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯能有效減少渦流。在得出磁損、鐵損的概念后，教師可以根據(jù)學(xué)生的普遍認(rèn)知，引導(dǎo)學(xué)生推理得出結(jié)論：線圈導(dǎo)線較長，電阻不可忽略，能量在傳輸過程中會(huì)有部分電能轉(zhuǎn)化為焦耳熱（稱為“銅損”）。

在明確無線電能傳輸?shù)膿p耗后，教師可組織學(xué)生小組討論，鼓勵(lì)學(xué)生提出最理想的無線電能傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)想。在此過程中，學(xué)生可能會(huì)有許多想法，教師需根據(jù)學(xué)生的想法進(jìn)行適時(shí)引導(dǎo)。在學(xué)生構(gòu)建模型后，教師可以給出現(xiàn)實(shí)生活中的各種變壓器模型，并與學(xué)生構(gòu)建的模型進(jìn)行對比，以加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

（三）實(shí)驗(yàn)拓展：探究變壓關(guān)系

問題6：通過前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道變壓器可視為一種無線電能傳輸裝置，在損耗非常小可以忽略的情況下，這樣的變壓器可稱為“理想變壓器”。那么，理想變壓器的變壓關(guān)系究竟受哪些因素影響呢？在排除磁損、鐵損及銅損后，還有哪些能改變的量？

教師可先引導(dǎo)學(xué)生思考：當(dāng)鐵芯尺寸最大化、磁導(dǎo)率盡可能高、線圈銅線足夠粗，且假設(shè)能量傳輸效率接近100%時(shí)，還能改變的量為線圈的匝數(shù)。變壓器的變壓關(guān)系是否跟線圈的匝數(shù)有關(guān)？這需要通過具體的探究實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。隨后，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“變壓器”教學(xué)中常做的實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)（見表4）。

律進(jìn)行理論論證，理解這些偏差并不是誤差，而是由于實(shí)際使用的變壓器無法達(dá)到理想狀態(tài)，存在能量損失。

（四）課堂收尾：整合提升，遷移應(yīng)用

課堂收尾階段屬于整合提升、遷移應(yīng)用的階段，教師可結(jié)合題目、問題拓展等來進(jìn)行，關(guān)鍵是讓學(xué)生通過解決實(shí)際問題，親身體驗(yàn)物理的魅力，從而增強(qiáng)對物理的認(rèn)同感并提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

為此，教師可給學(xué)生介紹利用變壓器的變壓變流特性來測量高電壓、高電流的方法及原理，即電壓互感器與電流互感器的應(yīng)用，同時(shí)向?qū)W生展示鉗形多用電表及其使用方法。接著，現(xiàn)場演示如何使用鉗形多用電表測量教室內(nèi)的電壓和電流。隨后，讓學(xué)生利用教師提供的實(shí)驗(yàn)器材，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來測量教室中各條導(dǎo)線中的電流。在此過程中，學(xué)生需根據(jù)各種用電器的額定電流和電表的量程進(jìn)行計(jì)算，以確保實(shí)驗(yàn)的安全和有效，而教師應(yīng)隨堂進(jìn)行指導(dǎo)。

本文以“變壓器”教學(xué)為例，對高中物理主流教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。在核心素養(yǎng)與學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的雙重指引下，筆者依據(jù)學(xué)生學(xué)情，設(shè)計(jì)了有助于學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、探究解決問題、構(gòu)建知識概念框架，并將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題的教學(xué)流程。這樣的教學(xué)，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的體驗(yàn)感，還激發(fā)了學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣。針對學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)改進(jìn)，勢必會(huì)推動(dòng)高中物理教學(xué)邁上新的臺階。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 姚建欣，郭玉英.為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展建模：學(xué)習(xí)進(jìn)階十年研究回顧及展望[J].教育學(xué)報(bào)，2014（5）：35-42.

[3]" 呂含吟，邵韜.如何應(yīng)用“學(xué)習(xí)進(jìn)階”改進(jìn)高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理，2016（3）：68-69.

[4]" 于春苗.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].聊城：聊城大學(xué)，2019.

[5]" 薛金福.重視過程方法 促進(jìn)自主建構(gòu)：“變壓器”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師，2016（10）：7-9.