深入挖掘实验素材 发展学生思维能力——高中“变压器”教学设计与反思

肖祖祥/广东省广州市番禺区石碁中学

深入挖掘实验素材 发展学生思维能力
——高中“变压器”教学设计与反思

肖祖祥/广东省广州市番禺区石碁中学

实验是物理学的重要内容，是落实物理教学目标、提高学生思维的重要途径。思维是人脑将观察、实验取得的感性材料进行加工，上升为理性认识的过程。在物理教学中，应通过挖掘实验素材，来促进学生思维能力的发展。

实验素材；思维能力；变压器

一、前言

实验是物理学的重要内容，是落实物理教学目标、提高学生思维的重要途径[1]。思维是人脑将观察、实验取得的感性材料进行加工，上升为理性认识的过程。高中生学习物理的思维过程主要有分析、综合、抽象、概括；思维的形式有概念、判断、推理。物理教学应通过对实验教学资源的深入挖掘，来更好的启发学生从感知到的现象出发进行思考，经过缜密的思维加工过程，深入事物的本质。

二、变压器教学设计

“变压器”是人教版高中物理选修3-2第5章的教学内容，“变压器”是交流电路中一种常见的电器设备[2]，它是电磁感应教学的进一步延伸，互感现象是变压器工作的基础。本节课的重点应是通过实验探究，帮助学生理解变压器线圈两端的电压和匝数之间的关系。对学生而言，磁场和磁通量都是很抽象的概念，学生对电磁感应现象和变压器缺乏感性认识，学习变压器原理时，学生会感到困难。因此，这节课的教学设计应充分发挥实验的作用，让学生经历思维过程，实现从感性认识到理性认识的跨越。

（一） 创设情境，引出问题

师：我们已经学习过交流电，家庭中使用的就是交流电，其电压为220V。现在我们有一个接线板，人体安全电压是36V，这里有一个学生电源，把它打开，当我们手接触电源输出端时却没有什么感觉？这是为什么呢？

生：输入220V，输出没有感觉，表明输出的电压发生了变化。

师：大家看一下学生电源，上面有输出电压，输出电压的值可以选择，而输入电压为220V，说明这里边一定有一个改变电压的装置，我们将其称为变压器。同学们在生活中也接触过各种各样的变压器，有哪些地方使用了呢？

生：高压输电、半导体收音机……

师：我们家里使用的各种电器的不同不见所需要的工作电压是不一样的，它的电路结构中也会应用到变压器，其的结构是怎样的呢？我这里有一个变压器模型，请同学们观察它的结构。

生：变压器由线圈和铁芯构成。

师：我们看一下教材上变压器的结构，两边的线圈分别对应的是原线圈和副线圈。原线圈就是电压输入端，副线圈就是电压输出端。这样看起来，变压器的结构是不是很简单，那它是怎么起到变压的作用呢？

（二）挖掘实验，提出猜想

师：把一个工作电压为60V的灯泡，接到学生电源的两端，电源电压调至14V，闭合电源开关时，请同学们预测灯泡是否会亮呢？

生：不会。

师：通过实验发现，灯泡的确没有亮，这表明14V的电源不足以使灯泡发亮，那我们有什么办法可以让灯泡两端电压达到其工作电压呢？

生：可以使用变压器，通过变压器的输入、输出端来改变大小。

师：我们现在需要的是使电压变大，怎么才能使输出端的电压变大或电小呢？你认为输出端副线圈两端的电压可能和哪些因素有关呢？

生：跟匝数有关，跟原线圈的电压有关……

师：变压器有原线圈和副线圈，是和原线圈的匝数有关，还是跟副线圈的匝数有关呢？

（三）学生实验，引发冲突

师：根据大家的猜想与假设，影响因素有多个，我们如何来确定究竟是哪些因素影响了副线圈的电压呢？

生：采用控制变量法。

师：请大家设计实验方案，并进行实验。

生：学生以小组为单位，在控制电压不变的情况下，改变输入端和输出端的匝数，在开始尝试200（原线圈）：800（副线圈）时，灯泡无法点亮。学生在更换为800（原线圈）:200（副线圈），灯泡仍无法点亮。学生又尝试在保持200（原线圈）：800（副线圈）时，增加原线圈两端的电压，仍不能使灯泡点亮。

师：同学在实验室，均是采用直流电源，现在如果我们换成交流电会怎么样呢？

生：学生调整实验方案，在更换为交流电后，当800（原线圈）:200（副线圈）时，灯泡仍无法点亮。但是在200（原线圈）：800（副线圈）时，灯泡被点亮。

师：同学们一定很好奇，为什么会这样呢。实验就是这样探索的，知识才能够不断发展，在实验过程中可能会机灵一些失败，但是我们应仔细思考其中可能的问题，找出问题的症结所在。为什么直流电不能让灯泡点亮呢？

（四）建构模型，理论探究

师：分析电路结构，若原线圈接直流电时，会形成短路，因此副线圈的灯泡不但不会亮，还会导致原线圈烧坏。但是在介入交流电后，副线圈还是同样的电路结构，为什么没有烧坏，反而让副线圈的灯泡点亮了呢？

生：根据电磁感应定律，当原线圈接交变电流时，在铁芯中产生交变磁场，在副线圈中有变化的磁通量，从而在副线圈中产生感应电动势，这是一种互感现象。

师：能不能从能量的角度来解释变压器的原理呢？

生：从能量转换的角度来说，这一过程经历了从电能到磁场能到电能的转化过程，变压器就是能量转换的装置。因为要产生磁场，则必须要有变化的电场，因此需要用交流电流。

师：我们接着讨论影响副线圈电压的因素，通过实验发现最后能够成功使副线圈灯泡点亮的，也就是副线圈电压升高的匝数具有什么特点呢，请同学们做一个推测，原、副线圈的电压与匝数有什么关系？

生：假设是一个理想的变压器，忽略漏磁和涡流情况下，原、副线圈两端的磁通量相等，在相同时间内，磁通量的变化也相等，根据法拉第电磁感应定律，可以推导出：U2/U1=N2/N1。

三 教学反思

教师不是知识的传达带，而是教学环境的设计者、学生学习活动的组织者和指导者、意义建构的合作者和促进者[3]。本节变压器的设计，充分挖掘了从直流电源到交流电源实验中素材，从教师演示到学生自主实验的变化，引发学生的认知冲突，让学生在实验中认识了变压器的结构，理解了变压器的工作原理和工作规律。在物理实验中，通过实验资源的深入挖掘，让学生经历了建构模型、分析解释、归纳归纳或演绎的推理和论证过程，对实验结果进行科学概括，并敢于寻找实验过程和结果中存在的问题等。全方位促进了学生思维能力的发展。

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2]王文斌.《变压器》的教学设计[J].物理教学探讨，2012，30（8）:78-80.

[3]顾明远，孟繁华.国际教育新理念[M].海口：海南出版社，2006.

备注：本文为广州市教育科研协作基地——基于“五环学习法”的特色发展研究基地（编号：14XZ16）的阶段性研究成果。