基于核心素养的高中物理实验探究教学案例

岳宝良 董建兵

中图分类号：G633.7           文献标识码：A文章编号：1992-7711（2020）10-067-2

《普通高中物理课程标准》（2017版）凝练了物理学科核心素养四个方面。其中“科学探究”在该书中被提及次数最多，共66次。“课程标准”指出，“在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要作用。”本文以《变压器》教学为例展开分析，在实验探究教学中做出一些尝试，以期对物理实验探究教学提供一些参考。

一、教材分析

1.变压器的教学要求

从教材编写来看，对于变压器的教学要求是“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”，变压关系也就从实验归纳得出，而不是理论推导，突出了实验探究在高中物理教学中的重要地位。

2.理想化模型的引入及建立过程简单

教材中未讨论电流关系、频率关系和相位关系，对功率关系和理想变压器总共只交待了一句，“没有能量损失的变压器叫做理想变压器”。理想化模型的引入及建立过程简单。

3.明确给出功率关系十分必要

课后习题和《电能的输送》一节却明确要用到功率关系，对于电流关系一般处理方法是用功率关系和电压关系来处理，所以建议对功率关系明确给出为好。

笔者在教材处理上，分两节处理。第一节课，主要通过实验归纳总结理想变压器模型，进而探究理想变压器的变压规律，通过练习理解频率关系和相位关系;第二节课，主要从理论上研究变压关系、变流关系等，进一步理解变压器的工作原理。

二、学情分析

1.知识基础

在上一章第6节中学生知道变压器是依据互感现象制成的，在第7节中学生知道什么是涡流，知道在变压器中减小涡流的办法是采用相互绝缘且电阻率大的硅钢片叠成铁芯。

2.教学效果

如果依据本节教材流程进行教学设计，根据教学实践和学生反馈的情况来看，普遍会有这样的疑惑：（1）能量损耗体现在哪几方面？（2）铁芯起到什么作用？（3）电压与线圈匝数到底存在着某种关系呢？（4）变压器能传输稳恒直流电吗？

学生对理想变压器的认知障碍，关键在于学生对铜损、铁损无感性的认识时，对于看不见摸不到的磁感线泄漏，更是难以想象。

三、教学目标

1.通过实物认识变压器的构造，知道变压器的功能，理解变压器是改变交流电电压的设备。

2.通过理想变压器模型建立和变压器规律的探究，培养学生理想化方法、对比实验法、观察法、归纳法、图象法、概念的建立等物理科学方法。同时，培养学生思维能力、语言表述能力、理解能力和动手能力。

3.通过例题理解变压器的频率关系和相位关系等问题。

4.通过实验探究培养学生实事求是的科学态度，使学生充分体会到能量守恒是普遍适用的，强化能量观念。

教学重点：理想变压器模型的建立和变压关系的探究。教学难点：对理想变压器的理解。

四、教学过程和设计意图

1.创设问题情境，导入新课内容

问题驱动：分析（1）在图示电路中，当线圈1接交流电源时，线圈2中有无感应电动势的产生？为什么？（2）对于负载灯泡线圈2起到了什么作用？

设计意图：第一个问题让学生从理论上进行分析，复习电磁感应相关规律，为下节理论探究打基础。第二个问题，意在让学生明白线圈2可以当等效电源来看，为后面铜损的分析做一个铺垫。

实验验证：学生互动交流后，实验验证第一个问题（为节省时间事先连好电路）。

器材：J2423型可拆变压器的红线圈0—2接6V交流电源，绿线圈0—1接小灯泡（2.5 V，0.3 A）。

引导学生观察现象，在电路连接完好的情况下，小灯泡不亮，学生会意识到可能是电压不够，再接上J0402型交流电压表（10 V量程），确实无示数，可能是电表灵敏度不够。经讨论知，线圈2产生的电动势不够大。

设计意图：通过理论分析和实验事实的认知冲突，激发学生的学习兴趣和求知欲望。

2.提出问题，解决问题

在不改变电源电压和频率的情况下，采用哪些方法可使线圈2产生的感应电动势增大？分组讨论，相互交流，提出解决问题的办法：改变线圈匝数、线圈靠近，线圈叠放在一起、加铁芯等方式。学生急于想知道他们提出的方法是否可行？学生求知欲得到进一步激发，教师指导学生逐一进行演示，发现当线圈叠放在一起并穿有铁芯时，小灯泡有微弱光亮。

学生会感觉到铁芯的神奇作用，对铁芯的作用有了感性的认知。此时，教师拿出变压器的U型铁芯，把线圈穿在两个臂上，缓慢移动“一字型”铁芯至与U型铁芯闭合。学生观察到小灯泡越来越亮，最后达到刺眼的程度。

设问：用铁芯为什么会有这样神奇的效果？

若无铁芯或铁芯不闭合时，原线圈中的磁感线只有一小部分贯穿副线圈，大部分漏失在外，有了闭合铁芯，由于铁芯被磁化，绝大部分磁感线集中在铁芯内部，贯穿整个副线圈，大大增强了传输电能的作用.

设计意图：这个问题的解答，学生有一定的难度，所以教师作为陈述性知识处理。这时学生对铁芯的作用——聚集磁感线的作用就有了非常直观的认识。同时，为提出漏磁概念做铺垫。

3.对比实验，继续探究

教师接着做一个操作，拧下小灯泡，学生观察电压表示数如何变化？

学生观察得出结论，電压表示数变高。

为什么断开小灯泡时，电压表示数会变大？引导学生从闭合电路欧姆定律分析出线圈2是有电阻的，相当于电源的内阻。

这是真的吗？提出疑问，并引导学生用欧姆表进一步测量检验。

4.建立理想化模型——理想变压器

①出示问题：实际变压器在能量传输的过程中都有哪几方面的能量损失？

②学生讨论，归纳总结。（1）磁感线的漏失——漏磁;（2）线圈有电阻，产生焦耳热——铜损;（3）铁芯在反复磁化时也发热——铁损。

③教师陈述：实际变压器的效率都很高，特别是大型变压器，效率可达97%～99.5%，所以理论研究时我们可以把它当成100%--理想变压器（即没有能量损失的变压器）。

設计意图：铁损在涡流中已经实验过，这里不重复讲述。强化理想化研究方法和能理守恒思想的普遍性。

5.探究线圈2匝数的影响

教师定性演示，用约1 m长的导线两端接好灯泡（2.5 V，0.3 A），用绿线圈0—1接交流电源16 V。用导线分别绕2、4、6、8、10匝，看小灯泡的亮度变化情况。

学生观察到匝数越多，小灯泡越亮，说明线圈2两端电压越高。我们把这种能改变电压的装置叫变压器。

设计意图：学生直观感受到副线圈匝数的影响

6.阅读教材，归纳总结

（1）几种变压器的外型;（2）电路符号;（3）结构示意图——结构。

7.分组实验，定量探究电压关系

采用控制变量法，分解探究任务，学生采集数据，分析数据，交流成果。

设计意图：培养学生的团结合作能力、动手能力、语言表达能力，图像法处理数据的能力，进一步体会控制变量法。

8.典型例题，进一步深化

例1               例2

【例1】计算图中电压表的示数

教师准备实验器材，学生计算完后，通过实验验证结果的正误。

结论：变压器是改变交流电的电压设备，不能传输稳恒直流电。

设计意图：意在让学生明白公式成立的条件。以退为进，让学生理解，变压器不能传输稳恒直流电。

【例2】图中理想变压器，在原线圈中输入正弦交流电u1=Umsinωt，请画出副线圈两端电压波形。

思考：理想变压器能不能改变频率和电流的大小？

设计意图：理解相位关系和频率关系.

9.课堂小结

（1）理想变压器的规律;（2）你学到了哪些物理科学思维和科学方法。

设计意图：学生相互补充，培养归纳总结的能力;显性强化物理科学思维和科学方法，促进发展学生核心素养。

综上所述，本节课教学一开始就采用问题驱动的方式及学生认知与现实的冲突来展开，激发学生的学习兴趣。本节巧妙的突破了理想变压器这个理想模型的建立，为了体现学生的主体地位，培养学生分析问题解决问题的能力，充分考虑到学生的认知水平，在教学中采用问题驱动、对比实验、探究实验、分组讨论、归纳总结等方法进行教学。整节课围绕教学资源开放、互动、自然生成，把探究课题分解为几个相对独立的小问题，逐一解决，符合新课程标准思想。

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

注：本文为保定市“十三五”教育科学规划课题《基于核心素养的高中物理实验探究教学的实践研究》（课题编号：19252）的阶段性研究成果。

（作者单位：河北保定外国语学校，河北 保定 071000）