聚焦课堂情境教学 培养创新思维能力——以“变压器”创新教学片段实录为例

丁洪良

（丹阳市教师发展中心，江苏 丹阳 212300）

教材中关于变压器的教学采用的是平铺直叙式，直接给出变压器的结构示意图（图1）并配以相应的文字，介绍其工作原理.笔者认为这样的教学没有情境的支撑，缺少生成性过程，不利于学生创新思维能力的培养.以下介绍笔者在设计本节课时，以培养创新思维能力为立意，聚集情境教学的课堂实录片段，供大家参考.

图1

1 实录片段1：关于变压器结构的生成性情境教学

1.1 魔术实验，设疑激趣

将一串联小灯泡的线圈水平靠近一被蓝布覆盖的柱状物，发现小灯泡发光了.教师提问，能否根据前面学过的知识，猜想“隔空点灯”背后的物理奥秘？

通过讨论，学生认为蓝布下方有一个装置能产生变化的磁场，揭开蓝布后，发现该装置是一个接在220 V交流电源上的通电线圈（图2）.原理在于交流电源能使线圈1产生变化的磁场，从而在上方线圈2中激发出感应电流使小灯泡发光.通过这一魔术化的情境性体验和基于前期已学知识的分析，学生能充分体会到学以致用、成功揭秘的快意，激起进一步学习的欲望.

图2

1.2 进阶驱动，思维创新

思维进阶1.实验发现线圈2离线圈1越近，小灯越亮，反之越暗甚至不发光，如何解释两线圈距离远近改变时对灯泡亮度变化的影响呢？学生讨论认为，两线圈越远，线圈2处的磁场越弱，磁通量的变化率越小，故线圈2中产生的感应电动势也越小.

思维进阶2.既然线圈1所产生的磁场的强弱对线圈2中感应电动势的影响明显，那有什么方法可以增加线圈1的磁感应强度呢？学生讨论认为，最简单的方法就是在线圈1中加入铁芯.教师立刻进行对比实验，发现加入铁芯后，在其他条件不变的情况下，小灯泡亮度增加非常明显（图4-1与图4-2对比）.

思维进阶3.教师进一步提问，加入铁芯后，你认为铁芯对磁感线的分布有什么影响？如何证明你的猜想？学生讨论认为，磁感线主要集中在铁芯的内部，原因是当线圈2完全套在铁芯上并上下移动线圈2小灯泡的亮度几乎没有任何变化，说明铁芯不仅有“增磁”的作用，而且还有“聚磁”的作用，示意图见图3.

图3

思维进阶4.实验发现，当线圈1在线圈2侧面时，感应效果很差，该如何解决这一问题？学生讨论后认为，由于磁感线主要分布在铁芯内部，故只要将铁芯延长并弯折使其通过线圈2，当场实验结果证明学生的设计的确是可行的（图4-3）.这样铁芯又起到了“导磁”的作用，这一功能使得两线圈的相对位置不再单一，可以根据实际需要适当调整.

思维进阶5.由于磁感线在开放磁体的两端发散比较厉害（图2、图3），“漏磁”比较严重，如何进一步改进来解决漏磁问题？学生认为可以把铁芯首尾相连，做成闭合的回字形即可，实验结果非常好（图4-4）.

图4 实验对照图

通过以上连续的进阶设问，引导学生不断进行创新思考，并不断加以实验验证，从简单的电磁感应现象到最终创新设计出变压器的基本构造（图4-5），不仅锻炼了学生科学思维的能力，学生也在实验情境中轻松理解了变压器铁芯的“增、聚、导”磁的3个基本功能.相比于陈述告之式的教学方式，这种设计和操作更能让学生有学习参与感，在沉浸式的学习情境中，浅移默化地提升了创新思维能力.

图5 原理示意图

2 实录片段2：关于铁芯构造的体验性情境教学

2.1 再次实验，体验升级

将一根实心铁棒作为铁芯插入线圈1（图6），重复图4-2的实验，通电一段时间后断开电源，请一学生上讲台用手触摸一下铁芯，学生手摸了铁芯后猛然缩回，教师问学生有什么感受？学生回答说有烫手的感觉.教师可以再安排其他部分学生进行相同体验，但由于时间原因，不能保证每位学生都能进行切身体验.为进行弥补，可以现场使用红外线温度计对铁芯进行测温，发现温度高达60℃以上（图7）.同样教师也让学生再次触摸线圈1，依然有烫手的现象，测温也在60℃左右（图8）.

图6

图7

图8

2.2 进阶思考，解疑释惑

思维进阶1.铁芯发热的原因是什么？学生分析：铁芯中有变化的磁场.磁通量发生变化时，会在铁芯中产生涡流.

思维进阶3.教师进一步提示，导体中产生电流的基本条件是什么？能否从这个角度再次思考？此时学生会发现最简单的方法，就是设法切断电流产生的回路，可以考虑将铁芯沿可能的涡流路径将其切割成片状，相邻铁片之间加绝缘物隔离即可.

思维进阶4.安排学生当场拆解一可拆变压器铁芯，观察其构造并对比是否与其设想相吻合.学生拆解后发现，原来实际应用的铁芯的确并不是完整一个实体，而是由许多涂了绝缘漆的薄硅钢片叠合而成的（图9）.其设计非常巧妙地将大范围涡流产生的条件彻底破坏了，做得薄则可以更有效地在小范围内降低涡流产生的可能性和强度，将工作发热量降低到尽可能小.当学生们发现其实际结构与自己的想法基本吻合时，都显得特别兴奋.

图9

通过以上理论思维分析和切身情境实践体验，学生会认识到变压器线圈通过电流时会发热，铁芯在交变磁场的作用下也会发热，交变电流产生的磁场也不可能完全局限在铁芯内.所有这些，使得变压器工作时有能量损失.但如果变压器的能量损失很小，可以忽略，我们就把没有能量损失的变压器叫作理想变压器，学生自然也就能真正理解“理想”的含义了.

3 实录片段3：关于无线充电的实践性情境教学

2019版新教材在本节“科学漫步”环节中增设了“无线充电技术”这一密切联系生活的应用型情境素材，教师可以带领学生现场将一部没有无线充电功能的手机改造成具有无线充电功能的手机.

素材准备：① 发射器（图10），它由发线线圈、驱动板两部分组成，5 V供电口可以直接接入手机充电线；② 接收器，图11和12分别为其使用外观图和原理示意图，将其贴在手机背面，输出端与手机充电口相连.以上材料均可网购获得，总计20元左右.

图10

图11

图12

实验效果：驱动板通电后，将背面贴有接收器的手机放在发射器线圈上，即能看到手机进入了充电状态，效果十分理想（图13）.

图13

实践反思：实验发现，发射器和接收器必须紧密贴合，否则会导致充电不稳定或无法充电.通过事实，学生可以认知到，目前无线充电技术都存在着传输距离短、成本高、能量损耗大等不足，其技术有待进一步优化.

通过这一实践活动，手机无线充电在学生心中的“神秘感”一下就会得到释放，学生发现所谓高科技其实就是所学基本知识的实践应用，只要掌握了相关科学知识，一切美好的设想通过努力就能实现，能很好地激发学生进一步学习的信心和愿望.