基于学习进阶理论的高中物理教学设计初探

摘 要：基于学习进阶理论，在设计“变压器”课程时，教师首先要通过学情分析和进阶需求来确定学习起点，并清晰界定学习目标。接着，教师应规划中间的认知阶段，绘制出学习进阶的路线图。通过实施高效的教学策略，教师能够促进学生在知识、思维和素养方面的全面进步。

关键词：学习进阶；变压器；高中物理

知识的学习和物理思维的培养都是循序渐进的过程。学习进阶（Learning Progressions，简称LPs）是对学生连贯且逐渐深入发展的思维方式的假定描述。当学生在学习和探究某一重要的知识或实践领域时，他们的思维方式会逐渐进阶，这种进阶是循序渐进且螺旋式上升的。学习进阶理论强调，学习进阶并非一个自发的发展过程，教师通过精心的教学设计和富有魅力的课堂教学可以促进这种进阶的发生。此外，学习进阶的路径并非唯一，在学习过程中可能出现多种进阶路径。也就是说，在学习中，“阶”需要被促发。因此，通过合理利用学习进阶理论，教师可以根据学生的实际情况来定位学习起点、明确学习目标、设定中间认知状态，并形成学习过程的进阶线路图。通过实施循序渐进的教学，教师能够促进学生认知的逐渐进阶，最终实现学生物理核心素养的培养与进阶。

学习进阶包含五个要素：①进阶终点，即学习的最终目标；②进阶变量，涉及学生必须掌握的知识内容；③多个相互关联的水平层次，对它们的细致分析和研究构成了确定学习进阶的基础；④学习表现，它描述了学生在特定水平层次上能够实现的阶段性目标，为学习评价提供了标准；⑤评价方式，用于监测学生随时间进步的程度，以检验其学习发展是否与预设的进阶路径相符。这五个要素共同为教学设计提供了内容和方向。本文依据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》），尝试运用学习进阶理论来探讨变压器的教学方法，旨在为学习进阶理论在高中物理教学中的应用提供一些启示。

1 教材和学情分析

根据《课程标准》，“电磁感应及其应用课程”的目标是让学生通过实验，探究并了解变压器原、副线圈电压与匝数的关系。［1］通过理想变压器模型的建构，课程将进一步加深学生对电磁感应规律的理解；通过变压器能量的转化，课程还能深化能量守恒思想的观念，培养学生的实验操作能力和证据推理素养。

在此阶段学生已经掌握了电磁感应、互感以及电路的相关知识，并且对变压器有所了解。然而，学生对变压器的具体构造尚不熟悉，对铁芯的作用知之甚少，且对变压器的工作原理和基本特性都不够清楚。

2 变压器知识的学习进阶构建

进阶终点（学习目标）：掌握理想变压器的电压、电流和功率的变化规律，并培养解决问题的能力。

进阶变量：对变压器模型的理解程度。

水平层次分为三个阶段：①认识并建立变压器模型的基础；②通过实验探究和理论推导深入理解理想变压器模型；③运用变压器的规律解决实际问题。

学习表现：学生在学习变压器的各个阶段都应积极构建知识体系（如图1所示）。

评价方式：通过学生对变压器原理的应用，来反馈学生对变压器内容的掌握情况。［2，3］

3 主要教学片段

3.1 教学片段一——引入模型

演示实验：隔空点亮小灯（如图2所示）。

教师分别用直流电和交流电作为电源输入，让学生观察小灯的发光情况；接着，改变与小灯相连的线圈的匝数，再次让学生观察小灯的发光情况。

学生观察到的实验现象包括：①当使用直流电时，小灯不发光；而当使用交流电时，小灯发光。②当使用交流电且与小灯相连的线圈匝数增加时，小灯的亮度也增加。

教师通过提问引导使学生明白其中的互感原理以及小灯两端的电压与匝数有关，同时强调直流电无法产生互感现象。

设计意图：观察同一个实验的现象时，学生的体会各不相同。一些学生仅仅注意到了表面的现象，而另一些学生则会深入思考现象背后的原因。教师这时加以提问，能够促进学生的思考，同时加深学生对实验的印象，并帮助学生强化新知识与已有知识之间的联系。同时学生也发现在这个互感现象中，匝数变化导致小灯的电压也发生改变。通过这个演示实验，教师能够引导学生观察和体验互感现象，并鼓励不同思维层次的学生相互学习、互补不足，从而帮助学生提升自己的认知水平，为思维的进一步发展打下基础。

3.2 教学片段二——建立模型

首先，教师介绍不同家用电器的工作电压，让学生了解电压可以根据实际需求进行调整，而实现这一功能的设备就是变压器。教师通过展示生活中各种变压器的图片，让学生对变压器有直观的认识。

其次，教师详细讲解变压器的构造及其在电路中的符号表示，在此之后，鼓励学生仔细观察，让学生亲自动手拆卸变压器，然后再重新组装，以帮助学生加深对变压器结构的理解。

最后，在学生动手操作的过程中，教师可以进行提问，如“为什么铁芯的结构是层状的？”“铁芯上部的横梁如何放置才能达到最佳效果？”等。教师用这些问题来引导学生深入思考，从而帮助他们理解变压器的工作原理。

设计意图：首先，让学生通过日常生活中的设备来认识和了解变压器，然后学习变压器的构造。其次，通过拆解和复原变压器的实践活动，可以让学生更深入地熟悉变压器的结构，更加了解铁芯的结构，为后续实验现象的观察和原因分析打下基础。最后，观察铁芯的层状结构和横梁的竖放方式（片状），可以引导学生将这一结构与之前学习的涡流知识相联系，并为之后学习漏磁知识做好准备。学生的知识学习是逐步深入的，教师应当关注学生已有的知识，并挖掘新、旧知识之间的关联，这样有利于设计关键问题，帮助学生在思维上实现进阶。

3.3 教学片段三——理解模型

通过前面的实验和介绍，学生已经知晓变压器可以改变电压。接下来，教师需要引导学生思考副线圈的输出电压可能受到哪些因素的影响。学生可能会猜测副线圈的输出电压与原线圈的电压和原、副线圈的匝数有关。此时，教师可以提示学生采用控制变量法来进行研究。研究得到的数据记录表如表1所示。

实验结果表明，在实验误差允许的范围内，变压器的原、副线圈电压之比与匝数之比呈现出相等关系。

教师引导学生发现实验结果与理论值有差距，并且原、副线圈电压之比总是小于原、副线圈匝数之比，从而分析出实验存在偶然误差和系统误差，且系统误差是主要因素。随后，教师可进一步引导学生探讨可能导致系统误差的几个因素：导线有电阻、铁芯有漏磁（学生没有经验，通过观察实验后发现总结）、铁芯发热（涡流）。

在分析实验误差之后，教师可以引导学生基于实验结论进行理论推导，以加深理解，推导过程如下。

在任意时刻，忽略两个线圈电阻和漏磁时，Φ1＝Φ2；取一个很短的时间间隔Δt，在这段时间内ΔΦ1＝ΔΦ2。

又因为E1＝n1ΔΦ1Δt、E2＝n2ΔΦ2Δt，

且U1＝E1、U2＝E2，所以U1U2＝n1n2。

最后，教师向学生介绍：从能量转化的角度来看，如果忽略线圈的电阻、漏磁以及铁芯中的涡流效应，变压器在能量传输过程中不会有能量损耗，这种理想的模型被称为理想变压器。在理想变压器中，原线圈和副线圈的功率比是1∶1。而在实际应用中，变压器在满负荷工作时的效率可以超过95 %，因此在精度要求不高的情况下，学生可以使用理想变压器的简化关系进行计算。

设计意图：对于探究变压器原、副线圈的电压与匝数关系的实验，学生通常能够较容易地得出实验结论。然而，如果在数据分析时对误差处理过于模糊，仅仅以“在实验误差允许的范围内”一句话带过，就会让学生错失深入思考的机会。尽管教师可以告知学生变压器存在铜损、铁损和漏磁等问题，但若学生不通过深入分析实验数据，仅仅死记硬背这些知识，将无法有效锻炼思维能力。教师引导学生发现误差的规律并探究产生误差的原因，有助于学生思维的提升，有利于帮助学生找到分析误差的有效切入点。通过这样的过程，学生能够深刻理解理想变压器的概念，并在未来的学习中遇到类似问题时，运用这种分析方法来解决问题。

在学习了变压器的原理之后，教师向学生展示一个小型降压变压器（如图3所示），并请学生辨认哪个是原线圈。大多数学生可能会认为是左边的线圈，因为它的匝数看起来更多。此时，教师可以展示表2中漆包线直径和最大载流对照数据，并要求学生使用除比较匝数多少的方法之外的方式解释他们的答案。通过

观察和分析，学生很快就会发现两个线圈的导线粗细不同。利用理想变压器能量没有损耗的特点，学生可以应用公式U1I1＝U2I2来推断，由于流过原线圈的电流较小，因此原线圈的导线应该会相对较细。

教师进一步提问关于原、副线圈中的电流与匝数之间的关系。学生通常能够迅速得出I1I2＝n2n1。

设计意图：在探索一个问题时，学生可能会有多种思考角度，其中一些角度是可行且严谨的，而另一些可能不够严谨，甚至可能是错误的。在这种情况下，教师的引导至关重要。教师应该在学生认知出现冲突的地方提出问题，引导学生通过解决问题来发展他们的认知，并实现思维的进阶。

3.4 教学片段四——模型应用与拓展

教师展示手机无线充电，告诉学生充电器和手机内部各有一个线圈。接着，教师拿出一个没有无线充电功能的手机，询问学生能否给该手机进行无线充电。

学生想到给手机外接一个线圈。教师展示无线充电贴片及其内部结构（如图4所示），贴片内部也有个线圈，充电器中线圈的电能最后传给了贴片中的线圈，贴片就像一个能量中转站，再把电能输送给手机。

设计意图：通过展示手机的无线充电功能和改造普通手机的充电功能，让学生进一步理解电磁感应定律。从传统的变压器模型转变到无线充电模型，教师能让学生在教学中感受更加深刻，促进学生多角度思考和解决问题。

4 教学反思

基于学习进阶理论，在每个教学环节中，我们都注重围绕核心概念设置合理的问题，并通过铺设学习台阶来引导学生积极思考，从而促进学生在知识层面和思维层面的双重提升。然而，在探究原、副线圈电压与匝数关系的过程中，有两个问题并未在课堂上深入讨论。一是有学生还是纠结交流电的频率是否会影响感应电动势。对于这部分学生的疑问，教师只有课下再做进一步的解释，需要补充一些知识帮助其解决疑惑。二是对于实验数据的观察。有部分同学观察到，匝数比都是2的情况下，匝数越多，电压之比越小。尽管教师在备课时尽可能多地预设了许多情况，但学生的探索和发现往往会超出预期，带来新的视角和突破。这正是学习进阶理论的核心价值所在——它鼓励学生通过实践和探究来构建知识体系，从而促进学生的深度学习和思维发展。［4，5］

在教学过程中，教师引入现实世界中真实和复杂的问题，有助于学生构建结构化的知识体系，并培养学生的核心素养。在探究变压器的原、副线圈电压与匝数关系的实验中，实验使用的电压测量仪器不是数字电压表，这会造成测得的数据未能呈现出“一边倒”的情况。这主要是因为普通电压表的内阻相对较小，而数字电压表的内阻可以高达6～10MΩ。实验中使用数字电压表可以减少测量误差，使学生能够更准确地抓住问题的关键，从有效的数据中得出结论。这样的教学方法能够拓宽学生的思考方式，促进他们的思维进阶。

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（2017年版2020年修订）［M］. 北京：人民教育出版社，2020：28-29．

［2］王丹，史红姝. 物理学科核心素养导向下的单元教学设计探索——以“交变电流”为例［J］. 中学物理，2021，39（23）：40-42．

［3］赵绍明. 深度学习视角下的高中物理建模教学设计——以“变压器”建模为例［J］. 物理教师. 2022，43（5）：6-10．

［4］覃捷. 学习进阶视角下的高中物理大单元教学设计——以“交变电流”为例［J］. 中学物理教学参考，2023，52（17）：29-31．

［5］缪婧钥，姜玉梅，高正球. 基于核心素养的高中物理大单元教学设计探讨——以“交变电流”单元为例［J］. 物理之友，2022，38（9）：22-25．