深入挖掘實驗素材 發展學生思維能力
——高中“變壓器”教學設計與反思

肖祖祥/廣東省廣州市番禺區石碁中學

深入挖掘實驗素材 發展學生思維能力
——高中“變壓器”教學設計與反思

肖祖祥/廣東省廣州市番禺區石碁中學

實驗是物理學的重要內容，是落實物理教學目標、提高學生思維的重要途徑。思維是人腦將觀察、實驗取得的感性材料進行加工，上升為理性認識的過程。在物理教學中，應通過挖掘實驗素材，來促進學生思維能力的發展。

實驗素材；思維能力；變壓器

一、前言

實驗是物理學的重要內容，是落實物理教學目標、提高學生思維的重要途徑[1]。思維是人腦將觀察、實驗取得的感性材料進行加工，上升為理性認識的過程。高中生學習物理的思維過程主要有分析、綜合、抽象、概括；思維的形式有概念、判斷、推理。物理教學應通過對實驗教學資源的深入挖掘，來更好的啟發學生從感知到的現象出發進行思考，經過縝密的思維加工過程，深入事物的本質。

二、變壓器教學設計

“變壓器”是人教版高中物理選修3-2第5章的教學內容，“變壓器”是交流電路中一種常見的電器設備[2]，它是電磁感應教學的進一步延伸，互感現象是變壓器工作的基礎。本節課的重點應是通過實驗探究，幫助學生理解變壓器線圈兩端的電壓和匝數之間的關系。對學生而言，磁場和磁通量都是很抽象的概念，學生對電磁感應現象和變壓器缺乏感性認識，學習變壓器原理時，學生會感到困難。因此，這節課的教學設計應充分發揮實驗的作用，讓學生經歷思維過程，實現從感性認識到理性認識的跨越。

（一） 創設情境，引出問題

師：我們已經學習過交流電，家庭中使用的就是交流電，其電壓為220V。現在我們有一個接線板，人體安全電壓是36V，這里有一個學生電源，把它打開，當我們手接觸電源輸出端時卻沒有什么感覺？這是為什么呢？

生：輸入220V，輸出沒有感覺，表明輸出的電壓發生了變化。

師：大家看一下學生電源，上面有輸出電壓，輸出電壓的值可以選擇，而輸入電壓為220V，說明這里邊一定有一個改變電壓的裝置，我們將其稱為變壓器。同學們在生活中也接觸過各種各樣的變壓器，有哪些地方使用了呢？

生：高壓輸電、半導體收音機……

師：我們家里使用的各種電器的不同不見所需要的工作電壓是不一樣的，它的電路結構中也會應用到變壓器，其的結構是怎樣的呢？我這里有一個變壓器模型，請同學們觀察它的結構。

生：變壓器由線圈和鐵芯構成。

師：我們看一下教材上變壓器的結構，兩邊的線圈分別對應的是原線圈和副線圈。原線圈就是電壓輸入端，副線圈就是電壓輸出端。這樣看起來，變壓器的結構是不是很簡單，那它是怎么起到變壓的作用呢？

（二）挖掘實驗，提出猜想

師：把一個工作電壓為60V的燈泡，接到學生電源的兩端，電源電壓調至14V，閉合電源開關時，請同學們預測燈泡是否會亮呢？

生：不會。

師：通過實驗發現，燈泡的確沒有亮，這表明14V的電源不足以使燈泡發亮，那我們有什么辦法可以讓燈泡兩端電壓達到其工作電壓呢？

生：可以使用變壓器，通過變壓器的輸入、輸出端來改變大小。

師：我們現在需要的是使電壓變大，怎么才能使輸出端的電壓變大或電小呢？你認為輸出端副線圈兩端的電壓可能和哪些因素有關呢？

生：跟匝數有關，跟原線圈的電壓有關……

師：變壓器有原線圈和副線圈，是和原線圈的匝數有關，還是跟副線圈的匝數有關呢？

（三）學生實驗，引發沖突

師：根據大家的猜想與假設，影響因素有多個，我們如何來確定究竟是哪些因素影響了副線圈的電壓呢？

生：采用控制變量法。

師：請大家設計實驗方案，并進行實驗。

生：學生以小組為單位，在控制電壓不變的情況下，改變輸入端和輸出端的匝數，在開始嘗試200（原線圈）：800（副線圈）時，燈泡無法點亮。學生在更換為800（原線圈）:200（副線圈），燈泡仍無法點亮。學生又嘗試在保持200（原線圈）：800（副線圈）時，增加原線圈兩端的電壓，仍不能使燈泡點亮。

師：同學在實驗室，均是采用直流電源，現在如果我們換成交流電會怎么樣呢？

生：學生調整實驗方案，在更換為交流電后，當800（原線圈）:200（副線圈）時，燈泡仍無法點亮。但是在200（原線圈）：800（副線圈）時，燈泡被點亮。

師：同學們一定很好奇，為什么會這樣呢。實驗就是這樣探索的，知識才能夠不斷發展，在實驗過程中可能會機靈一些失敗，但是我們應仔細思考其中可能的問題，找出問題的癥結所在。為什么直流電不能讓燈泡點亮呢？

（四）建構模型，理論探究

師：分析電路結構，若原線圈接直流電時，會形成短路，因此副線圈的燈泡不但不會亮，還會導致原線圈燒壞。但是在介入交流電后，副線圈還是同樣的電路結構，為什么沒有燒壞，反而讓副線圈的燈泡點亮了呢？

生：根據電磁感應定律，當原線圈接交變電流時，在鐵芯中產生交變磁場，在副線圈中有變化的磁通量，從而在副線圈中產生感應電動勢，這是一種互感現象。

師：能不能從能量的角度來解釋變壓器的原理呢？

生：從能量轉換的角度來說，這一過程經歷了從電能到磁場能到電能的轉化過程，變壓器就是能量轉換的裝置。因為要產生磁場，則必須要有變化的電場，因此需要用交流電流。

師：我們接著討論影響副線圈電壓的因素，通過實驗發現最后能夠成功使副線圈燈泡點亮的，也就是副線圈電壓升高的匝數具有什么特點呢，請同學們做一個推測，原、副線圈的電壓與匝數有什么關系？

生：假設是一個理想的變壓器，忽略漏磁和渦流情況下，原、副線圈兩端的磁通量相等，在相同時間內，磁通量的變化也相等，根據法拉第電磁感應定律，可以推導出：U2/U1=N2/N1。

三 教學反思

教師不是知識的傳達帶，而是教學環境的設計者、學生學習活動的組織者和指導者、意義建構的合作者和促進者[3]。本節變壓器的設計，充分挖掘了從直流電源到交流電源實驗中素材，從教師演示到學生自主實驗的變化，引發學生的認知沖突，讓學生在實驗中認識了變壓器的結構，理解了變壓器的工作原理和工作規律。在物理實驗中，通過實驗資源的深入挖掘，讓學生經歷了建構模型、分析解釋、歸納歸納或演繹的推理和論證過程，對實驗結果進行科學概括，并敢于尋找實驗過程和結果中存在的問題等。全方位促進了學生思維能力的發展。

[1]閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2]王文斌.《變壓器》的教學設計[J].物理教學探討，2012，30（8）:78-80.

[3]顧明遠，孟繁華.國際教育新理念[M].海口：海南出版社，2006.

備注：本文為廣州市教育科研協作基地——基于“五環學習法”的特色發展研究基地（編號：14XZ16）的階段性研究成果。