基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)案例

岳寶良 董建兵

中圖分類號(hào)：G633.7?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1992-7711（2020）10-067-2

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)四個(gè)方面。其中“科學(xué)探究”在該書中被提及次數(shù)最多，共66次。“課程標(biāo)準(zhǔn)”指出，“在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)，這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要作用。”本文以《變壓器》教學(xué)為例展開(kāi)分析，在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中做出一些嘗試，以期對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)提供一些參考。

一、教材分析

1.變壓器的教學(xué)要求

從教材編寫來(lái)看，對(duì)于變壓器的教學(xué)要求是“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”，變壓關(guān)系也就從實(shí)驗(yàn)歸納得出，而不是理論推導(dǎo)，突出了實(shí)驗(yàn)探究在高中物理教學(xué)中的重要地位。

2.理想化模型的引入及建立過(guò)程簡(jiǎn)單

教材中未討論電流關(guān)系、頻率關(guān)系和相位關(guān)系，對(duì)功率關(guān)系和理想變壓器總共只交待了一句，“沒(méi)有能量損失的變壓器叫做理想變壓器”。理想化模型的引入及建立過(guò)程簡(jiǎn)單。

3.明確給出功率關(guān)系十分必要

課后習(xí)題和《電能的輸送》一節(jié)卻明確要用到功率關(guān)系，對(duì)于電流關(guān)系一般處理方法是用功率關(guān)系和電壓關(guān)系來(lái)處理，所以建議對(duì)功率關(guān)系明確給出為好。

筆者在教材處理上，分兩節(jié)處理。第一節(jié)課，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)理想變壓器模型，進(jìn)而探究理想變壓器的變壓規(guī)律，通過(guò)練習(xí)理解頻率關(guān)系和相位關(guān)系;第二節(jié)課，主要從理論上研究變壓關(guān)系、變流關(guān)系等，進(jìn)一步理解變壓器的工作原理。

二、學(xué)情分析

1.知識(shí)基礎(chǔ)

在上一章第6節(jié)中學(xué)生知道變壓器是依據(jù)互感現(xiàn)象制成的，在第7節(jié)中學(xué)生知道什么是渦流，知道在變壓器中減小渦流的辦法是采用相互絕緣且電阻率大的硅鋼片疊成鐵芯。

2.教學(xué)效果

如果依據(jù)本節(jié)教材流程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生反饋的情況來(lái)看，普遍會(huì)有這樣的疑惑：（1）能量損耗體現(xiàn)在哪幾方面？（2）鐵芯起到什么作用？（3）電壓與線圈匝數(shù)到底存在著某種關(guān)系呢？（4）變壓器能傳輸穩(wěn)恒直流電嗎？

學(xué)生對(duì)理想變壓器的認(rèn)知障礙，關(guān)鍵在于學(xué)生對(duì)銅損、鐵損無(wú)感性的認(rèn)識(shí)時(shí)，對(duì)于看不見(jiàn)摸不到的磁感線泄漏，更是難以想象。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)實(shí)物認(rèn)識(shí)變壓器的構(gòu)造，知道變壓器的功能，理解變壓器是改變交流電電壓的設(shè)備。

2.通過(guò)理想變壓器模型建立和變壓器規(guī)律的探究，培養(yǎng)學(xué)生理想化方法、對(duì)比實(shí)驗(yàn)法、觀察法、歸納法、圖象法、概念的建立等物理科學(xué)方法。同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、語(yǔ)言表述能力、理解能力和動(dòng)手能力。

3.通過(guò)例題理解變壓器的頻率關(guān)系和相位關(guān)系等問(wèn)題。

4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生充分體會(huì)到能量守恒是普遍適用的，強(qiáng)化能量觀念。

教學(xué)重點(diǎn)：理想變壓器模型的建立和變壓關(guān)系的探究。教學(xué)難點(diǎn)：對(duì)理想變壓器的理解。

四、教學(xué)過(guò)程和設(shè)計(jì)意圖

1.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，導(dǎo)入新課內(nèi)容

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)：分析（1）在圖示電路中，當(dāng)線圈1接交流電源時(shí)，線圈2中有無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生？為什么？（2）對(duì)于負(fù)載燈泡線圈2起到了什么作用？

設(shè)計(jì)意圖：第一個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生從理論上進(jìn)行分析，復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)相關(guān)規(guī)律，為下節(jié)理論探究打基礎(chǔ)。第二個(gè)問(wèn)題，意在讓學(xué)生明白線圈2可以當(dāng)?shù)刃щ娫磥?lái)看，為后面銅損的分析做一個(gè)鋪墊。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：學(xué)生互動(dòng)交流后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第一個(gè)問(wèn)題（為節(jié)省時(shí)間事先連好電路）。

器材：J2423型可拆變壓器的紅線圈0—2接6V交流電源，綠線圈0—1接小燈泡（2.5 V，0.3 A）。

引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，在電路連接完好的情況下，小燈泡不亮，學(xué)生會(huì)意識(shí)到可能是電壓不夠，再接上J0402型交流電壓表（10 V量程），確實(shí)無(wú)示數(shù)，可能是電表靈敏度不夠。經(jīng)討論知，線圈2產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不夠大。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。

2.提出問(wèn)題，解決問(wèn)題

在不改變電源電壓和頻率的情況下，采用哪些方法可使線圈2產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大？分組討論，相互交流，提出解決問(wèn)題的辦法：改變線圈匝數(shù)、線圈靠近，線圈疊放在一起、加鐵芯等方式。學(xué)生急于想知道他們提出的方法是否可行？學(xué)生求知欲得到進(jìn)一步激發(fā)，教師指導(dǎo)學(xué)生逐一進(jìn)行演示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈疊放在一起并穿有鐵芯時(shí)，小燈泡有微弱光亮。

學(xué)生會(huì)感覺(jué)到鐵芯的神奇作用，對(duì)鐵芯的作用有了感性的認(rèn)知。此時(shí)，教師拿出變壓器的U型鐵芯，把線圈穿在兩個(gè)臂上，緩慢移動(dòng)“一字型”鐵芯至與U型鐵芯閉合。學(xué)生觀察到小燈泡越來(lái)越亮，最后達(dá)到刺眼的程度。

設(shè)問(wèn)：用鐵芯為什么會(huì)有這樣神奇的效果？

若無(wú)鐵芯或鐵芯不閉合時(shí)，原線圈中的磁感線只有一小部分貫穿副線圈，大部分漏失在外，有了閉合鐵芯，由于鐵芯被磁化，絕大部分磁感線集中在鐵芯內(nèi)部，貫穿整個(gè)副線圈，大大增強(qiáng)了傳輸電能的作用.

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)問(wèn)題的解答，學(xué)生有一定的難度，所以教師作為陳述性知識(shí)處理。這時(shí)學(xué)生對(duì)鐵芯的作用——聚集磁感線的作用就有了非常直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，為提出漏磁概念做鋪墊。

3.對(duì)比實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)探究

教師接著做一個(gè)操作，擰下小燈泡，學(xué)生觀察電壓表示數(shù)如何變化？

學(xué)生觀察得出結(jié)論，電壓表示數(shù)變高。

為什么斷開(kāi)小燈泡時(shí)，電壓表示數(shù)會(huì)變大？引導(dǎo)學(xué)生從閉合電路歐姆定律分析出線圈2是有電阻的，相當(dāng)于電源的內(nèi)阻。

這是真的嗎？提出疑問(wèn)，并引導(dǎo)學(xué)生用歐姆表進(jìn)一步測(cè)量檢驗(yàn)。

4.建立理想化模型——理想變壓器

①出示問(wèn)題：實(shí)際變壓器在能量傳輸?shù)倪^(guò)程中都有哪幾方面的能量損失？

②學(xué)生討論，歸納總結(jié)。（1）磁感線的漏失——漏磁;（2）線圈有電阻，產(chǎn)生焦耳熱——銅損;（3）鐵芯在反復(fù)磁化時(shí)也發(fā)熱——鐵損。

③教師陳述：實(shí)際變壓器的效率都很高，特別是大型變壓器，效率可達(dá)97%～99.5%，所以理論研究時(shí)我們可以把它當(dāng)成100%--理想變壓器（即沒(méi)有能量損失的變壓器）。

設(shè)計(jì)意圖：鐵損在渦流中已經(jīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)，這里不重復(fù)講述。強(qiáng)化理想化研究方法和能理守恒思想的普遍性。

5.探究線圈2匝數(shù)的影響

教師定性演示，用約1 m長(zhǎng)的導(dǎo)線兩端接好燈泡（2.5 V，0.3 A），用綠線圈0—1接交流電源16 V。用導(dǎo)線分別繞2、4、6、8、10匝，看小燈泡的亮度變化情況。

學(xué)生觀察到匝數(shù)越多，小燈泡越亮，說(shuō)明線圈2兩端電壓越高。我們把這種能改變電壓的裝置叫變壓器。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生直觀感受到副線圈匝數(shù)的影響

6.閱讀教材，歸納總結(jié)

（1）幾種變壓器的外型;（2）電路符號(hào);（3）結(jié)構(gòu)示意圖——結(jié)構(gòu)。

7.分組實(shí)驗(yàn)，定量探究電壓關(guān)系

采用控制變量法，分解探究任務(wù)，學(xué)生采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，交流成果。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作能力、動(dòng)手能力、語(yǔ)言表達(dá)能力，圖像法處理數(shù)據(jù)的能力，進(jìn)一步體會(huì)控制變量法。

8.典型例題，進(jìn)一步深化

例1?????????????? 例2

【例1】計(jì)算圖中電壓表的示數(shù)

教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生計(jì)算完后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的正誤。

結(jié)論：變壓器是改變交流電的電壓設(shè)備，不能傳輸穩(wěn)恒直流電。

設(shè)計(jì)意圖：意在讓學(xué)生明白公式成立的條件。以退為進(jìn)，讓學(xué)生理解，變壓器不能傳輸穩(wěn)恒直流電。

【例2】圖中理想變壓器，在原線圈中輸入正弦交流電u1=Umsinωt，請(qǐng)畫出副線圈兩端電壓波形。

思考：理想變壓器能不能改變頻率和電流的大小？

設(shè)計(jì)意圖：理解相位關(guān)系和頻率關(guān)系.

9.課堂小結(jié)

（1）理想變壓器的規(guī)律;（2）你學(xué)到了哪些物理科學(xué)思維和科學(xué)方法。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生相互補(bǔ)充，培養(yǎng)歸納總結(jié)的能力;顯性強(qiáng)化物理科學(xué)思維和科學(xué)方法，促進(jìn)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

綜上所述，本節(jié)課教學(xué)一開(kāi)始就采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的方式及學(xué)生認(rèn)知與現(xiàn)實(shí)的沖突來(lái)展開(kāi)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本節(jié)巧妙的突破了理想變壓器這個(gè)理想模型的建立，為了體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，充分考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，在教學(xué)中采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、分組討論、歸納總結(jié)等方法進(jìn)行教學(xué)。整節(jié)課圍繞教學(xué)資源開(kāi)放、互動(dòng)、自然生成，把探究課題分解為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小問(wèn)題，逐一解決，符合新課程標(biāo)準(zhǔn)思想。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

注：本文為保定市“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《基于核心素養(yǎng)的高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的實(shí)踐研究》（課題編號(hào)：19252）的階段性研究成果。

（作者單位：河北保定外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，河北 保定 071000）