聚焦課堂情境教學(xué) 培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力
——以“變壓器”創(chuàng)新教學(xué)片段實錄為例

丁洪良

（丹陽市教師發(fā)展中心，江蘇 丹陽 212300）

教材中關(guān)于變壓器的教學(xué)采用的是平鋪直敘式，直接給出變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）并配以相應(yīng)的文字，介紹其工作原理.筆者認為這樣的教學(xué)沒有情境的支撐，缺少生成性過程，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng).以下介紹筆者在設(shè)計本節(jié)課時，以培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力為立意，聚集情境教學(xué)的課堂實錄片段，供大家參考.

圖1

1 實錄片段1：關(guān)于變壓器結(jié)構(gòu)的生成性情境教學(xué)

1.1 魔術(shù)實驗，設(shè)疑激趣

將一串聯(lián)小燈泡的線圈水平靠近一被藍布覆蓋的柱狀物，發(fā)現(xiàn)小燈泡發(fā)光了.教師提問，能否根據(jù)前面學(xué)過的知識，猜想“隔空點燈”背后的物理奧秘？

通過討論，學(xué)生認為藍布下方有一個裝置能產(chǎn)生變化的磁場，揭開藍布后，發(fā)現(xiàn)該裝置是一個接在220 V交流電源上的通電線圈（圖2）.原理在于交流電源能使線圈1產(chǎn)生變化的磁場，從而在上方線圈2中激發(fā)出感應(yīng)電流使小燈泡發(fā)光.通過這一魔術(shù)化的情境性體驗和基于前期已學(xué)知識的分析，學(xué)生能充分體會到學(xué)以致用、成功揭秘的快意，激起進一步學(xué)習(xí)的欲望.

圖2

1.2 進階驅(qū)動，思維創(chuàng)新

思維進階1.實驗發(fā)現(xiàn)線圈2離線圈1越近，小燈越亮，反之越暗甚至不發(fā)光，如何解釋兩線圈距離遠近改變時對燈泡亮度變化的影響呢？學(xué)生討論認為，兩線圈越遠，線圈2處的磁場越弱，磁通量的變化率越小，故線圈2中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也越小.

思維進階2.既然線圈1所產(chǎn)生的磁場的強弱對線圈2中感應(yīng)電動勢的影響明顯，那有什么方法可以增加線圈1的磁感應(yīng)強度呢？學(xué)生討論認為，最簡單的方法就是在線圈1中加入鐵芯.教師立刻進行對比實驗，發(fā)現(xiàn)加入鐵芯后，在其他條件不變的情況下，小燈泡亮度增加非常明顯（圖4-1與圖4-2對比）.

思維進階3.教師進一步提問，加入鐵芯后，你認為鐵芯對磁感線的分布有什么影響？如何證明你的猜想？學(xué)生討論認為，磁感線主要集中在鐵芯的內(nèi)部，原因是當(dāng)線圈2完全套在鐵芯上并上下移動線圈2小燈泡的亮度幾乎沒有任何變化，說明鐵芯不僅有“增磁”的作用，而且還有“聚磁”的作用，示意圖見圖3.

圖3

思維進階4.實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線圈1在線圈2側(cè)面時，感應(yīng)效果很差，該如何解決這一問題？學(xué)生討論后認為，由于磁感線主要分布在鐵芯內(nèi)部，故只要將鐵芯延長并彎折使其通過線圈2，當(dāng)場實驗結(jié)果證明學(xué)生的設(shè)計的確是可行的（圖4-3）.這樣鐵芯又起到了“導(dǎo)磁”的作用，這一功能使得兩線圈的相對位置不再單一，可以根據(jù)實際需要適當(dāng)調(diào)整.

思維進階5.由于磁感線在開放磁體的兩端發(fā)散比較厲害（圖2、圖3），“漏磁”比較嚴重，如何進一步改進來解決漏磁問題？學(xué)生認為可以把鐵芯首尾相連，做成閉合的回字形即可，實驗結(jié)果非常好（圖4-4）.

圖4 實驗對照圖

通過以上連續(xù)的進階設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生不斷進行創(chuàng)新思考，并不斷加以實驗驗證，從簡單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象到最終創(chuàng)新設(shè)計出變壓器的基本構(gòu)造（圖4-5），不僅鍛煉了學(xué)生科學(xué)思維的能力，學(xué)生也在實驗情境中輕松理解了變壓器鐵芯的“增、聚、導(dǎo)”磁的3個基本功能.相比于陳述告之式的教學(xué)方式，這種設(shè)計和操作更能讓學(xué)生有學(xué)習(xí)參與感，在沉浸式的學(xué)習(xí)情境中，淺移默化地提升了創(chuàng)新思維能力.

圖5 原理示意圖

2 實錄片段2：關(guān)于鐵芯構(gòu)造的體驗性情境教學(xué)

2.1 再次實驗，體驗升級

將一根實心鐵棒作為鐵芯插入線圈1（圖6），重復(fù)圖4-2的實驗，通電一段時間后斷開電源，請一學(xué)生上講臺用手觸摸一下鐵芯，學(xué)生手摸了鐵芯后猛然縮回，教師問學(xué)生有什么感受？學(xué)生回答說有燙手的感覺.教師可以再安排其他部分學(xué)生進行相同體驗，但由于時間原因，不能保證每位學(xué)生都能進行切身體驗.為進行彌補，可以現(xiàn)場使用紅外線溫度計對鐵芯進行測溫，發(fā)現(xiàn)溫度高達60℃以上（圖7）.同樣教師也讓學(xué)生再次觸摸線圈1，依然有燙手的現(xiàn)象，測溫也在60℃左右（圖8）.

圖6

圖7

圖8

2.2 進階思考，解疑釋惑

思維進階1.鐵芯發(fā)熱的原因是什么？學(xué)生分析：鐵芯中有變化的磁場.磁通量發(fā)生變化時，會在鐵芯中產(chǎn)生渦流.

思維進階3.教師進一步提示，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的基本條件是什么？能否從這個角度再次思考？此時學(xué)生會發(fā)現(xiàn)最簡單的方法，就是設(shè)法切斷電流產(chǎn)生的回路，可以考慮將鐵芯沿可能的渦流路徑將其切割成片狀，相鄰鐵片之間加絕緣物隔離即可.

思維進階4.安排學(xué)生當(dāng)場拆解一可拆變壓器鐵芯，觀察其構(gòu)造并對比是否與其設(shè)想相吻合.學(xué)生拆解后發(fā)現(xiàn)，原來實際應(yīng)用的鐵芯的確并不是完整一個實體，而是由許多涂了絕緣漆的薄硅鋼片疊合而成的（圖9）.其設(shè)計非常巧妙地將大范圍渦流產(chǎn)生的條件徹底破壞了，做得薄則可以更有效地在小范圍內(nèi)降低渦流產(chǎn)生的可能性和強度，將工作發(fā)熱量降低到盡可能小.當(dāng)學(xué)生們發(fā)現(xiàn)其實際結(jié)構(gòu)與自己的想法基本吻合時，都顯得特別興奮.

圖9

通過以上理論思維分析和切身情境實踐體驗，學(xué)生會認識到變壓器線圈通過電流時會發(fā)熱，鐵芯在交變磁場的作用下也會發(fā)熱，交變電流產(chǎn)生的磁場也不可能完全局限在鐵芯內(nèi).所有這些，使得變壓器工作時有能量損失.但如果變壓器的能量損失很小，可以忽略，我們就把沒有能量損失的變壓器叫作理想變壓器，學(xué)生自然也就能真正理解“理想”的含義了.

3 實錄片段3：關(guān)于無線充電的實踐性情境教學(xué)

2019版新教材在本節(jié)“科學(xué)漫步”環(huán)節(jié)中增設(shè)了“無線充電技術(shù)”這一密切聯(lián)系生活的應(yīng)用型情境素材，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場將一部沒有無線充電功能的手機改造成具有無線充電功能的手機.

素材準備：① 發(fā)射器（圖10），它由發(fā)線線圈、驅(qū)動板兩部分組成，5 V供電口可以直接接入手機充電線；② 接收器，圖11和12分別為其使用外觀圖和原理示意圖，將其貼在手機背面，輸出端與手機充電口相連.以上材料均可網(wǎng)購獲得，總計20元左右.

圖10

圖11

圖12

實驗效果：驅(qū)動板通電后，將背面貼有接收器的手機放在發(fā)射器線圈上，即能看到手機進入了充電狀態(tài)，效果十分理想（圖13）.

圖13

實踐反思：實驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)射器和接收器必須緊密貼合，否則會導(dǎo)致充電不穩(wěn)定或無法充電.通過事實，學(xué)生可以認知到，目前無線充電技術(shù)都存在著傳輸距離短、成本高、能量損耗大等不足，其技術(shù)有待進一步優(yōu)化.

通過這一實踐活動，手機無線充電在學(xué)生心中的“神秘感”一下就會得到釋放，學(xué)生發(fā)現(xiàn)所謂高科技其實就是所學(xué)基本知識的實踐應(yīng)用，只要掌握了相關(guān)科學(xué)知識，一切美好的設(shè)想通過努力就能實現(xiàn)，能很好地激發(fā)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的信心和愿望.