深度學(xué)習(xí)視角下的高中物理建模教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“變壓器”建模為例

趙紹明

（廈門市海滄中學(xué)，福建廈門 361026）

1 問(wèn)題背景

深度學(xué)習(xí)是一種基于學(xué)習(xí)主動(dòng)參與和理解的學(xué)習(xí)，是在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有相關(guān)的學(xué)習(xí)主題，積極參與課堂從而獲得學(xué)習(xí)過(guò)程.深度學(xué)習(xí)是以發(fā)展學(xué)生的高階思維和培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題為目標(biāo)的高層次的學(xué)習(xí)方式，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)和規(guī)律的深度的理解與運(yùn)用，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、合作精神以及批判性思維.［1］

深度建模是在物理建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用達(dá)到理解模型，最終實(shí)現(xiàn)拓展模型，是建模能力的高階體現(xiàn).

變壓器是日常生活中的重要器件，是對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的進(jìn)一步延伸，不僅是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的具體應(yīng)用，亦是遠(yuǎn)距離輸電的重要裝置.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》對(duì)本節(jié)課的要求為通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究并了解變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)推理素養(yǎng).該節(jié)的教學(xué)不僅是培養(yǎng)學(xué)生深度運(yùn)用電磁感應(yīng)定律解決問(wèn)題，更能讓學(xué)生通過(guò)過(guò)程體驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生建模能力，從建模走向深度建模.［2］

2 學(xué)情分析（表1）

表1

3 教學(xué)目標(biāo)（表2）

表2

4 教學(xué)流程（圖1）

圖1 “深度學(xué)習(xí)”變壓器建模教學(xué)實(shí)踐

5 教學(xué)過(guò)程

5.1 激趣實(shí)驗(yàn)，引入模型

教師展示連著小燈泡的線圈（圖2），讓學(xué)生討論如何讓小燈泡發(fā)光，發(fā)散學(xué)生的思維.

圖2 激趣實(shí)驗(yàn)，隔空取電

學(xué)生1：使用電池、發(fā)電機(jī)、充電寶、充電器等為小燈泡供電.

學(xué)生2：可以用磁鐵切割磁感線.

教師讓學(xué)生演示切割磁感線，雖然學(xué)生在不停地切割磁感線，小燈泡并沒(méi)有發(fā)光，引導(dǎo)學(xué)生思考小燈泡沒(méi)有發(fā)光的原因.

學(xué)生：電流太小，所以小燈泡沒(méi)有亮.

教師展示：將線圈套在一個(gè)鐵柱上，鐵柱下面被紙盒包裹，制造神秘感，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮起來(lái)了，同學(xué)們發(fā)出驚嘆之聲.

問(wèn)題：小燈泡沒(méi)有接電源也沒(méi)有切割磁感線，小燈泡的電來(lái)自哪里？

帶著這些疑問(wèn)，教師拆開(kāi)盒子向?qū)W生展示隔空取電裝置，裝置僅由一個(gè)線圈和鐵芯組成.教師引入變壓器概念，講解變壓器的作用，并讓學(xué)生尋找生活中的變壓器.

評(píng)價(jià)：通過(guò)激趣實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的思考.學(xué)生在演示的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，切割磁感線不一定能使小燈泡亮起來(lái)，線圈靜止一樣的能實(shí)現(xiàn)目的.實(shí)驗(yàn)不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更給學(xué)生帶來(lái)新的思考，引發(fā)思維的深度.

5.2 討論分析、建立模型

隨后教師展示一些生活中常見(jiàn)的充電器和廢舊音箱充電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并讓學(xué)生拆解桌面上的可拆卸式變壓器，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)變壓器的基本組成：線圈、鐵芯（圖3）.

圖3 變壓器示意圖、符號(hào)

學(xué)生通過(guò)動(dòng)手拆解，知道變壓器的基本構(gòu)造，真正熟悉變壓器的組成.在拆解的同時(shí)教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生思考各元件的作用，引發(fā)學(xué)生思考，為后續(xù)的教學(xué)做好鋪墊.

評(píng)價(jià)：學(xué)生在拆解的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)變壓器的原、副線圈并沒(méi)有直接相連，但是卻能實(shí)現(xiàn)電能的傳輸.學(xué)生思維存疑時(shí)刻正是提升學(xué)生思維、實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階的重要時(shí)機(jī).學(xué)生從實(shí)物圖，到變壓器示意圖，在到變壓器符號(hào)，學(xué)生經(jīng)歷抽象、簡(jiǎn)化、建模一系列過(guò)程，最終構(gòu)建物理模型基本的“型”.通過(guò)一系列的課程活動(dòng)，讓學(xué)生在行動(dòng)中思和悟，達(dá)到對(duì)變壓器經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的經(jīng)驗(yàn)層級(jí)，具有一定初步的、感性的了解.在拆解的過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考鐵芯的作用是什么？為什么兩個(gè)線圈沒(méi)相連卻能傳輸電？學(xué)生帶著疑問(wèn)進(jìn)入后面的學(xué)習(xí)，再通過(guò)探究答疑解惑理解更加深刻.

5.3 探究推理，理解模型

通過(guò)上述環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了變壓器的基本構(gòu)造，但是對(duì)各元件的作用以及變壓器的工作原理還不知曉.通過(guò)此環(huán)節(jié)的探究，讓學(xué)生理解變壓器的工作原理，構(gòu)建知識(shí)圖序.

教師：同學(xué)們，在之前的實(shí)驗(yàn)中，將線圈套在鐵芯上，小燈泡就能發(fā)光，如果將鐵芯抽出，會(huì)有什么現(xiàn)象呢？

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小燈泡不發(fā)光，引導(dǎo)學(xué)生思考鐵芯的作用.在此基礎(chǔ)上教師再次設(shè)問(wèn)：如果把電源換成電壓相等的直流電（注意實(shí)驗(yàn)儀器的安全性），小燈泡還能亮嗎？

教師：通過(guò)剛才的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有鐵芯小燈泡不會(huì)發(fā)光，將電源換成直流電，小燈泡也不會(huì)發(fā)光.

問(wèn)題：鐵芯的作用是什么？為什么在直流的情況下小燈泡不能發(fā)光？

評(píng)價(jià)：學(xué)生在以上實(shí)驗(yàn)中體會(huì)鐵芯的作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)再結(jié)合自感與互感知識(shí)進(jìn)一步闡述變壓器的原理，讓學(xué)生從磁的角度和能量的角度分別理解變壓器的工作原理.讓學(xué)生繪制工作原理圖，實(shí)現(xiàn)思維可視化.可以讓學(xué)生進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，在變壓器通電和不通電情況下提起鐵芯的難易程度，從而引導(dǎo)學(xué)生理解變壓器的鐵芯的聚磁作用，學(xué)生知道組成元件，更能進(jìn)一步理解線圈和鐵芯的作用，為后面的理解模型打下基礎(chǔ).

感悟：學(xué)生活動(dòng)體驗(yàn)下獲得的感悟比教師的講述更加深刻，學(xué)生從“行動(dòng)”到“知識(shí)”，最終達(dá)到“感悟”，在此過(guò)程中，思維層次逐級(jí)提升，真正實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階.

5.4 探究變壓器原、副線圈的電壓關(guān)系

教師：通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，大家已經(jīng)了解了變壓器的工作原理，請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合之前的實(shí)驗(yàn)猜測(cè)變壓器的輸出電壓可能跟那些因素有關(guān)？

學(xué)生：跟輸入電壓、原副線圈的匝數(shù)有關(guān).

教師：如何探究副線圈電壓U2和原線圈電壓U1、原線圈匝數(shù)n1、副線圈匝數(shù)n2之間的關(guān)系呢？

學(xué)生：控制變量法.

學(xué)生結(jié)合桌面上給定的實(shí)驗(yàn)器材，分組討論，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.教師巡查，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行可行性論證.教師提醒實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作，并收集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄在表3中，并畫出圖4.

表3

圖4 變壓器原、副線圈電壓

學(xué)生：實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差，測(cè)量、讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鐵芯、線圈發(fā)熱也會(huì)有一定的能量損失.

評(píng)價(jià)：學(xué)生通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化、實(shí)驗(yàn)探究、證據(jù)推理、分析交流等過(guò)程，從實(shí)際的變壓器轉(zhuǎn)化到理想變壓器模型.學(xué)生經(jīng)歷探究過(guò)程，在過(guò)程中落實(shí)勞動(dòng)教育，培養(yǎng)學(xué)生探究能力與證據(jù)推理素養(yǎng).通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，學(xué)生能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理想的情況確有一定的差別，但是差別不大，已經(jīng)非常接近理想型模型，再經(jīng)理想化假設(shè)便自然的過(guò)渡到理想化模型.

感悟：引導(dǎo)學(xué)生建模需要建立在學(xué)生的認(rèn)知層次上，當(dāng)下的物理教學(xué)一直都在提倡提升學(xué)生的建模能力，此過(guò)程正是提升建模能力的好契機(jī).理想模型“理想”在哪里？條件是什么？與真實(shí)情況有多大的區(qū)別？這些問(wèn)題需要學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能深刻體會(huì).只有讓學(xué)生真正的地理解理想化模型，才有更好的構(gòu)建理想模型.通過(guò)真實(shí)情境和真實(shí)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，學(xué)生在問(wèn)題解決的過(guò)程中深度理解知識(shí)，體會(huì)深度學(xué)習(xí)的價(jià)值和意義

5.5 發(fā)散思維，拓展模型

5.5.1 讓充電器的體積更小

通過(guò)上一個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生已經(jīng)知道變壓器工作原理和原副線圈電壓的規(guī)律.本環(huán)節(jié)將拓展學(xué)生思維，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)定律和變壓器模型的認(rèn)知.

教師展示給學(xué)生老式音箱電源和新式手機(jī)充電器（圖5），學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然二者的輸出電壓都差不多，但是體積和重量相差很多.

圖5 音箱電源與手機(jī)充電器

問(wèn)題：如何在不影響電壓的情況下將充電器的體積變小？

學(xué)生紛紛作答，減少線圈的匝數(shù)、將銅線變細(xì)、減小鐵芯的質(zhì)量等實(shí)驗(yàn)方案，教師針對(duì)學(xué)生的回答，幫助分析，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決問(wèn)題的思路.

教師：非常好，讓磁場(chǎng)變化得更快，那么需要改變輸入的交流電的哪個(gè)參數(shù)？

學(xué)生：就是提高頻率.

教師：教師展示手機(jī)充電器的電路板，指出手機(jī)充電器里就是通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)電路，把交變電流的頻率從50 Hz提高到高頻，從而讓變壓器變得更加輕小.

評(píng)價(jià)：物理學(xué)習(xí)的最大魅力就是運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，從物理走向社會(huì).從問(wèn)題最本質(zhì)的地方出發(fā)尋找解決問(wèn)題的思路，教會(huì)學(xué)生的不僅是本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)，更是學(xué)會(huì)分析問(wèn)題的方法.學(xué)生通過(guò)本環(huán)節(jié)的拓展，體會(huì)到變壓器知識(shí)在生活中的妙用，轉(zhuǎn)換思路，就能給生活帶來(lái)許多便利，也間接的鼓勵(lì)學(xué)生多思考實(shí)踐.

5.5.2 讓普通手機(jī)無(wú)線充電

教師：在前面的小魔術(shù)中，將線圈套在鐵柱上，線圈可以發(fā)光，現(xiàn)在教師將展示線圈的另一種發(fā)光方式.

教師展示一個(gè)無(wú)線充電手機(jī)面板，將線圈放在面板上，發(fā)現(xiàn)線圈也能發(fā)光（圖6）.

教師：請(qǐng)同學(xué)們思考無(wú)線充電面板中的可能具有的構(gòu)造.

學(xué)生：一定存在一個(gè)線圈.

教師：現(xiàn)在同學(xué)們大膽設(shè)想，如果把小燈泡換成數(shù)據(jù)線，能否利用這個(gè)裝置對(duì)手機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電？

學(xué)生興致勃勃的討論可行性，有些學(xué)生覺(jué)得電壓不夠大不能充電，有的同學(xué)覺(jué)得得到的是交流電可能會(huì)燒壞手機(jī)，課堂氛圍得到極大的調(diào)動(dòng).

教師：現(xiàn)在一部舊手機(jī)放在無(wú)線充電面板上，發(fā)現(xiàn)不能充電.為什么手機(jī)不能被充電？

學(xué)生：手機(jī)不是無(wú)線充電型號(hào)，不能無(wú)線充電.

教師將一個(gè)線圈（無(wú)線充電貼片）接在手機(jī)上面，放在無(wú)線充電面板上（圖6），學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)不能無(wú)線充電的手機(jī)竟然能實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，都感到無(wú)比神奇.此時(shí)教師可以通過(guò)一些列問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維拓展.

圖6 無(wú)線充電及電路

教師展示所施加的神器，構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，卻能實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電.

教師：無(wú)線充電更加便捷，不需要鐵芯，那無(wú)線充電的基本原理是什么呢？

教師展示無(wú)線充電的電路圖，并講解無(wú)線充電的原理.發(fā)射線圈和受電線圈間雖然沒(méi)有鐵芯，但發(fā)射線圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)也能傳送到接收線圈，由電磁感應(yīng)原理，接收線圈中就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，便能對(duì)手機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電.

評(píng)價(jià)：通過(guò)簡(jiǎn)單的改造對(duì)普通手機(jī)無(wú)線充電，破除學(xué)生對(duì)無(wú)線充電的好奇和疑惑，也讓學(xué)生進(jìn)一步理解電磁感應(yīng).小小的改動(dòng)卻對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維有大大的提升，學(xué)生不僅驚嘆物理實(shí)驗(yàn)之奇，也在改進(jìn)中頓悟出物理知識(shí)之妙，對(duì)物理的學(xué)習(xí)更增興趣.

從有線充電到無(wú)線充電的改進(jìn)，學(xué)生不僅能更加深刻的理解電磁感應(yīng)定律，更是從傳統(tǒng)變壓器模型過(guò)渡到無(wú)線充電模型，打破學(xué)生對(duì)變壓器模型的固定思維，實(shí)現(xiàn)模型拓展和深度建模.在此過(guò)程中，學(xué)生更進(jìn)一步的感受到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的神奇，對(duì)電磁感應(yīng)的理解的更加深刻，促進(jìn)學(xué)生從多角度的思考和解決問(wèn)題.

5.5.3 對(duì)未來(lái)美好生活的期待

通過(guò)前面的拓展和發(fā)散，學(xué)生的思維已經(jīng)非常活躍，在此基礎(chǔ)上教師可以讓學(xué)生討論變壓器在生活中的進(jìn)一步應(yīng)用.

學(xué)生1：可以把電壓變得更高，用于生活生產(chǎn).

學(xué)生2：可以對(duì)現(xiàn)在的新能源汽車進(jìn)行無(wú)線充電，解決充電難的問(wèn)題.

學(xué)生3：在家、辦公室等地方實(shí)行一對(duì)多無(wú)線充電.

……

學(xué)生開(kāi)動(dòng)思維，探討可行性向方案，并感受到物理推動(dòng)科技的進(jìn)步，物理創(chuàng)造更美好生活，大國(guó)重器在祖國(guó)發(fā)展中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷.

6 教學(xué)反思

本節(jié)課的教學(xué)，以變壓器模型建構(gòu)和使用為主線，以解決問(wèn)題出發(fā)點(diǎn)，以素養(yǎng)提升為目的，最終實(shí)現(xiàn)深度建模.在教學(xué)過(guò)程中，既注重學(xué)生的“學(xué)會(huì)”和知識(shí)的“生成”，讓學(xué)生在行動(dòng)體驗(yàn)中體會(huì)知識(shí)的形成，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階.學(xué)生參與建模，并且熟悉物理建模的具體流程（圖7），為其他物理模型的建構(gòu)和拓展提供了思路.

圖7

學(xué)生通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)和探究，不僅全方位的了解變壓器，體驗(yàn)了從有線充電到無(wú)線充電的改進(jìn)，對(duì)電磁感應(yīng)有更深的理解，這正是深度學(xué)習(xí)的魅力所在.學(xué)生過(guò)程體驗(yàn)下的建模教學(xué)，不僅從建模走向深度建模，從單一知識(shí)到單元知識(shí)，幫助學(xué)生成長(zhǎng)為與時(shí)俱進(jìn)、不斷發(fā)展、不斷完善的人.