基于學習進階理論的“變壓器”教學實踐探究

［摘 要］目前主流的“變壓器”教學設計主要通過實驗讓學生掌握變壓器的輸入電壓和輸出電壓以及匝數比關系，但學生在理解變壓器結構、原理、損耗，以及原副線圈中的電壓、電流、電功率的互相制約關系時存在困難。文章針對目前“變壓器”教學中存在的問題，基于核心素養與學習進階理論，分析了“變壓器”的教學背景，并提出了相應的教學改進措施，旨在促進學生的思維進階，培養其核心素養，提高物理教學質量。

［關鍵詞］學習進階理論；變壓器；高中物理

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）32-0047-03

一、“變壓器”教學背景研究

目前主流的“變壓器”教學設計如表1所示，其主要是通過實驗讓學生掌握變壓器的輸入電壓和輸出電壓以及匝數比關系，并應用于電路分析以解決相關問題。

教學反饋顯示學生存在以下三個問題：一是對變壓器的結構及原理理解不深，存在疑問；二是對鐵芯的作用及變壓器的損耗因素認知不清，影響對理想變壓器模型的理解與構建；三是對變壓器原副線圈中電壓、電流、電功率的互相制約關系把握不牢，導致實際應用困難。產生以上問題的主要原因如下：1.雖然以生活案例作為教學引入能夠激發學生的學習興趣，但緊接著直接展示變壓器實物并介紹其結構，難以讓僅有簡單互感知識的學生深入理解變壓器的結構和原理，導致學生沒有形成物理觀念或者物理觀念層次較低；2.學生對于變壓器損耗的認知主要來源于教師講授，缺乏直觀感受，缺少科學推理和科學探究，這限制了學生質疑創新素養的培養；3.在研究變壓器原副線圈中的電壓、電流、電功率的互相制約關系時未能充分發揮變壓器作為易取電路元件的優勢以及引導學生進行科學探究和深度思考，學生的科學思維和科學探究素養培養不足。

二、學習進階理論在“變壓器”教學中的應用

學習進階理論根植于認知發展論、最近發展區理論及螺旋式課程設計理論等心理學與教育學理論，它主要指引學生在學習同一主題或者內容時，依據知識基礎、認知水平和思維能力，沿著連續性且逐步復雜化的學習路徑，不斷向更深層次邁進，直至達成學習目標。

在以往的“變壓器”的教學中，教師往往忽視學生的知識基礎和認知水平，直接給學生講解變壓器的結構和原理，導致學生無法有效整合與應用變壓器的相關知識，也難以形成相應的物理觀念。實際上，學生在學習變壓器之前已具備電磁感應、互感、渦流等基礎知識，這是學習進階的起點，而學習進階的終點是應用變壓器原副線圈中的電壓、電流、電功率的相互制約關系解決實際電路問題。基于學習進階理論，教師可為學生設計以下學習進階目標（見表2）。

三、基于學習進階理論的“變壓器”教學實施策略

為促進學生順利完成學習進階，教師須改變原有的教學設計思路，遵循學生的認知發展規律開展教學。本文提出一種具體實施方案（見圖1），旨在指導學生完成學習進階，提升核心素養。

（一）新課導入：通過手機無線充電激活電磁感應與互感的知識，體會無線電能傳輸

課始，教師向學生展示當前社會科技熱點——手機無線充電技術，并講解無線電能傳輸的原理。課中，教師當場拆解無線充電器及支持無線充電的手機，直觀展示兩者的內部結構，引導學生觀察發現無線充電器及手機中均設有一個線圈（見圖2），隨后提出以下問題引導學生展開討論。

問題1：手機無線充電的基本原理是什么？

問題2：無線充電器應使用交流電還是直流電？

問題3：手機無線充電的效率如何？

教師組織學生分組交流，進而總結得出：手機無線充電的原理，即電磁感應中的互感：無線充電器中的線圈產生變化磁場，當手機的接收線圈靠近這個磁場時，會感應到磁場的變化，從而產生電流，使手機實現無線充電。關于手機無線充電的效率，雖無法讓學生直接體驗，但可以向學生展示無線充電器與普通有線充電器的具體參數來讓學生直觀體會。

問題4：手機有線充電真的全是“有線”嗎？

此時，學生會產生認知沖突。對此，教師可展示拆解后的手機有線充電器，特別是其核心部件——變壓器，并解析其內部結構：線圈—鐵芯—線圈，同時說明線圈之間彼此絕緣，使學生意識到在變壓設備中存在著無線電能傳輸結構。

在新課導入的尾聲，教師再次提出問題，為探究鐵芯的作用埋下了伏筆。

問題5：為什么手機有線充電器的效率通常高于無線充電器？無線電能傳輸中的損耗受哪些因素影響？如何減少這些損耗？

（二）小組自主實驗：探究無線電能傳輸損耗因素及減損結構

教師提供實驗器材，讓學生分組進行實驗探究。

實驗器材：低壓恒壓交流電源、可拆變壓器原副線圈（一對）、普通條狀鐵芯、硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯、可拆環狀鐵芯、交流電壓表（2個）、交流電流表（2個）、小燈泡。

學生分組按不同方案進行實驗探究。

方案1：在不使用鐵芯的情況下探究無線電能傳輸的效率。讓學生連接電路，改變變壓器原副線圈的相對位置，觀察無線電能傳輸的效率變化，并填寫如下表格（見表3）。

教師組織學生進行交流討論，并借助多媒體展示螺線管的磁感線分布情況，引導學生推理得出：無線電能傳輸的效率與變壓器原線圈產生的磁感線穿過副線圈的數量密切相關，磁感線穿過副線圈越多，電能傳輸效率越高。同時，將磁感線不能完全穿過副線圈所造成的損耗定義為“磁損”。

方案2：研究鐵芯對無線電能傳輸的作用。在方案1的基礎上，讓學生進一步探究普通條狀鐵芯、硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯對無線電能傳輸效率的影響。實驗后，學生可得出以下結論：（1）加入鐵芯后，無線電能傳輸效率更高，體現了鐵芯的磁導性；（2）用硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯的電能傳輸效率比普通條狀鐵芯高；（3）長時間工作后，普通條狀鐵芯發熱現象明顯。

在學生根據方案2完成實驗探究后，教師可引導學生深入理解渦流概念，認識到鐵芯在變化磁場中會產生渦流，導致能量損耗（稱為“鐵損”），而硅鋼片壓制而成的條狀鐵芯能有效減少渦流。在得出磁損、鐵損的概念后，教師可以根據學生的普遍認知，引導學生推理得出結論：線圈導線較長，電阻不可忽略，能量在傳輸過程中會有部分電能轉化為焦耳熱（稱為“銅損”）。

在明確無線電能傳輸的損耗后，教師可組織學生小組討論，鼓勵學生提出最理想的無線電能傳輸結構設想。在此過程中，學生可能會有許多想法，教師需根據學生的想法進行適時引導。在學生構建模型后，教師可以給出現實生活中的各種變壓器模型，并與學生構建的模型進行對比，以加深學生對相關知識的理解。

（三）實驗拓展：探究變壓關系

問題6：通過前面的學習，我們已經知道變壓器可視為一種無線電能傳輸裝置，在損耗非常小可以忽略的情況下，這樣的變壓器可稱為“理想變壓器”。那么，理想變壓器的變壓關系究竟受哪些因素影響呢？在排除磁損、鐵損及銅損后，還有哪些能改變的量？

教師可先引導學生思考：當鐵芯尺寸最大化、磁導率盡可能高、線圈銅線足夠粗，且假設能量傳輸效率接近100%時，還能改變的量為線圈的匝數。變壓器的變壓關系是否跟線圈的匝數有關？這需要通過具體的探究實驗來驗證。隨后，指導學生進行“變壓器”教學中常做的實驗，并記錄實驗的具體數據（見表4）。

律進行理論論證，理解這些偏差并不是誤差，而是由于實際使用的變壓器無法達到理想狀態，存在能量損失。

（四）課堂收尾：整合提升，遷移應用

課堂收尾階段屬于整合提升、遷移應用的階段，教師可結合題目、問題拓展等來進行，關鍵是讓學生通過解決實際問題，親身體驗物理的魅力，從而增強對物理的認同感并提升物理學科核心素養。

為此，教師可給學生介紹利用變壓器的變壓變流特性來測量高電壓、高電流的方法及原理，即電壓互感器與電流互感器的應用，同時向學生展示鉗形多用電表及其使用方法。接著，現場演示如何使用鉗形多用電表測量教室內的電壓和電流。隨后，讓學生利用教師提供的實驗器材，自行設計實驗方案來測量教室中各條導線中的電流。在此過程中，學生需根據各種用電器的額定電流和電表的量程進行計算，以確保實驗的安全和有效，而教師應隨堂進行指導。

本文以“變壓器”教學為例，對高中物理主流教學設計進行了優化改進。在核心素養與學習進階理論的雙重指引下，筆者依據學生學情，設計了有助于學生自主發現問題、探究解決問題、構建知識概念框架，并將所學知識應用于解決實際問題的教學流程。這樣的教學，不僅增強了學生的體驗感，還激發了學生對物理學習的興趣。針對學生的認知特點，旨在培養學生核心素養的教學改進，勢必會推動高中物理教學邁上新的臺階。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

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