基于学习进阶理论的“变压器”教学实践探究

［摘 要］目前主流的“变压器”教学设计主要通过实验让学生掌握变压器的输入电压和输出电压以及匝数比关系，但学生在理解变压器结构、原理、损耗，以及原副线圈中的电压、电流、电功率的互相制约关系时存在困难。文章针对目前“变压器”教学中存在的问题，基于核心素养与学习进阶理论，分析了“变压器”的教学背景，并提出了相应的教学改进措施，旨在促进学生的思维进阶，培养其核心素养，提高物理教学质量。

［关键词］学习进阶理论；变压器；高中物理

［中图分类号］    G633.7                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2024）32-0047-03

一、“变压器”教学背景研究

目前主流的“变压器”教学设计如表1所示，其主要是通过实验让学生掌握变压器的输入电压和输出电压以及匝数比关系，并应用于电路分析以解决相关问题。

教学反馈显示学生存在以下三个问题：一是对变压器的结构及原理理解不深，存在疑问；二是对铁芯的作用及变压器的损耗因素认知不清，影响对理想变压器模型的理解与构建；三是对变压器原副线圈中电压、电流、电功率的互相制约关系把握不牢，导致实际应用困难。产生以上问题的主要原因如下：1.虽然以生活案例作为教学引入能够激发学生的学习兴趣，但紧接着直接展示变压器实物并介绍其结构，难以让仅有简单互感知识的学生深入理解变压器的结构和原理，导致学生没有形成物理观念或者物理观念层次较低；2.学生对于变压器损耗的认知主要来源于教师讲授，缺乏直观感受，缺少科学推理和科学探究，这限制了学生质疑创新素养的培养；3.在研究变压器原副线圈中的电压、电流、电功率的互相制约关系时未能充分发挥变压器作为易取电路元件的优势以及引导学生进行科学探究和深度思考，学生的科学思维和科学探究素养培养不足。

二、学习进阶理论在“变压器”教学中的应用

学习进阶理论根植于认知发展论、最近发展区理论及螺旋式课程设计理论等心理学与教育学理论，它主要指引学生在学习同一主题或者内容时，依据知识基础、认知水平和思维能力，沿着连续性且逐步复杂化的学习路径，不断向更深层次迈进，直至达成学习目标。

在以往的“变压器”的教学中，教师往往忽视学生的知识基础和认知水平，直接给学生讲解变压器的结构和原理，导致学生无法有效整合与应用变压器的相关知识，也难以形成相应的物理观念。实际上，学生在学习变压器之前已具备电磁感应、互感、涡流等基础知识，这是学习进阶的起点，而学习进阶的终点是应用变压器原副线圈中的电压、电流、电功率的相互制约关系解决实际电路问题。基于学习进阶理论，教师可为学生设计以下学习进阶目标（见表2）。

三、基于学习进阶理论的“变压器”教学实施策略

为促进学生顺利完成学习进阶，教师须改变原有的教学设计思路，遵循学生的认知发展规律开展教学。本文提出一种具体实施方案（见图1），旨在指导学生完成学习进阶，提升核心素养。

（一）新课导入：通过手机无线充电激活电磁感应与互感的知识，体会无线电能传输

课始，教师向学生展示当前社会科技热点——手机无线充电技术，并讲解无线电能传输的原理。课中，教师当场拆解无线充电器及支持无线充电的手机，直观展示两者的内部结构，引导学生观察发现无线充电器及手机中均设有一个线圈（见图2），随后提出以下问题引导学生展开讨论。

问题1：手机无线充电的基本原理是什么？

问题2：无线充电器应使用交流电还是直流电？

问题3：手机无线充电的效率如何？

教师组织学生分组交流，进而总结得出：手机无线充电的原理，即电磁感应中的互感：无线充电器中的线圈产生变化磁场，当手机的接收线圈靠近这个磁场时，会感应到磁场的变化，从而产生电流，使手机实现无线充电。关于手机无线充电的效率，虽无法让学生直接体验，但可以向学生展示无线充电器与普通有线充电器的具体参数来让学生直观体会。

问题4：手机有线充电真的全是“有线”吗？

此时，学生会产生认知冲突。对此，教师可展示拆解后的手机有线充电器，特别是其核心部件——变压器，并解析其内部结构：线圈—铁芯—线圈，同时说明线圈之间彼此绝缘，使学生意识到在变压设备中存在着无线电能传输结构。

在新课导入的尾声，教师再次提出问题，为探究铁芯的作用埋下了伏笔。

问题5：为什么手机有线充电器的效率通常高于无线充电器？无线电能传输中的损耗受哪些因素影响？如何减少这些损耗？

（二）小组自主实验：探究无线电能传输损耗因素及减损结构

教师提供实验器材，让学生分组进行实验探究。

实验器材：低压恒压交流电源、可拆变压器原副线圈（一对）、普通条状铁芯、硅钢片压制而成的条状铁芯、可拆环状铁芯、交流电压表（2个）、交流电流表（2个）、小灯泡。

学生分组按不同方案进行实验探究。

方案1：在不使用铁芯的情况下探究无线电能传输的效率。让学生连接电路，改变变压器原副线圈的相对位置，观察无线电能传输的效率变化，并填写如下表格（见表3）。

教师组织学生进行交流讨论，并借助多媒体展示螺线管的磁感线分布情况，引导学生推理得出：无线电能传输的效率与变压器原线圈产生的磁感线穿过副线圈的数量密切相关，磁感线穿过副线圈越多，电能传输效率越高。同时，将磁感线不能完全穿过副线圈所造成的损耗定义为“磁损”。

方案2：研究铁芯对无线电能传输的作用。在方案1的基础上，让学生进一步探究普通条状铁芯、硅钢片压制而成的条状铁芯对无线电能传输效率的影响。实验后，学生可得出以下结论：（1）加入铁芯后，无线电能传输效率更高，体现了铁芯的磁导性；（2）用硅钢片压制而成的条状铁芯的电能传输效率比普通条状铁芯高；（3）长时间工作后，普通条状铁芯发热现象明显。

在学生根据方案2完成实验探究后，教师可引导学生深入理解涡流概念，认识到铁芯在变化磁场中会产生涡流，导致能量损耗（称为“铁损”），而硅钢片压制而成的条状铁芯能有效减少涡流。在得出磁损、铁损的概念后，教师可以根据学生的普遍认知，引导学生推理得出结论：线圈导线较长，电阻不可忽略，能量在传输过程中会有部分电能转化为焦耳热（称为“铜损”）。

在明确无线电能传输的损耗后，教师可组织学生小组讨论，鼓励学生提出最理想的无线电能传输结构设想。在此过程中，学生可能会有许多想法，教师需根据学生的想法进行适时引导。在学生构建模型后，教师可以给出现实生活中的各种变压器模型，并与学生构建的模型进行对比，以加深学生对相关知识的理解。

（三）实验拓展：探究变压关系

问题6：通过前面的学习，我们已经知道变压器可视为一种无线电能传输装置，在损耗非常小可以忽略的情况下，这样的变压器可称为“理想变压器”。那么，理想变压器的变压关系究竟受哪些因素影响呢？在排除磁损、铁损及铜损后，还有哪些能改变的量？

教师可先引导学生思考：当铁芯尺寸最大化、磁导率尽可能高、线圈铜线足够粗，且假设能量传输效率接近100%时，还能改变的量为线圈的匝数。变压器的变压关系是否跟线圈的匝数有关？这需要通过具体的探究实验来验证。随后，指导学生进行“变压器”教学中常做的实验，并记录实验的具体数据（见表4）。

律进行理论论证，理解这些偏差并不是误差，而是由于实际使用的变压器无法达到理想状态，存在能量损失。

（四）课堂收尾：整合提升，迁移应用

课堂收尾阶段属于整合提升、迁移应用的阶段，教师可结合题目、问题拓展等来进行，关键是让学生通过解决实际问题，亲身体验物理的魅力，从而增强对物理的认同感并提升物理学科核心素养。

为此，教师可给学生介绍利用变压器的变压变流特性来测量高电压、高电流的方法及原理，即电压互感器与电流互感器的应用，同时向学生展示钳形多用电表及其使用方法。接着，现场演示如何使用钳形多用电表测量教室内的电压和电流。随后，让学生利用教师提供的实验器材，自行设计实验方案来测量教室中各条导线中的电流。在此过程中，学生需根据各种用电器的额定电流和电表的量程进行计算，以确保实验的安全和有效，而教师应随堂进行指导。

本文以“变压器”教学为例，对高中物理主流教学设计进行了优化改进。在核心素养与学习进阶理论的双重指引下，笔者依据学生学情，设计了有助于学生自主发现问题、探究解决问题、构建知识概念框架，并将所学知识应用于解决实际问题的教学流程。这样的教学，不仅增强了学生的体验感，还激发了学生对物理学习的兴趣。针对学生的认知特点，旨在培养学生核心素养的教学改进，势必会推动高中物理教学迈上新的台阶。

［   参   考   文   献   ］

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