深入挖掘实验素材发展学生思维能力

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  【摘 要】实验是物理学的重要内容,是落实物理教学目标、提高学生思维的重要途径。思维是人脑将观察、实验取得的感性材料进行加工,上升为理性认识的过程。在物理教学中,应通过挖掘实验素材,来促进学生思维能力的发展。
  【关键词】实验素材;思维能力;变压器
  一、前言
  实验是物理学的重要内容,是落实物理教学目标、提高学生思维的重要途径[1]。思维是人脑将观察、实验取得的感性材料进行加工,上升为理性认识的过程。高中生学习物理的思维过程主要有分析、综合、抽象、概括;思维的形式有概念、判断、推理。物理教学应通过对实验教学资源的深入挖掘,来更好的启发学生从感知到的现象出发进行思考,经过缜密的思维加工过程,深入事物的本質。
  二、变压器教学设计
  “变压器”是人教版高中物理选修3-2第5章的教学内容,“变压器”是交流电路中一种常见的电器设备[2],它是电磁感应教学的进一步延伸,互感现象是变压器工作的基础。本节课的重点应是通过实验探究,帮助学生理解变压器线圈两端的电压和匝数之间的关系。对学生而言,磁场和磁通量都是很抽象的概念,学生对电磁感应现象和变压器缺乏感性认识,学习变压器原理时,学生会感到困难。因此,这节课的教学设计应充分发挥实验的作用,让学生经历思维过程,实现从感性认识到理性认识的跨越。
  (一) 创设情境,引出问题
  师:我们已经学习过交流电,家庭中使用的就是交流电,其电压为220V。现在我们有一个接线板,人体安全电压是36V,这里有一个学生电源,把它打开,当我们手接触电源输出端时却没有什么感觉?这是为什么呢?
  生:输入220V,输出没有感觉,表明输出的电压发生了变化。
  师:大家看一下学生电源,上面有输出电压,输出电压的值可以选择,而输入电压为220V,说明这里边一定有一个改变电压的装置,我们将其称为变压器。同学们在生活中也接触过各种各样的变压器,有哪些地方使用了呢?
  生:高压输电、半导体收音机……
  师:我们家里使用的各种电器的不同不见所需要的工作电压是不一样的,它的电路结构中也会应用到变压器,其的结构是怎样的呢?我这里有一个变压器模型,请同学们观察它的结构。
  生:变压器由线圈和铁芯构成。
  师:我们看一下教材上变压器的结构,两边的线圈分别对应的是原线圈和副线圈。原线圈就是电压输入端,副线圈就是电压输出端。这样看起来,变压器的结构是不是很简单,那它是怎么起到变压的作用呢?
  (二)挖掘实验,提出猜想
  师:把一个工作电压为60V的灯泡,接到学生电源的两端,电源电压调至14V,闭合电源开关时,请同学们预测灯泡是否会亮呢?
  生:不会。
  师:通过实验发现,灯泡的确没有亮,这表明14V的电源不足以使灯泡发亮,那我们有什么办法可以让灯泡两端电压达到其工作电压呢?
  生:可以使用变压器,通过变压器的输入、输出端来改变大小。
  师:我们现在需要的是使电压变大,怎么才能使输出端的电压变大或电小呢?你认为输出端副线圈两端的电压可能和哪些因素有关呢?
  生:跟匝数有关,跟原线圈的电压有关……
  师:变压器有原线圈和副线圈,是和原线圈的匝数有关,还是跟副线圈的匝数有关呢?
  (三)学生实验,引发冲突
  师:根据大家的猜想与假设,影响因素有多个,我们如何来确定究竟是哪些因素影响了副线圈的电压呢?
  生:采用控制变量法。
  师:请大家设计实验方案,并进行实验。
  生:学生以小组为单位,在控制电压不变的情况下,改变输入端和输出端的匝数,在开始尝试200(原线圈):800(副线圈)时,灯泡无法点亮。学生在更换为800(原线圈):200(副线圈),灯泡仍无法点亮。学生又尝试在保持200(原线圈):800(副线圈)时,增加原线圈两端的电压,仍不能使灯泡点亮。
  师:同学在实验室,均是采用直流电源,现在如果我们换成交流电会怎么样呢?
  生:学生调整实验方案,在更换为交流电后,当800(原线圈):200(副线圈)时,灯泡仍无法点亮。但是在200(原线圈):800(副线圈)时,灯泡被点亮。
  师:同学们一定很好奇,为什么会这样呢。实验就是这样探索的,知识才能够不断发展,在实验过程中可能会机灵一些失败,但是我们应仔细思考其中可能的问题,找出问题的症结所在。为什么直流电不能让灯泡点亮呢?
  (四)建构模型,理论探究
  师:分析电路结构,若原线圈接直流电时,会形成短路,因此副线圈的灯泡不但不会亮,还会导致原线圈烧坏。但是在介入交流电后,副线圈还是同样的电路结构,为什么没有烧坏,反而让副线圈的灯泡点亮了呢?
  生:根据电磁感应定律,当原线圈接交变电流时,在铁芯中产生交变磁场,在副线圈中有变化的磁通量,从而在副线圈中产生感应电动势,这是一种互感现象。
  师:能不能从能量的角度来解释变压器的原理呢?
  生:从能量转换的角度来说,这一过程经历了从电能到磁场能到电能的转化过程,变压器就是能量转换的装置。因为要产生磁场,则必须要有变化的电场,因此需要用交流电流。
  师:我们接着讨论影响副线圈电压的因素,通过实验发现最后能够成功使副线圈灯泡点亮的,也就是副线圈电压升高的匝数具有什么特点呢,请同学们做一个推测,原、副线圈的电压与匝数有什么关系?
  生:假设是一个理想的变压器,忽略漏磁和涡流情况下,原、副线圈两端的磁通量相等,在相同时间内,磁通量的变化也相等,根据法拉第电磁感应定律,可以推导出:U2/U1=N2/N1。
  三 教学反思
  教师不是知识的传达带,而是教学环境的设计者、学生学习活动的组织者和指导者、意义建构的合作者和促进者[3]。本节变压器的设计,充分挖掘了从直流电源到交流电源实验中素材,从教师演示到学生自主实验的变化,引发学生的认知冲突,让学生在实验中认识了变压器的结构,理解了变压器的工作原理和工作规律。在物理实验中,通过实验资源的深入挖掘,让学生经历了建构模型、分析解释、归纳归纳或演绎的推理和论证过程,对实验结果进行科学概括,并敢于寻找实验过程和结果中存在的问题等。全方位促进了学生思维能力的发展。
  参考文献:
  [1]阎金铎,郭玉英.中学物理教学概论[M].北京:高等教育出版社,2015.
  [2]王文斌.《变压器》的教学设计[J].物理教学探讨,2012,30(8):78-80.
  [3]顾明远,孟繁华.国际教育新理念[M].海口:海南出版社,2006.
  备注:本文为广州市教育科研协作基地——基于“五环学习法”的特色发展研究基地(编号:14XZ16)的阶段性研究成果。
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