3.3變壓器教學設計1.課時教材分析：本節屬于“電磁感應及其應用”模塊，學生在之前已經學習了法拉第電磁感應定律，了解了感應電動勢產生的原理，并能從實驗的角度去發現和解決問題。本章將繼續展開對電磁感應原理的深入探究及其應用。課標中多次強調以實驗認識交變電流、以實驗探究變壓器的變壓規律，都體現出對于學科核心素養“科學探究”能力的要求。在貫徹學科核心素養的同時，以情境創設為基礎誘發學生進行邏輯思維的訓練，促進學生形成嚴謹的科學觀念。學生已經進行了兩節關于交變電流規律的學習，對它的描述方法和形成特征已經有了較深刻的認識，對于用實驗的方式研究交變電流已不再陌生，作為本章的第三節，變壓器是繼交變電流之后，電磁感應又一重要的實際應用。本節將繼續以實驗方式，逐漸引導學生經歷完整的實驗探究過程，讓學生獲得變壓器的變壓規律的同時對學科素養進行滲透，促進其進一步養成良好的科學態度與責任，并對下一節構建遠距離輸電模型做好知識積累和思維鋪墊。本節課將在注重學生學科素養發展的單元教學框架下，以單元核心任務作背景，促進本節子任務的生成，并作為問題情境激發學生的求知欲。再輔以每一個具體情境，引導學生逐步進行對于變壓器的構造、原理、規律及應用的探究，并適度進行拓展性問題的設計，讓有限的課堂學習得以延伸。課時學情分析：學生已經學習了互感現象，可以順利理解變壓器原理，并通過前兩節的學習也對交變電流有了深刻的認識和理解。作為高二的學生，已經具備較為成熟的問題意識和物理邏輯，能在教師的引導下進行實驗的整體設計、進行實驗和分析數據，并以“證據意識”對問題進行解答和生成結論，為本節課實驗的成功實施提供了保障，但在表達相關結論時不夠嚴謹精確。3.課時學習重點：變壓器的工作原理和理想變壓器的變壓規律4.課時學習難點：實驗的設計與實施以及理想變壓器的變壓規律5.開放性學習環境：共組建6個學習小組，每組分配可拆式變壓器、學生電源、燈泡、開關、數字萬用表、導線若干。16.課時學習目標：物理觀念：知道并會應用公式推導理想變壓器的原、副線圈電流與匝數的關系，能用能量觀點解釋理想變壓器中的電能傳輸，強化能量觀點。科學思維：知道理想變壓器是忽略了能量損失的一種理想模型，進一步體會建立理想模型這種思維方法。能在合理的科學猜想指引下形成對進行實驗方案的構建，提升邏輯能力。科學探究：經歷變壓器的變壓規律探究過程，提高科學探究能力。并能以Excel圖表方式對結論進行更為直觀的展示，體會圖像法的便捷性。科學態度與責任：實驗中要養成避免觸電和安全使用電表的習慣，養成尊重實驗數據的嚴謹科學態度。7.課時教學過程：子任務：研究電能輸送中的核心部件情境：參觀淮北市大唐發電廠，形成社會實踐報告；展示淮北市供電局提供的電能輸送參數圖片，小區旁邊的變壓器實物圖片。問題：伴隨科技飛速發展，人們對電能輸送提出了更高的要求。假如你是一位電力工程師，請針對淮北市遇到的電力擴容問題進行方案評估。伴隨參觀淮北市大唐發電廠，大家又有什么新的發現？活動：以小組為單位觀察并分析實踐報告，發現有一種電力設備可以提高電壓，把發電廠的電壓提高到較高數值進行輸送，同時又是這種設備存在于小區附近，在電力入戶之前把電壓再降低下來供居民使用。評價：根據學生實踐活動分析并明確變壓器在電能輸送中的重要性以及研究意義，使本節子任務達到順利的確立！（設計意圖：由真實的情境出發，引導學生發現問題，提升問題意識。以單元大任務驅動子任務的建立，確定本節課的研究方向！）環節一：認識變壓器情境1：展示家用插座和電動車充電器參數、充電器參數的圖片。問題1：生活中的供電插座向我們提供220V的交流電壓，但是為電動車充電器的輸出電壓為54V，充電器的輸出電壓為5V。在供給和需求出現矛盾時怎么辦呢？變壓器的作用是什么呢？2活動1：學生在教師的引導下進行思考討論，得出必須要有一種能改變電壓以適應不同需求的部件，這就是變壓器。評價1：通過學生的回答反饋評價變壓器的重要性和對研究方向的指向性，同時掌控學生對問題意識的了解程度。（設計意圖：由供需關系出現矛盾，激發學生的探究欲望，并對學生的問題意識進行提升。）情境2：教師進行展示實驗，把燈泡和若干匝線圈串聯，分別用較少匝數的線圈放在工作的電磁爐上，和用較多匝數的線圈放在工作的電磁爐上。問題2：是什么原因讓燈泡發光？燈泡的亮度相同嗎？活動2：學生進行小組交流，發現互感現象是發光的原因，亮度和放到電磁爐上線圈的匝數有關系。評價2：通過學生的回答評價學生對以往知識的掌握程度和對影響亮度的原因的推測能力，為變壓器主要由線圈構成做好鋪墊。（設計意圖：以直觀的實驗現象進行展示，抓住學生的有意注意，把“線圈”這個變壓器的主要構成部分引導出來，并對變壓器原理進行了滲透。）情境3：展示充電器拆解圖、提供學生可拆式變壓器。問題3：充電器就具備這樣改變電壓的能力，且廣泛的存在于我們身邊。對于變壓器研究以充電器作為工具，還是以可拆式變壓器呢？變壓器還由哪些元件構成？活動3：學生分析討論后發現，充電器集成度較高不適合研究，所以應簡化模型。利用可拆式變壓器進行拆解，觀察組成部分。評價3：通過學生的討論結果，評價學生對物理研究的一般方法和思想的掌握程度，評價學生由復雜到簡單的模型優化能力。（設計意圖：引導學生能在熟悉的問題情境中把物理模型進行簡化，發展學生的科學思維能力，強化物理學研究問題的一般思路。）3環節二：變壓器的工作原理情境4：組織學生進行實驗活動點亮小燈泡。問題4：學生電源應該選擇交流還是直流？變壓器改變輸入端電壓了嗎？改變輸入端頻率了嗎？如果沒有鐵芯，變壓器就不能工作了嗎？變壓器的工作原理是什么呢？活動4：學生動手實驗，嘗試使用變壓器，過程中會面臨直流電壓和交流電壓的選擇。教師以問題鏈的方式對實驗進行推進，發現變壓器需要交流電源的輸入，也沒有改變原來學生電源的基本輸入參數，以及鐵芯具有增強實驗效果的作用。得出指向性問題：變壓器的工作原理是什么？評價4：根據學生的實驗操作，評價學生對于電學實驗的操作能力和對變壓器原理的基本認識，便于對原理進行系統性歸納。（設計意圖：讓學生在使用中發現問題并解決問題，有效提升問題意識和科學探究能力。形成對變壓器原理表層感知，為接下來原理的講解做好鋪墊。）情境5：展示帶有磁場標記的變壓器示意圖。問題5：變壓器的工作原理是什么呢？活動5：學生小組思考討論形成認識，應該是輸入變化的原電流使產生的原磁場發生變化，副線圈里接收到的磁通量產生相同的變化，激發副線圈產生變化的感應磁場和感應電流，進而完成互感現象。從磁場的角度上看，正是電能→磁場能→電能的轉化。評價5：通過學生對變壓器工作原理的梳理過程，評價學生對已有知識的掌握程度和對剛才實驗現象的理解深度，形成對學生物理思維的反饋。從能量的角度評價學生對變壓器原理的深層認知。（設計意圖：變壓器的工作原理為之前已學習的互感現象，在教學時讓學生口述互感過程可以加深對已有知識的理解和應用，并促進物理思維的提升。同時教師以能量觀再次描述原理，達到認知層次的提升，強化物理觀念。）4環節三：探究變壓器的規律情境6：學生回想互感現象。問題6：提出合理的科學猜想輸出電壓和什么有關？活動6：學生討論后進行猜想的呈現，教師進行歸納：可能和匝數以及輸入電壓有關。評價6：通過學生的回答，評價對互感現象的影響因素的認識。（設計意圖：合理的科學猜想為有效的進行實驗指明方向，通過本活動可有有效的提升學生的質疑能力和證據意識，提升科學探究能力同時塑造嚴謹的科學態度。）情境7：交流討論進行實驗設計。問題7：如何構建實驗方案？怎樣具體設計實驗步驟？實驗中要注意什么？活動7：學生進行小組交流討論形成基本設計方案，并針對于之前的影響因素進行設計具體的測量方法。教師進行引導并歸納出具體的方案A（保持輸入電壓U1和原線圈匝數n1不變，改變副線圈匝數n2，測量輸出端電壓U2）和方案B（保持原線圈匝數n1和副線圈匝數n2不變，改變輸入端電壓U1，測量輸出端電壓U2）兩種方案。同時強調注意事項，為實驗的順利進行提供保障。評價7：根據學生提供的實驗方案、步驟的完整性評價學生科學探究素養水平的發展層次，即能否選制訂科學便捷的探究方案，并根據學生提供的注意事項評價學生實驗安全意識。（設計意圖7：以學生為主體進行科學的實驗方案的設計，有利于培養其科學探究能力，其注意事項的設計又是對科學態度與責任的再次提升。）情境8：提供實驗報告。問題8：如何設計數據記錄表格？怎樣處理數據更為直觀？活動8：組織學生根據實驗方案進行表格設計，確定需要測量的物理量并展示。以及針對數據呈現規律的可視化處理，即Excel繪圖。評價8：以學生的表格設計過程，評價學生對方案的理解程度。通過Excel繪圖方案，評價學生的創新意識，和從多角度處理實驗數據的科學探究能力。5（設計意圖8：數據的采集和處理不僅展示了學生對實驗方案的理解程度，也對學生自身科學探究能力提出更高要求，有效的課堂評價可以幫助教師及時掌控學生實驗能力，更加有針對性的指導學生順利進行實驗。）情境9：展示實驗報告和Excel圖像問題9：實驗結論是什么呢？可以進行理論推導嗎？活動9：學生在教師的指導下，經過小組思考與討論，完成對實驗數據的分析并進行結論歸納，可形成初級結論，即原線圈電壓和匝數不變時，副線圈匝數越多，電壓越高；原、副線圈匝數不變時，原線圈電壓越高，副線圈電壓越高。再提煉為精確結論：U1/U2=n1/n2，并強調是誤差允許的范圍內。繼續進行理論推導的展示，加強對結論的理解和說服力。評價9：教師對學生歸納結論的過程進行評價，幫助其建立正確嚴謹的物理觀念，在小組討論和思考時給予正確的指導，對團隊合作給予肯定性評價。（設計意圖：由實驗數據到結論的歸納看似簡單，實際是規律的凝練過程，需要學生較高的團隊溝通交流能力和語言表達能力，通過本活動進行有效強化。再讓學生經歷由一般規律到精確規律的再次提煉，并強調誤差允許的范圍內，完成對科學探究和科學態度與責任的深化。規律得出的過程建立在實驗的基礎上，再加以理論推導進行說明，進一步從能量的傳遞與轉換的角度強化對變壓器的認識。）情境10：展示鐵芯的實物圖片和動畫拆解圖片。問題10：鐵芯有什么特點？誤差由何而來？活動10：組織學生再次觀察實驗桌上的可拆式變壓器鐵芯部分，發現鐵芯并不是一個整體結構，而是由很多金屬層疊裝而成。引發對鐵芯的更深層認識，這樣的構造為了減少渦流，可以6減少對電能傳輸的影響。在去除了磁損、鐵損、銅損之后，理想變壓器概念的形成水到渠成。評價10：教師在學生觀察鐵芯進行質疑時及時給予肯定性評價，善于質疑才能發現問題。并在交流討論時進行具有引導性的評價，對研究進行正面促進。（設計意圖：讓學生再次觀察鐵芯，可以培養學生細心觀察的良好習慣，并從中發現誤差來源，體會成就感的同時更加深化證據意識，并結合其他方面的誤差，再次強化從能量的觀點認識變壓器。）情境11：展示理想變壓器條件下對于功率關系和電流關系的理論推導。問題11：理想變壓器的電流規律是什么呢？活動11：學生交流討論，嘗試說明功率關系，形成電流規律的初步認識。評價11：通過學生的回答反饋，評價對理想變壓器的理解程度，評價對知識的初步遷移能力。（設計意圖：學生能完成電流規律的初步歸納說明對理想變壓器的基本規律已經形成認知，且具備一定的遷移能力，教師的評價式引導給予學生繼續探究的信心。并以此引出拓展性學習：電流規律是否也能用實驗證明呢？為什么這個公式只適用于一個副線圈的變壓器？達到對能量觀點的繼續深化，讓課堂學習得以延續。）環節四：變壓器的生活應用情境12：展示鉗式萬用表實物圖。問題12：參觀電廠時候，工人師傅還向我們展示了這樣一個萬用表，常用于高壓輸電線上的電壓和電流檢測。它和我們實驗時用到的萬用表有什么不同呢？活動12：學生觀察討論鉗式萬用表的特點，猜測工作原理。教師進行解答，并介紹電流互感器和電壓互感器。評價12：在學生觀察和猜測原理時評價學生的觀察能力和從不同角度分析問題的能力。（設計意圖：再次回歸參觀電廠的真實情境，用所學知識嘗試對位置事物規律進行解釋，強化學生的科學思維，使學科素養得以全面貫徹實施。）情境13：展示無線充電和電動汽車無線充電案例。問題13：變壓器傳輸電能時還有什么顯著特點？7活動13：學生思考討論，發現變壓器的原副線圈是不需要導線相連的，這與傳統的輸電方式有明顯的區別，人們根據這一特點設計了無線充電，并嘗試應用到電動汽車上。評價13：再次評價學生的觀察思考能力，引導學生關注科技發展。（設計意圖：物理來源于生活，服務于生活。本節課由實踐活動入手，讓學生經歷由發現問題科學探究解決問題過程，學科素養得到多維度的提升，最終由回歸生活現象，體會物理和生活的緊密結合。并結合科技發展實力，拓寬視野，培養學生用于科學探究的良好品質和強烈的社會責任感。）8教學流程圖：展示電廠參觀和實踐報告展示互感現象的實驗

開始情境：普遍存在于電廠和社區附近的用于改變電壓的裝置具有重要的研究意義簡化模型，確定方法拆解變壓器點亮小燈泡科學猜想、構建方案、設計步驟注意事項、記錄表格、歸納數據描點作圖發現規律生成結論鉗式萬用表遷移使用無線充電加強認識結束