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        “變壓器”任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)設(shè)計(jì)*

        2012-08-16 14:07:18潘振東
        物理通報(bào) 2012年8期
        關(guān)鍵詞:變壓器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        潘振東

        (東北師范大學(xué)附屬中學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022)

        樊娟娟 李士軍

        (吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130118)

        任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)是近年來(lái)在教學(xué)領(lǐng)域受到廣泛重視的一種教學(xué)方式[1,2].任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境提出任務(wù),營(yíng)造探究環(huán)境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.學(xué)生在探究過(guò)程中,通過(guò)思考、實(shí)驗(yàn)、討論,尋求解決任務(wù)的方法.通過(guò)任務(wù)的完成,獲得探究的成功體驗(yàn),感悟科學(xué)的探究方法.文中以“變壓器”[3]一節(jié)為例,談任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)在課堂中的具體應(yīng)用[4~6].

        1 教學(xué)設(shè)計(jì)理念

        (1)通過(guò)任務(wù)的設(shè)置,明確努力方向.通過(guò)完成任務(wù)的過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鰡?wèn)題的能力.通過(guò)任務(wù)的達(dá)成,激發(fā)學(xué)習(xí)熱情,體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂(lè).

        (2)教學(xué)設(shè)計(jì)上既貫徹新課程理念下培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力,同時(shí),也重視學(xué)生理論推導(dǎo)能力,將二者完美結(jié)合,是本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的努力方向.

        2 教具準(zhǔn)備

        圣誕樹(shù),燈串(額定電壓為24V和12V各一串),學(xué)生電源,可拆變壓器,交流電壓表,6V干電池組,鋸條.

        3 教學(xué)過(guò)程

        環(huán)節(jié)1:創(chuàng)設(shè)情境,提出任務(wù),引入新課

        師:圣誕節(jié)即將來(lái)臨,老師給同學(xué)們準(zhǔn)備了一個(gè)圣誕禮物.圣誕樹(shù)上安裝了一個(gè)額定電壓是24V的燈帶.現(xiàn)在只有一個(gè)12V的交流電源,如果同學(xué)們能把它點(diǎn)亮,就將這個(gè)禮物送給你們(教師演示12V的交流電源不能使圣誕燈正常發(fā)光).

        師:根據(jù)你的生活經(jīng)歷,用什么裝置能解決這個(gè)問(wèn)題呢?

        生:變壓器.

        師:好.大家如果想利用變壓器解決問(wèn)題,首先就要了解變壓器的結(jié)構(gòu).現(xiàn)在課桌上有可拆解的變壓器,請(qǐng)大家動(dòng)手,了解一下變壓器的結(jié)構(gòu).

        設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生在明確任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,感受變壓器引入的必要性,主動(dòng)探索完成任務(wù)的途徑.

        環(huán)節(jié)2:介紹變壓器的構(gòu)造,演示變壓器的作用

        師:大家觀察變壓器由哪些部分構(gòu)成?

        生:兩個(gè)線圈、一個(gè)閉合鐵芯.

        師(用幻燈片演示變壓器的組成、變壓器的示意圖):變壓器,顧名思義可以改變電壓.現(xiàn)在利用兩個(gè)演示交流電壓表,同時(shí)測(cè)量變壓器的輸入電壓和輸出電壓.測(cè)量結(jié)果表明,輸入電壓與輸出電壓明顯不同(提示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中原、副線圈的匝數(shù)不同).

        設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生頭腦中初步形成變壓器模型,感受變壓器的確是能夠改變電壓的裝置,應(yīng)該可以利用變壓器解決課堂上提出的第一個(gè)任務(wù),為后續(xù)學(xué)習(xí)做好鋪墊.

        環(huán)節(jié)3:實(shí)驗(yàn)探究輸出電壓與輸入電壓、原線圈匝數(shù)、副線圈匝數(shù)的關(guān)系

        師:根據(jù)剛才的演示實(shí)驗(yàn),大家猜想,輸出電壓的大小可能與哪些因素有關(guān)系呢?

        生:輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1,副線圈匝數(shù)n2,輸入電壓U1有關(guān).

        師:如果U2與多個(gè)因素有關(guān),那么,利用什么基本思想確定U2與某個(gè)因素的具體關(guān)系呢?

        生:控制變量.

        師:好!同學(xué)們現(xiàn)在開(kāi)始分組實(shí)驗(yàn),分別測(cè)定U2與n2,n1及U1之間的關(guān)系.選3個(gè)組長(zhǎng)各負(fù)責(zé)一組實(shí)驗(yàn),并匯報(bào)你們小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將表1,2,3補(bǔ)充完整.第一組探究U2與n2的關(guān)系(保持n1=100匝、U1=2V不變).第二組探究U2與n1的關(guān)系(保持n2=400匝、U1=10V不變).第三組探究U2與U1的關(guān)系(保持n1=100匝 、n2=400匝不變).

        (將3組實(shí)驗(yàn)條件同時(shí)用幻燈片演示,對(duì)學(xué)生起到提示作用,同時(shí),強(qiáng)調(diào)讀數(shù)時(shí)要注意有效數(shù)字)

        表1 輸出電壓U2與副線圈匝數(shù)n2的關(guān)系

        表2 輸出電壓U2與原線圈匝數(shù)n1的關(guān)系

        表3 輸出電壓U2與輸入電壓U1的關(guān)系

        師:第一組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果.組長(zhǎng)分析數(shù)據(jù)特點(diǎn),并提出處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法.

        生:隨著副線圈匝數(shù)n2的增加,輸出電壓U2逐漸變大.可以利用坐標(biāo)紙畫(huà)圖像,分析二者的關(guān)系.

        師:很好,利用坐標(biāo)紙畫(huà)圖像,可以看出兩個(gè)物理量之間的關(guān)系,也可以借助電腦處理數(shù)據(jù).我們用Excel畫(huà)圖像可以非常準(zhǔn)確地得到U2與n2的關(guān)系(演示將U2,n2對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸入到Excel的兩列中,插入圖表,選擇散點(diǎn)圖,擬合直線,顯示圖像為過(guò)原點(diǎn)的直線).

        生:從圖像可以看出,U2正比于n2.

        師:第二組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大家一起用Excel畫(huà)圖像(學(xué)生匯報(bào)數(shù)據(jù),教師畫(huà)圖像).

        師:我們發(fā)現(xiàn)隨著n1的增加,U2逐漸降低.U2-n1圖像是曲線,你們組如何處理這些數(shù)據(jù)呢?

        生:可以看出n1的倒數(shù)與U2的關(guān)系.

        師:在Excel中插入一列,通過(guò)函數(shù)運(yùn)算將n1取倒數(shù).然后,描繪圖像,確定與U的關(guān)系.2

        師:第三組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,描繪U2-U1圖像.

        生:從圖像可以得到U2∝U1.

        師:你們能不能用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式把3組實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)?

        設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析?shù)據(jù)能力、歸納總結(jié)能力及小組協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神.

        環(huán)節(jié)4:點(diǎn)亮圣誕燈,完成第一個(gè)任務(wù)

        師:現(xiàn)在,哪位同學(xué)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論將圣誕樹(shù)點(diǎn)亮呢?

        學(xué)生到講臺(tái),親自將圣誕樹(shù)點(diǎn)亮(掌聲).

        師:能否解釋一下是如何點(diǎn)亮圣誕燈的?

        生:輸入電壓為12V,要想變壓器輸出24V的電壓,根據(jù)剛才得到的關(guān)系式,只要副線圈匝數(shù)是原線圈匝數(shù)的2倍即可.

        設(shè)計(jì)意圖:培養(yǎng)學(xué)生利用規(guī)律解決問(wèn)題的能力.讓學(xué)生體驗(yàn)任務(wù)完成的快樂(lè)感和成就感,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

        環(huán)節(jié)5:建立理想變壓器模型,分析變壓器工作原理

        師:圣誕樹(shù)點(diǎn)亮了,我們能感受到變壓器真的很神奇.原、副線圈彼此絕緣,電能卻從一個(gè)線圈轉(zhuǎn)移到另一個(gè)線圈,這個(gè)過(guò)程是如何發(fā)生的呢?

        生:原線圈接入交變電流,副線圈中有磁通量的變化,從而產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),所以燈會(huì)亮起來(lái).

        師:變壓器的工作原理就是互感.那么變壓器在工作過(guò)程中有能量損失嗎?

        生:鐵芯內(nèi)產(chǎn)生渦流;原、副線圈有電阻、電流,會(huì)產(chǎn)生焦耳熱;鐵芯在導(dǎo)磁過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生漏磁(全體學(xué)生討論后由多位學(xué)生回答).

        師:很好.現(xiàn)觀察桌子上的變壓器,鐵芯由硅鋼片疊加而成,已經(jīng)抑制了渦流的熱效應(yīng);原、副線圈由銅線繞制而成,銅線電阻率很小,產(chǎn)生的焦耳熱很少;鐵芯采用導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片,漏磁現(xiàn)象不明顯.如果一臺(tái)變壓器在這3方面的損失均可以忽略不計(jì),那么,我們將這樣的變壓器叫做理想變壓器.

        設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生掌握什么是理想變壓器,體會(huì)理想物理模型提出的方法和必要性,并為下一個(gè)環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)做好鋪墊.

        環(huán)節(jié)6:理論探究理想變壓器原、副線圈的電壓、電流與匝數(shù)的關(guān)系

        師:大家思考,對(duì)于理想變壓器而言沒(méi)有漏磁,那么,原、副線圈磁通量大小有什么關(guān)系呢?

        生:磁通量相等.因?yàn)榇鸥芯€是閉合曲線,并且沒(méi)有漏磁.

        師:原、副線圈磁通量是恒定的么?

        生:是變化的.因?yàn)樵€圈中通入的是交流電,產(chǎn)生方向和大小周期性變化的磁場(chǎng),磁通量當(dāng)然是變化的,副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

        師:鐵芯不漏磁,原、副線圈磁通量必然時(shí)刻相等,那么原、副線圈磁通量的變化率有什么關(guān)系呢?

        師:如果副線圈的匝數(shù)為n2,那么副線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如何表示?

        師:如果原線圈的匝數(shù)為n1,那么,原線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如何表示呢?

        生:可能相等.

        師:原、副線圈中電流與匝數(shù)的關(guān)系?

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)設(shè)計(jì)一系列層層遞進(jìn)的問(wèn)題,引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考.從理論上推導(dǎo)出變壓器的基本規(guī)律,與實(shí)驗(yàn)規(guī)律統(tǒng)一,使學(xué)生內(nèi)心受到震撼,加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解.

        環(huán)節(jié)7:學(xué)以致用、能力提升,完成第二個(gè)任務(wù)

        師:現(xiàn)在又出現(xiàn)了一個(gè)相似的任務(wù),大家想想怎么解決呢?這里還有一串燈帶,需要12V的電壓才能點(diǎn)亮,目前只有變壓器和一個(gè)6V的電池組,你能利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路把它點(diǎn)亮嗎[7]?

        圖1

        生:燈帶不能正常發(fā)光.因?yàn)樵€圈接的是電池組,提供的是恒定電流,線圈中的磁場(chǎng)沒(méi)有變化.副線圈磁通量沒(méi)有改變,不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

        師:很好,同學(xué)們討論有沒(méi)有辦法將燈點(diǎn)亮呢?

        生:可以讓原線圈不斷地處于通斷狀態(tài),這樣就可以使線圈中的磁通量發(fā)生變化,燈應(yīng)該可以亮.

        圖2

        師:老師設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路,如圖2所示,在原線圈中接一個(gè)鋸條,導(dǎo)線在鋸齒上滑動(dòng),讓我們一起觀察實(shí)驗(yàn)效果(可以看到燈持續(xù)地亮起來(lái),掌聲).

        師:導(dǎo)線在鋸條上滑動(dòng),可以使原線圈通斷的頻率更高,效果會(huì)比手動(dòng)的更好.

        設(shè)計(jì)意圖:使學(xué)生對(duì)變壓器的認(rèn)識(shí)達(dá)到新的高度,加強(qiáng)對(duì)電磁感應(yīng)和變壓器工作原理的理解.

        4 總結(jié)

        通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí),學(xué)生掌握了變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及工作規(guī)律.在解決任務(wù)的過(guò)程中,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、理論分析能力、歸納概括能力,同時(shí),也體驗(yàn)了團(tuán)隊(duì)合作精神.任務(wù)完成后,學(xué)生體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)的快樂(lè).采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué),提高了“變壓器”課堂教學(xué)效率,使學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)得到了全面提升.

        1 王瑞.物理任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的理論與實(shí)踐研究(學(xué)位論文).河南師范大學(xué),2009

        2 李勝華.“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”模式在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用.學(xué)周刊,2011(6):37

        3 人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理·選修3-2教師教學(xué)用書(shū).北京:人民教育出版社,2010

        4 吳蘭紅.優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)提高課堂教學(xué)有效性.物理教學(xué)探討,2010(5):63~65

        5 齊麗虹,肖增英.“變壓器”數(shù)學(xué)設(shè)計(jì).教育理論與實(shí)踐,2010(4):31~33

        6 董書(shū)生.“向心力”教學(xué)設(shè)計(jì).物理通報(bào),2010(9):48~49

        7 顧婉清.用干電池做變壓器演示實(shí)驗(yàn).物理實(shí)驗(yàn),1995,15(2):680

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