陸澤璇 張軍朋 林樂鑫

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

在傳統(tǒng)的講授教學中，變壓器等物理器件作為主干知識的應用主要是由教師講解.教師首先介紹器件的結構，繼而介紹其工作原理，然后通過相關練習進行鞏固.學生通過傾聽快速地了解器件的原理并加以應用.該過程涉及到的演示實驗大多是教師直接呈現(xiàn)，學生在觀察中得出結論，學生對器件本身為何如此設計沒有任何的質(zhì)疑.這種教學模式淡化了器件裝置中所蘊含的物理思維、物理方法，也不利于培養(yǎng)學生的能力和探究意識.為了充分展示物理器件的教學功能，本文基于加涅于1970年提出的問題解決4階段說，即提出問題，分析問題，形成假設和驗證假設，結合探究一般過程，我們嘗試定義了“基于探究的物理問題解決”教學模式，指學生在一定的物理問題情境及教師的引導下，對問題進行物理思維，開展物理探究活動，達到掌握物理知識和思想方法，增強物理問題解決能力，形成探究創(chuàng)新人格特點為目的的教學方式.其中，由于問題解決過程中可能出現(xiàn)的變動，當面臨艱巨的任務和出現(xiàn)新概念的情況下，問題解決者常常會“回頭思考”，因此4階段說應該是可以多次循環(huán)，在問題情境中迂回.具體的教學模式的程序如圖1所示.

圖1

下面以高中物理“變壓器”一節(jié)的教學為例，闡述“基于探究的物理問題解決”教學模式在物理教學中的應用.

2 “基于探究的物理問題解決”教學模式在物理教學中的應用

在人教版選修3-2物理“變壓器”的教學內(nèi)容中，教材首先介紹變壓器的結構，然后通過實驗探究變壓器的變壓規(guī)律.雖然這樣的設計能夠讓學生明確變壓器是由一個閉合鐵芯和兩個線圈組成，但是對其中構造的緣由卻不甚了解，學生對閉合鐵芯的導磁作用以及理想變壓器變壓規(guī)律的推導過程和成立條件理解也不深刻.為了加深學生對知識的理解和提高學生的探究能力，筆者運用“基于探究的物理問題解決”模式進行教學，從新課導入，自主探究，分析交流到歸納應用，具體實施過程如圖2所示.

圖2

2.1 新課導入——提出問題

新課導入，提出問題是整個教學過程的起始環(huán)節(jié).問題的提出一般是從教師預先設定具體的教學情境或現(xiàn)實存在的客觀問題出發(fā)，通過提問的方式引起學生的思考和探知的欲望.該環(huán)節(jié)的目的就在于讓學生明確學習的主題、探究的問題、激發(fā)學生學習的興趣，促進學生積極主動地參與教學活動.

教師首先結合自制的遠距離輸電教具，演示并介紹遠距離輸電過程，提出“遠距離輸電是如何實現(xiàn)升壓和降壓？”；繼而演示1節(jié)“干電池的變壓”（如圖3，用導線A端不斷地與電池底部接觸斷開）并在變壓器處設疑，提出“1.5V的干電池又是如何實現(xiàn)升壓，供額定電壓為13V的燈泡正常發(fā)光的呢？”，通過這兩個演示可以引起學生學習的興趣和對變壓的關注.

在學生疑惑之時，教師出示一枚“13V，25W”的小燈泡，并說明現(xiàn)場只有220V的交流電源等以下幾種器材：① 調(diào)壓變壓器（220V）；② 直鐵芯；③ 彎曲鐵芯；④ 小燈泡（13V，25W）；⑤、⑥：線圈（匝數(shù)比約為220∶13）；⑦、⑧：線圈（匝數(shù)比約為6∶1）；⑨、⑩：開關；?、?：電壓表（量程分別為0～30V，0～300V）；?、?：電流表（量程分別為0～500mA，0～3A）.要求學生之間討論如何利用現(xiàn)有器材讓小燈泡接近正常發(fā)光？從而提出本節(jié)課的探究的問題：“設法讓“13V，25W”的小燈泡接近正常發(fā)光”.

該引入首先介紹的是生產(chǎn)生活需要，能夠引起學生對本節(jié)課學習的重視.此外，采用探究式教學模式，提出本節(jié)課有待解決的問題“如何使13V，25W的小燈泡接近正常發(fā)光”，能有效調(diào)動學生學習的熱情和探究的欲望.

圖3

2.2 自主探究——分析發(fā)現(xiàn)、形成假設、驗證假設

自主探究環(huán)節(jié)，是學生基于提出的問題以及已有的知識結構，通過教師的有效干預和實驗探索，解決問題的過程.該過程具體可分為分析發(fā)現(xiàn)，形成假設和驗證假設3個階段，分別對應于學生探究活動中的分析問題，猜想假設以及實驗檢驗或理論推導過程.

分析發(fā)現(xiàn)要求教師為學生提供建構知識的材料或指導學生回顧提取習得的概念規(guī)律，從而幫助學生確定問題解決的方向.形成假設是基于猜想制定實驗方案的過程，該過程要求學生對解決問題的方式或答案提出假設，并對實驗的結果進行預測，繼而根據(jù)實驗的目的和已有的條件，確定解決問題方案.驗證假設則是教師引導學生通過實驗操作或理論分析檢驗方案的過程，教師在該環(huán)節(jié)要注重培養(yǎng)學生嚴謹求真的科學態(tài)度以及安全操作等意識.

由于問題的解決往往不是一蹴而就，問題解決方案的最終確定不僅要求學生從基本原理出發(fā)，同時還要求學生提取已習得的實驗原理和方法進行檢驗.若結果是肯定的，則問題解決，若結果是否定的，則需要進一步改進和檢驗，因此分析發(fā)現(xiàn)、形成假設和驗證假設這3個階段是可循環(huán)的.其中分析發(fā)現(xiàn)階段，教師要適當給予學生啟發(fā)，同時要確定問題解決的方向和方法，即制定實驗方案期間，教師要放手讓學生探索，因為這個過程可以激活學生的思維，習得問題解決的方法.而由于動作技能是人類長期實驗操作經(jīng)驗積累的結果，很難在短時間內(nèi)實施探究，所以驗證假設過程只需要按照規(guī)范操作方法習得就好.下面將以“設法讓13V，25W”的小燈泡接近正常發(fā)光”這個探究課題具體的解決過程和期間逐步改善的4個方案為例進行闡述.

方案1：并置線圈，燈泡不發(fā)光.

問題：如何設計電路，使“13V，25W”的小燈泡發(fā)光？

分析發(fā)現(xiàn)：教師首先結合板書提出，“如圖4所示，電磁感應現(xiàn)象實驗中，給一個線圈輸入交變電壓U1時，線圈中的電流會發(fā)生變化，通電線圈的磁通量會發(fā)生變化.若在該線圈的附近放置另一線圈，則通過該線圈的磁通量也會發(fā)生變化，繼而產(chǎn)生感應電動勢.根據(jù)法拉第電磁感應定律，產(chǎn)生的感應電動勢的大小可以運用求得，用n、n來表示兩12個線圈的匝數(shù).同學們想一下，兩個線圈兩端的電壓比和線圈的匝數(shù)比可能存在什么關系？”

圖4

部分學生根據(jù)因此選用匝數(shù)比為220∶13的線圈來進行方案設計.

形成假設：學生的分析設計并沒有意識到兩個線圈通過的磁通量不等，教師不要急于說明，反之將錯就錯，進一步引導學生在圖4的基礎上給兩線圈分別并聯(lián)上電壓表和串聯(lián)上電流表，以便觀察，形成實驗設計方案1，如圖5所示.

圖5

驗證假設：教師根據(jù)學生提出的實驗方案1選擇器材，連接實物電路圖并演示實驗，引導學生觀察燈泡發(fā)光情況并記錄電壓表和電流表的示數(shù).

實驗結果：小燈泡不發(fā)光，輸出電壓幾乎為0V，具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

方案1中分析發(fā)現(xiàn)充分利用學生已有的知識法拉第電磁感應定律及互感現(xiàn)象，能夠有效指引學生尋求問題解決的方案，而結果與學生的預測之間存在的強烈反差，給予學生思維沖擊.這能夠激起學生對已知經(jīng)驗的不滿，增強學生探究的欲望.

方案2：重疊線圈，燈泡幾乎不發(fā)光.

問題：如何改進方案1，使小燈泡發(fā)光？

分析發(fā)現(xiàn)：針對方案1的失敗，教師可以借助多媒體圖片6展示E線圈產(chǎn)生的磁場分布，引導學生討論實驗失敗的原因及實驗改進的策略.學生在教師的啟發(fā)下會發(fā)現(xiàn)E線圈產(chǎn)生的磁通量很多沒有穿過F線圈，討論后會發(fā)現(xiàn)方案1中的分析推導過程有缺漏，由于

可得燈泡不發(fā)光.

圖6

形成假設：找到實驗失敗的原因，那么如何才能提高通過F線圈的磁通量呢？學生結合桌面的線圈實物和磁感線的分布特征，部分學生會提出把F線圈疊放到E線圈上，因為線圈軸心磁場分布比較密集.

圖7

驗證假設：根據(jù)學生提出的改進方案，如圖7所示，教師將F線圈疊放到E線圈上方，閉合開關，演示實驗.

實驗結果：小燈泡不發(fā)光，但輸出電壓有細微偏轉(zhuǎn)，輸出電流指針偏轉(zhuǎn)明顯，具體數(shù)據(jù)如表2.

表2

方案2雖然仍舊無法讓燈泡發(fā)光，但是電壓表和電流表的細微偏轉(zhuǎn)說明學生提出的改進是有效的.教師要鼓勵學生，激發(fā)學生繼續(xù)探究的興趣.該設計也能為方案3鐵芯的引入奠定基礎，其實學生的設計并沒有考慮線圈內(nèi)阻存在的電壓降，教師不要急于揭示，這樣的設計可以分化教學的難點，后面再對該問題進行全面深入分析.

方案3：插入直鐵芯，燈泡發(fā)光.

問題：如何改進方案2，使小燈泡發(fā)光亮度變大？

分析發(fā)現(xiàn)：方案2中燈泡雖然沒有發(fā)光，但電壓表和電流表有不同程度的偏轉(zhuǎn)，說明通過F線圈的磁通量確實增加了，但是磁通量的增大力度明顯不夠，“同學們回憶初中所學的知識，桌面上提供的器材當中有哪種儀器可以進一步增加通過F線圈的磁通量，增強磁性呢？”學生在教師的啟發(fā)下不難選用直鐵芯.

形成假設：鐵芯一般是由高導磁材料制作，相比空氣，其磁阻小，正如電流總是盡可能從電阻比較小的支路通過，磁通也總是從磁阻比較小的地方通過，即鐵芯具有聚集磁場，增強磁性的作用.學生了解鐵芯的功能，基本都能夠提出在疊放的兩線圈中插入1根直鐵芯的改進方案.

圖8

驗證假設：教師再一次演示學生提出的改進方案3，如圖8所示，將直鐵芯插入兩線圈，閉合開關，可以發(fā)現(xiàn)小燈泡發(fā)光，輸出電壓為6.0V.具體數(shù)據(jù)如表3所示.

表3

學生的認知是一個循序漸進的過程，至此，方案3能讓學生認識到鐵芯在變壓器構成中不可或缺的作用，同時強化學生對鐵芯聚集磁場功能的理解，為閉合鐵芯的引入奠定基礎.此外，該實驗的失敗能進一步激發(fā)學生探究的欲望，促進學生積極主動地參與教學過程.

方案4：穿插閉合鐵芯，燈泡接近正常發(fā)光.

問題：如何改進方案3，使小燈泡接近正常發(fā)光？

分析發(fā)現(xiàn)：雖然方案3中的燈泡發(fā)光了，但是輸出電壓僅有6V，與額定電壓13V存在接近一半的差距，而探究的課題是讓小燈泡接近正常發(fā)光，即問題還是沒有解決，教師可以借助多媒體圖片（圖9）展示插入鐵芯后E、F線圈的磁感線分布情況，學生不難發(fā)現(xiàn)由于磁感線是閉合且彎

曲的，所以還是有部分磁感線遺漏在空氣中，沒有通過線圈F，由于

圖9

形成假設：在學生發(fā)現(xiàn)問題的關鍵和解決的方向時，教師可以再次強調(diào)鐵芯的作用“聚集磁場，增強磁性”，同時指引學生討論選取器材進一步改善實驗方案.學生很快可以確定選用直鐵芯和彎曲鐵芯構成閉合鐵芯，并形成實驗方案4，如圖10所示.

驗證假設：雖然學生有參與整個探索過程，但前3個方案均是教師演示，此時學生的設計熱情已經(jīng)得到了充分的激發(fā).為了讓學生第一次感受設計探究帶來的成功喜悅，讓學生獲得物理學習的積極體驗和情感，加之以上的3個演示實驗，教師已經(jīng)做了足夠的有效示范，學生對于電路的連接，數(shù)據(jù)的記錄等操作步驟都已相當熟悉，所以該驗證假設環(huán)節(jié)完全可以讓學生以小組為單位自主完成.

圖10

在驗證過程中，教師要進行巡視，著重從以下幾個方面指導學生探究：（1）由于輸入電壓為220V，通電前是否要用黑紗布將導線的接觸端口包住，確保安全；（2）交流電壓表和電流表的量程選擇是否正確；（3）斷開電源時，操作是否得當，要做到防止斷電自感；（4）數(shù)據(jù)的記錄是否全面，有效位數(shù)的選擇是否正確；（5）組內(nèi)分工是否明確等.

收集數(shù)據(jù)后，教師可以用投影儀展示部分小組的實驗結果，大部分小組實驗的結果是小燈泡接近正常發(fā)光，輸出電壓約為12V左右，其中1組具體數(shù)據(jù)如表4所示.

表4

經(jīng)過以上的探究，問題已經(jīng)初步解決，可以看到，在這個過程中，教師不斷地創(chuàng)設“認知沖突”，打破學生原有的認知平衡狀態(tài)，激發(fā)學生的思維，同時實驗的設計也很好地與學生思維過程同步.這既遵循了認知發(fā)展規(guī)律，又具有濃烈的物理思想.

2.3 交流分析——反思評價

該環(huán)節(jié)要求學生反思問題解決的過程并對實驗探究獲取的數(shù)據(jù)或結論進行深入的交流分析.教師通過適時地指導，指引學生嘗試分析假設與實驗結果間存在的差異，注意探究活動中未解決的矛盾.其目的是讓學生對學習的主題知識和過程技能有更深刻的理解，將解決的矛盾納入知識結構，完善其認知結構.

經(jīng)過自主探究，燈泡接近正常發(fā)光，但是幾乎所有小組的實驗結果E、F線圈兩端的電壓比與匝數(shù)比并沒有嚴格相等，“這是測量誤差嗎？”教師可以用提問的方式再次引發(fā)學生的思考和討論，鼓勵學生對整個探究的過程進行反思.為了幫助學生確定分析方向，教師可以讓學生用手靠近剛剛工作完畢的線圈，感受線圈散發(fā)的熱量，繼而引導學生用多用電表測量兩線圈的內(nèi)阻，借助多媒體輔助構建某一時刻E、F線圈的電路模型如圖11所示.學生在教師的啟發(fā)下加以理論推導容易發(fā)現(xiàn)兩線圈的感應電動勢E1、E2和U1、U2并不相等.

圖11

在E線圈中，根據(jù)楞次定律，產(chǎn)生的感應電動勢總是阻礙電流的變化，所以兩端的電壓U1＝E1＋I1r1，結合E1＝n1，可得

F線圈中，根據(jù)閉合回路的歐姆定律，某時刻兩端的電壓U2＝E2-I2r2，結合E2＝n2，可得

結合（1）、（2）兩式，可得.

該分析過程教師充分利用了口頭，學生觸覺，多媒體等方式，以及學生已有的電路知識，促進學生對變壓的真正理解.同時也為理想變壓器條件的學習奠定了基礎，學生由此建立的表象相對于電壓比與匝數(shù)比的關系表象更為完整全面.

2.4 歸納應用——建構知識

該環(huán)節(jié)是教師基于探究和評估，指引學生建立概念，形成規(guī)律并加以應用的過程.它要求學生能夠自主總結歸納，并嘗試將習得的知識和技能應用解釋課前留下的問題或其他問題情境中.

探究的目的之一就是建構知識.根據(jù)以上的實驗，問題已經(jīng)解決，而隨著問題的解決，教師便可以自然地引導學生總結變壓器的機構、原理和變壓規(guī)律.

結構：原、副線圈和閉合鐵芯；工作原理：互感現(xiàn)象；變壓規(guī)律，成立條件是不漏磁，無銅損.

物理來源于生活又服務于社會，在建構完概念和規(guī)律時，教師應該鼓勵引導學生將習得的知識應用到其他與概念、規(guī)律相聯(lián)系的生活情境中.例如讓學生討論回答課前留下的問題，遠距離輸電是如何實現(xiàn)升壓和降壓？1.5V的直流干電池又是如何實現(xiàn)升壓的呢？由此鞏固學習內(nèi)容.此外，教師可以介紹變壓器在生活中的其他應用，讓學生進一步感受學習物理的價值.

有關研究已清楚地表明，單純對事實性知識進行教學和考察，而把對知識的理解和運用寄望于后續(xù)的發(fā)展，這種做法是行不通的.如果不給學生以解決真實問題的檢驗，即使以學生的理解和能力培養(yǎng)為目標的教學，也不能保證使學生具備解決真實問題的能力，所以本環(huán)節(jié)最后對學生的考察仍舊是要求學生應用所學知識分析解決實際存在的問題，以此完善學生的知識結構及提高學生問題解決的能力.

總而言之，在“變壓器”的教學中運用“基于探究的物理問題解決”教學模式，整個探索過程充分重視學生“學會使用知識”，以問題為線索，做到了實驗與思維的有機配合，層層推進，一氣呵成.與傳統(tǒng)的教學相比，該過程使學生始終處于積極的參與狀態(tài)，學生研究問題和解決問題的策略性知識得到更好的發(fā)展.

3 結束語

以上我們以高中物理“變壓器”一節(jié)為例，闡述了“基于探究的物理問題解決”教學模式的應用.雖然該教學模式相對于傳統(tǒng)的講授式教學更有利于學生能力的培養(yǎng)與探究意識的形成，更符合學生的認知特點，但在我國的物理教學中，這種模式的應用還不夠普遍.在物理學中有許多器件，例如“回旋加速器”“多用電表”等器件的發(fā)明、完善過程都濃縮了科學工作者的智慧，這些主題都適合用“基于探究的物理問題解決”模式.只要教師根據(jù)所教的主題，學生的認知發(fā)展水平以及具體的學生需要來設計和實施“基于探究的物理問題解決”教學模式，就能優(yōu)化和改進教學效果.

1 蔡鐵權.物理教學從論［M］.北京：科學出版社，2005.

2 馬錦蓮.高中數(shù)學問題解決探究教學模式的研究和實驗［D］.廣西師范大學碩士論文，2005.

3 吳偉，吳成娟，楊清華.國外物理探究教學案例及其啟示：以WISE為例［J］.物理教師，2010（11）：44-46.