【摘要】物理核心素養(yǎng)是高中物理教學(xué)追求的目標(biāo)，而建構(gòu)物理模型是物理教學(xué)最重要內(nèi)容之一，也是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分。本文以“變壓器”教學(xué)為例通過“引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突”，來更好地促成學(xué)生對(duì)物理模型建構(gòu)過程的“內(nèi)化”和“升華”，從而提高學(xué)生科學(xué)思維能力，進(jìn)一步促進(jìn)物理核心素養(yǎng)形成。

【關(guān)鍵詞】物理模型 認(rèn)知沖突 變壓器教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）05-0270-02

一、問題提出

提升學(xué)生的核心素養(yǎng)是現(xiàn)階段課程改革和教學(xué)的主要方向，物理作為一門研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在教學(xué)實(shí)踐中如何全面落實(shí)核心素養(yǎng)是一個(gè)新的重要課題。物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個(gè)部分組成。而物理模型建構(gòu)是物理核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”的重要組成部分，也是歷年物理高考的重中之重。

在實(shí)際教學(xué)中的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律往往十分復(fù)雜，牽涉到方方面面的因素。為了形象、簡(jiǎn)捷的處理物理問題，我們往往舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質(zhì)特征，這就叫建構(gòu)物理模型。

建構(gòu)物理模型的方式很多，教師可以通過呈現(xiàn)一些場(chǎng)景，直接從物理現(xiàn)象中抽象出模型，比如機(jī)械振動(dòng)中不同形狀的“球”和“線”抽象出的單擺模型，描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)模型等等 也可以通過實(shí)驗(yàn)來提取模型，比如通過實(shí)際的變壓器電壓和匝數(shù)關(guān)系得到理想變壓器模型等等。

“構(gòu)建物理模型”是解決物理問題的關(guān)鍵，教師一般會(huì)通過授課和課外活動(dòng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生在教師的引領(lǐng)下從認(rèn)識(shí)到接受、再到運(yùn)用模型解決問題，但在這個(gè)過程中，學(xué)生并未真正參與模型的建構(gòu)過程，教師急于“短、平、快”地給予，并未留給學(xué)生足夠的時(shí)間去自我加工、內(nèi)化，于是學(xué)生往往 “知其然”而不知“其所以然”，盲目套用物理模型。

例如，2011年浙江省高考理綜試卷第16題：

如圖1所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數(shù)n1=800和n2=200的兩個(gè)線圈，上線圈兩端u=51sin314tV的交流電源相連，將下線圈兩端接交流電壓表，則交流電壓表的讀數(shù)可能是

A、2.0V B、9.0V C、12.7V D、144.0V

該題學(xué)生往往直接將此變壓器當(dāng)成理想變壓器，按照電壓比與匝數(shù)比的關(guān)系，選擇了B，正確率非常低。

再例如，2015年浙江省普通高中學(xué)業(yè)水平考試的第5題：

秋日，樹葉紛紛落下枝頭，其中有一片梧桐葉從高為5m的枝頭自靜止落至地面，所用時(shí)間可能是

A.0.1s B.0.5 s C.1 s D.3 s

學(xué)生將梧桐葉的下落過程想當(dāng)然地理解為自由落體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)位移公式，得答案C。

這樣的例子舉不勝舉，而這些錯(cuò)誤的背后，是學(xué)生對(duì)理想模型建構(gòu)過程缺乏認(rèn)識(shí)，盲目套取公式的結(jié)果。為了加深對(duì)過程的認(rèn)識(shí)，我們應(yīng)從教學(xué)過程入手，充分運(yùn)用“引發(fā)認(rèn)知沖突”等教學(xué)手段，從根本上解決模型構(gòu)建時(shí)不易“內(nèi)化”的癥結(jié)。

二、教學(xué)對(duì)策

認(rèn)知沖突理論最早是由美國(guó)心理學(xué)家費(fèi)斯汀格提出的。所謂認(rèn)知沖突，是指學(xué)生在認(rèn)知發(fā)展過程中原有認(rèn)知水平與新認(rèn)識(shí)對(duì)象不相符時(shí)心理上所產(chǎn)生的對(duì)立性矛盾或沖突。一旦誘發(fā)這種認(rèn)知沖突，就會(huì)引起學(xué)生認(rèn)知心理的不平衡，激起學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望和渴求獲取問題解決方法的心理傾向，直到產(chǎn)生解決這種認(rèn)知沖突的方法，重新達(dá)到新的心理平衡。因此，教師可合理利用學(xué)生的認(rèn)知沖突，激起學(xué)生激烈的思維振蕩和探究興趣，提升教學(xué)有效性。

以物理人教版《選修3-2》的《變壓器》教學(xué)為例，通過物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境，讓認(rèn)知沖突貫穿其中，在“問題情境”——“引發(fā)沖突”——“解決沖突”——再次生成“問題情境”的螺旋遞進(jìn)式教學(xué)中，引領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)參與“理想變壓器”物理模型的構(gòu)建過程。從而加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，也有助于學(xué)生建模能力的提升。

三、教學(xué)過程

出示220V 15W白熾燈和學(xué)生電源

師：將這個(gè)220V白熾燈接在電源上，燈會(huì)亮嗎？

生：應(yīng)該會(huì)亮……

實(shí)驗(yàn)1：將220V、15w的白熾燈接在學(xué)生電源交流檔上，調(diào)節(jié)學(xué)生電源輸出電壓，從2V一直升高到24V，燈絲在超過20V后開始發(fā)紅，但依然不亮。

學(xué)生看到燈絲發(fā)紅，期待繼續(xù)變亮，但電壓已經(jīng)達(dá)到最大值24V。

【通過實(shí)驗(yàn)一，學(xué)生從期望燈亮到實(shí)際不亮、從燈絲發(fā)紅到期望更亮的過程，吸引他們對(duì)該節(jié)內(nèi)容的關(guān)注，激發(fā)探究問題的欲望，也為尋求“提升電壓”的方法做鋪墊?！?/p>

師：在不改變電源的前提下，如何使燈更亮？

生：……

實(shí)驗(yàn)2：出示一個(gè)黑箱（內(nèi)置兩個(gè)線圈和一個(gè)鐵芯組裝成一個(gè)變壓器，再在外面罩上一個(gè)小箱子，只露出四根接線）。將交流電源16V檔與原線圈100匝相連，副線圈1400匝接白熾燈，結(jié)果燈亮。

師：為什么？？

生：……

教師將小箱子拿掉，向?qū)W生展示變壓器。

【學(xué)生對(duì)如何在不改變電源的前提條件下，讓白熾燈亮起來的方法比較迷茫的時(shí)候，通過一個(gè)變壓器，竟能讓電燈點(diǎn)亮，引發(fā)了學(xué)生的“認(rèn)知沖突”，驅(qū)使他們對(duì)原理的進(jìn)一步思考?！?/p>

師：學(xué)生電源和白熾燈直接相連嗎？

生：應(yīng)該要相連……

實(shí)驗(yàn)3：教師當(dāng)眾拆解變壓器，呈現(xiàn)相互獨(dú)立的兩個(gè)線圈和一個(gè)鐵芯，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線圈并不相連。

師：電是怎么傳過去的？它們之間靠什么聯(lián)系？

生：當(dāng)連接電源的線圈通上交流電后，會(huì)在其周圍形成變化的磁場(chǎng)，使附近的另一個(gè)閉合線圈發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

師：我們用拾電圈驗(yàn)證一下大家的猜想。

實(shí)驗(yàn)4：將原線圈套在凹型鐵芯的一側(cè)，接上交變電流，用拾電圈放于通電線圈上方，如圖2所示，結(jié)果小燈泡發(fā)光。

師：拾電圈中確實(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電流。那么，鐵芯的作用是什么？

實(shí)驗(yàn)5：將拾電圈套在鐵芯另一端，放置鐵芯橫桿，形成一個(gè)閉合磁路，觀察有無鐵芯橫桿小燈泡的亮度變化 再去掉鐵芯，對(duì)比燈泡亮度。

師生共同總結(jié)：電磁感應(yīng)使小燈泡通電、發(fā)光，而鐵芯的作用可以收集磁感線，在鐵芯內(nèi)形成一個(gè)閉合的磁路，增強(qiáng)電磁感應(yīng)的效果。

師：通過電磁感應(yīng)，這樣一個(gè)裝置能實(shí)現(xiàn)改變電壓的功能，那么電壓的變化跟哪些因素有關(guān)呢？

學(xué)生：可能跟匝數(shù)比有關(guān)……

教師出示一個(gè)裸露的變壓器，展示變壓器上很多的抽頭，說明通過不同的連接方式可以改變輸出電壓。

師：我們?cè)偻ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下大家的猜想。

實(shí)驗(yàn)6：原線圈接在交流電源上，另一側(cè)鐵芯上采用手工繞制的方法，繞上15匝導(dǎo)線，然后接上交流電壓表，如圖3所示，此時(shí)電壓表示數(shù)為1.0V。

師：為了使電壓表示數(shù)變?yōu)?.0V，右邊再繞幾匝呢？

生：15匝！

師：示數(shù)為3.0V呢？

教師通過實(shí)驗(yàn)演示，證實(shí)了學(xué)生的猜想。并得出結(jié)論：電源不變的情況下，輸出電壓跟繞制匝數(shù)成正比。

師：除了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外，大家能不能通過理論分析得出匝數(shù)與輸出電壓的關(guān)系？

生：由于鐵芯的作用，可以認(rèn)為原副線圈的磁通量始終相等，磁通量的變化率相等，每一匝的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，得到E1/E2=n1/n2。在忽略導(dǎo)線內(nèi)阻的情況下，電動(dòng)勢(shì)等于電壓，得出電壓比U1/U2=n1/n2。

師：忽略鐵芯的漏磁和發(fā)熱，不考慮導(dǎo)線的內(nèi)阻，沒有能量損失的變壓器稱為理想變壓器。

【通過上述四個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從線圈直接導(dǎo)通到實(shí)際不導(dǎo)通，再到通過磁場(chǎng)“導(dǎo)通”，最后讓學(xué)生思考如何能讓磁場(chǎng)“更通”的過程，不斷引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，通過教師和學(xué)生的共同討論分析，推導(dǎo)出理想變壓器的原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。而此時(shí)，學(xué)生對(duì)理想變壓器模型的認(rèn)識(shí)可能還是沒有深入理解，需要進(jìn)一步的強(qiáng)化。】

師：交流電源電壓為16V，原副線圈匝數(shù)比為100：1400，如果將一只白熾燈燈泡接入副線圈，白熾燈兩端的電壓是多少？

生：白熾燈兩端的電壓將是16*14=224V，與額定電壓接近。

實(shí)驗(yàn)7：將變壓器接到電源上，測(cè)量出空載時(shí)的輸出電壓，約220V。

師：我們將白熾燈接上，再測(cè)量一下白熾燈兩端的電壓。

實(shí)驗(yàn)8：用電壓表測(cè)量副線圈的輸出電壓，結(jié)果只有93V。

師：實(shí)際電壓只有93V，并不滿足成正比的特點(diǎn)，問題可能出在哪里？

生：副線圈相當(dāng)于電源，白熾燈相當(dāng)于外電路用電器，副線圈有內(nèi)阻導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等于路端電壓。

師生共同分析得出U1/U2=n1/n2的前提條件是不考慮鐵芯的“鐵損”和導(dǎo)線的“銅損”，再次強(qiáng)調(diào)理想變壓器模型建立的條件，加深對(duì)模型建構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

【學(xué)生在學(xué)習(xí)變壓器知識(shí)時(shí)，往往只注重規(guī)律的運(yùn)用，而忽視模型的條件，這也是學(xué)生學(xué)物理的一大通病，通過實(shí)驗(yàn)7、8，學(xué)生的推算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)烧咧g巨大的差異，自然會(huì)激起他們極大的認(rèn)知沖突，迫使他們重新去認(rèn)識(shí)變壓器，從而加深對(duì)理想變壓器條件的理解?！?/p>

實(shí)驗(yàn)9：出示手搖交流發(fā)電機(jī)，并使3.8V小燈泡正常發(fā)光。

師：能否用這臺(tái)手搖發(fā)電機(jī)，使220V的白熾燈正常發(fā)光呢？

生：可以通過變壓器。

師：請(qǐng)你設(shè)計(jì)一下這個(gè)變壓器。

學(xué)生通過公式很快計(jì)算出匝數(shù)比。

實(shí)驗(yàn)10：按照學(xué)生的設(shè)計(jì)，請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)接好電路并演示，結(jié)果不管怎樣搖發(fā)電機(jī)，白熾燈都不會(huì)正常發(fā)光。

師生分析原因，得出共識(shí)：變壓器能提升電壓，但不能提升能量，依然遵循能量守恒定律。

【通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生依然沒能將能量守恒觀念內(nèi)化于變壓器的實(shí)際情境中，所以，這個(gè)“沖突”的設(shè)立，既可以進(jìn)一步強(qiáng)化“變壓器”知識(shí)落實(shí)，“理想變壓器”模型構(gòu)建，也將物理觀念等核心素養(yǎng)提升到更高的高度?！?/p>

四、教學(xué)反思

美國(guó)課程專家H.Lynn Erickon提出“以概念為本的課程與教學(xué)”，強(qiáng)調(diào)“提高學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更多的是要求思維能力的提升，而不是掌握更多的事實(shí)內(nèi)容”。所以，《變壓器》教學(xué)重心不能只在意于觀察實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和結(jié)論應(yīng)用，更應(yīng)該關(guān)注理想變壓器模型建構(gòu)的教學(xué)過程。

本節(jié)課通過十個(gè)小實(shí)驗(yàn)，從元認(rèn)知中白熾燈的“亮”和現(xiàn)實(shí)的“不亮”產(chǎn)生沖突 從提高電壓終于發(fā)紅到只能調(diào)到24V而不能更亮的沖突 從“不能改變電源”的前提下不知道如何點(diǎn)亮到通過簡(jiǎn)單的線圈鐵芯組裝使燈變亮的沖突 從兩個(gè)線圈應(yīng)該會(huì)連通而實(shí)際不通的沖突再到通過磁場(chǎng)“相通”的事實(shí) 從理論推導(dǎo)出電壓與匝數(shù)比公式到實(shí)際測(cè)量值的沖突……學(xué)生在心理預(yù)設(shè)和實(shí)際結(jié)果沖突中驅(qū)使自己思考，在思考中完善思維的嚴(yán)密，補(bǔ)足相關(guān)條件，提升認(rèn)識(shí)問題的高度，最終得出“理想變壓器”模型，而這個(gè)過程能加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，使他們站在更高更廣的視野下審視物理問題，感悟物理本質(zhì)，滲透物理核心素養(yǎng)。

課后，有學(xué)生跑上講臺(tái)，興奮地告訴我，這節(jié)課像是在“變魔術(shù)”，更多的學(xué)生課后依然圍繞著實(shí)驗(yàn)器材互相擺弄，遲遲不肯離去。我相信，通過這樣的設(shè)計(jì)，學(xué)生更深刻理解了物理理想模型的建立過程和條件，若再去面對(duì)非理想情況下的變壓器，定會(huì)有更全面、更準(zhǔn)確地思考。這樣的課堂，既可以點(diǎn)亮電燈，更可以“點(diǎn)亮”思維，使學(xué)生在觀察中思考，在沖突中完善，在實(shí)踐中創(chuàng)新。這是真正落實(shí)物理核心素養(yǎng)的高效課堂，亮燈也是亮了學(xué)生的智慧。

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作者簡(jiǎn)介：

黃金富，男，漢族，中學(xué)一級(jí)教師。1980年出生于浙江臺(tái)州，2003年大學(xué)本科畢業(yè)，現(xiàn)在浙江省臺(tái)州市第一中學(xué)工作，擔(dān)任學(xué)校兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班的物理教學(xué)和班主任工作，兼管年級(jí)段工作。曾獲臺(tái)州市優(yōu)課二等獎(jiǎng)，省信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)。