陸澤璇 張軍朋 林樂鑫

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

在傳統(tǒng)的講授教學(xué)中，變壓器等物理器件作為主干知識的應(yīng)用主要是由教師講解.教師首先介紹器件的結(jié)構(gòu)，繼而介紹其工作原理，然后通過相關(guān)練習(xí)進(jìn)行鞏固.學(xué)生通過傾聽快速地了解器件的原理并加以應(yīng)用.該過程涉及到的演示實(shí)驗(yàn)大多是教師直接呈現(xiàn)，學(xué)生在觀察中得出結(jié)論，學(xué)生對器件本身為何如此設(shè)計沒有任何的質(zhì)疑.這種教學(xué)模式淡化了器件裝置中所蘊(yùn)含的物理思維、物理方法，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的能力和探究意識.為了充分展示物理器件的教學(xué)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(shè)和驗(yàn)證假設(shè)，結(jié)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(xué)模式，指學(xué)生在一定的物理問題情境及教師的引導(dǎo)下，對問題進(jìn)行物理思維，開展物理探究活動，達(dá)到掌握物理知識和思想方法，增強(qiáng)物理問題解決能力，形成探究創(chuàng)新人格特點(diǎn)為目的的教學(xué)方式.其中，由于問題解決過程中可能出現(xiàn)的變動，當(dāng)面臨艱巨的任務(wù)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(yīng)該是可以多次循環(huán)，在問題情境中迂回.具體的教學(xué)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(xué)為例，闡述“基于探究的物理問題解決”教學(xué)模式在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

2 “基于探究的物理問題解決”教學(xué)模式在物理教學(xué)中的應(yīng)用

在人教版選修3-2物理“變壓器”的教學(xué)內(nèi)容中，教材首先介紹變壓器的結(jié)構(gòu)，然后通過實(shí)驗(yàn)探究變壓器的變壓規(guī)律.雖然這樣的設(shè)計能夠讓學(xué)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(gòu)造的緣由卻不甚了解，學(xué)生對閉合鐵芯的導(dǎo)磁作用以及理想變壓器變壓規(guī)律的推導(dǎo)過程和成立條件理解也不深刻.為了加深學(xué)生對知識的理解和提高學(xué)生的探究能力，筆者運(yùn)用“基于探究的物理問題解決”模式進(jìn)行教學(xué)，從新課導(dǎo)入，自主探究，分析交流到歸納應(yīng)用，具體實(shí)施過程如圖2所示.

圖2

2.1 新課導(dǎo)入——提出問題

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

教師首先結(jié)合自制的遠(yuǎn)距離輸電教具，演示并介紹遠(yuǎn)距離輸電過程，提出“遠(yuǎn)距離輸電是如何實(shí)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(dǎo)線A端不斷地與電池底部接觸斷開）并在變壓器處設(shè)疑，提出“1.5V的干電池又是如何實(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和對變壓的關(guān)注.

在學(xué)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(guān)；?、?：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(xué)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(shè)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(xué)生對本節(jié)課學(xué)習(xí)的重視.此外，采用探究式教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)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(shè)、驗(yàn)證假設(shè)

自主探究環(huán)節(jié)，是學(xué)生基于提出的問題以及已有的知識結(jié)構(gòu)，通過教師的有效干預(yù)和實(shí)驗(yàn)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(shè)和驗(yàn)證假設(shè)3個階段，分別對應(yīng)于學(xué)生探究活動中的分析問題，猜想假設(shè)以及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或理論推導(dǎo)過程.

分析發(fā)現(xiàn)要求教師為學(xué)生提供建構(gòu)知識的材料或指導(dǎo)學(xué)生回顧提取習(xí)得的概念規(guī)律，從而幫助學(xué)生確定問題解決的方向.形成假設(shè)是基于猜想制定實(shí)驗(yàn)方案的過程，該過程要求學(xué)生對解決問題的方式或答案提出假設(shè)，并對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，繼而根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和已有的條件，確定解決問題方案.驗(yàn)證假設(shè)則是教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作或理論分析檢驗(yàn)方案的過程，教師在該環(huán)節(jié)要注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)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(xué)生從基本原理出發(fā)，同時還要求學(xué)生提取已習(xí)得的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行檢驗(yàn).若結(jié)果是肯定的，則問題解決，若結(jié)果是否定的，則需要進(jìn)一步改進(jìn)和檢驗(yàn)，因此分析發(fā)現(xiàn)、形成假設(shè)和驗(yàn)證假設(shè)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(dāng)給予學(xué)生啟發(fā)，同時要確定問題解決的方向和方法，即制定實(shí)驗(yàn)方案期間，教師要放手讓學(xué)生探索，因?yàn)檫@個過程可以激活學(xué)生的思維，習(xí)得問題解決的方法.而由于動作技能是人類長期實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果，很難在短時間內(nèi)實(shí)施探究，所以驗(yàn)證假設(shè)過程只需要按照規(guī)范操作方法習(xí)得就好.下面將以“設(shè)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(jìn)行闡述.

方案1：并置線圈，燈泡不發(fā)光.

問題：如何設(shè)計電路，使“13V，25W”的小燈泡發(fā)光？

分析發(fā)現(xiàn)：教師首先結(jié)合板書提出，“如圖4所示，電磁感應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)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(yīng)電動勢.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小可以運(yùn)用求得，用n、n來表示兩12個線圈的匝數(shù).同學(xué)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(guān)系？”

圖4

部分學(xué)生根據(jù)因此選用匝數(shù)比為220∶13的線圈來進(jìn)行方案設(shè)計.

形成假設(shè)：學(xué)生的分析設(shè)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(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生在圖4的基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)設(shè)計方案1，如圖5所示.

圖5

驗(yàn)證假設(shè)：教師根據(jù)學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)方案1選擇器材，連接實(shí)物電路圖并演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)生已有的知識法拉第電磁感應(yīng)定律及互感現(xiàn)象，能夠有效指引學(xué)生尋求問題解決的方案，而結(jié)果與學(xué)生的預(yù)測之間存在的強(qiáng)烈反差，給予學(xué)生思維沖擊.這能夠激起學(xué)生對已知經(jīng)驗(yàn)的不滿，增強(qiáng)學(xué)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(jìn)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(dǎo)學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)失敗的原因及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的策略.學(xué)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(dǎo)過程有缺漏，由于

可得燈泡不發(fā)光.

圖6

形成假設(shè)：找到實(shí)驗(yàn)失敗的原因，那么如何才能提高通過F線圈的磁通量呢？學(xué)生結(jié)合桌面的線圈實(shí)物和磁感線的分布特征，部分學(xué)生會提出把F線圈疊放到E線圈上，因?yàn)榫€圈軸心磁場分布比較密集.

圖7

驗(yàn)證假設(shè)：根據(jù)學(xué)生提出的改進(jìn)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(guān)，演示實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：小燈泡不發(fā)光，但輸出電壓有細(xì)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(xì)微偏轉(zhuǎn)說明學(xué)生提出的改進(jìn)是有效的.教師要鼓勵學(xué)生，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的興趣.該設(shè)計也能為方案3鐵芯的引入奠定基礎(chǔ)，其實(shí)學(xué)生的設(shè)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(shè)計可以分化教學(xué)的難點(diǎn)，后面再對該問題進(jìn)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(jìn)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(shí)增加了，但是磁通量的增大力度明顯不夠，“同學(xué)們回憶初中所學(xué)的知識，桌面上提供的器材當(dāng)中有哪種儀器可以進(jìn)一步增加通過F線圈的磁通量，增強(qiáng)磁性呢？”學(xué)生在教師的啟發(fā)下不難選用直鐵芯.

形成假設(shè)：鐵芯一般是由高導(dǎo)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(qiáng)磁性的作用.學(xué)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(jìn)方案.

圖8

驗(yàn)證假設(shè)：教師再一次演示學(xué)生提出的改進(jìn)方案3，如圖8所示，將直鐵芯插入兩線圈，閉合開關(guān)，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(xué)生的認(rèn)知是一個循序漸進(jìn)的過程，至此，方案3能讓學(xué)生認(rèn)識到鐵芯在變壓器構(gòu)成中不可或缺的作用，同時強(qiáng)化學(xué)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(chǔ).此外，該實(shí)驗(yàn)的失敗能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探究的欲望，促進(jìn)學(xué)生積極主動地參與教學(xué)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(jìn)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(xué)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(shè)：在學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵和解決的方向時，教師可以再次強(qiáng)調(diào)鐵芯的作用“聚集磁場，增強(qiáng)磁性”，同時指引學(xué)生討論選取器材進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生很快可以確定選用直鐵芯和彎曲鐵芯構(gòu)成閉合鐵芯，并形成實(shí)驗(yàn)方案4，如圖10所示.

驗(yàn)證假設(shè)：雖然學(xué)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(xué)生的設(shè)計熱情已經(jīng)得到了充分的激發(fā).為了讓學(xué)生第一次感受設(shè)計探究帶來的成功喜悅，讓學(xué)生獲得物理學(xué)習(xí)的積極體驗(yàn)和情感，加之以上的3個演示實(shí)驗(yàn)，教師已經(jīng)做了足夠的有效示范，學(xué)生對于電路的連接，數(shù)據(jù)的記錄等操作步驟都已相當(dāng)熟悉，所以該驗(yàn)證假設(shè)環(huán)節(jié)完全可以讓學(xué)生以小組為單位自主完成.

圖10

在驗(yàn)證過程中，教師要進(jìn)行巡視，著重從以下幾個方面指導(dǎo)學(xué)生探究：（1）由于輸入電壓為220V，通電前是否要用黑紗布將導(dǎo)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(dāng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果，大部分小組實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(shè)“認(rèn)知沖突”，打破學(xué)生原有的認(rèn)知平衡狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生的思維，同時實(shí)驗(yàn)的設(shè)計也很好地與學(xué)生思維過程同步.這既遵循了認(rèn)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(xué)生反思問題解決的過程并對實(shí)驗(yàn)探究獲取的數(shù)據(jù)或結(jié)論進(jìn)行深入的交流分析.教師通過適時地指導(dǎo)，指引學(xué)生嘗試分析假設(shè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)生對學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)，完善其認(rèn)知結(jié)構(gòu).

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(shí)驗(yàn)結(jié)果E、F線圈兩端的電壓比與匝數(shù)比并沒有嚴(yán)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(xué)生的思考和討論，鼓勵學(xué)生對整個探究的過程進(jìn)行反思.為了幫助學(xué)生確定分析方向，教師可以讓學(xué)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(dǎo)學(xué)生用多用電表測量兩線圈的內(nèi)阻，借助多媒體輔助構(gòu)建某一時刻E、F線圈的電路模型如圖11所示.學(xué)生在教師的啟發(fā)下加以理論推導(dǎo)容易發(fā)現(xiàn)兩線圈的感應(yīng)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(yīng)電動勢總是阻礙電流的變化，所以兩端的電壓U1＝E1＋I(xiàn)1r1，結(jié)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(jié)合E2＝n2，可得

結(jié)合（1）、（2）兩式，可得.

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

2.4 歸納應(yīng)用——建構(gòu)知識

該環(huán)節(jié)是教師基于探究和評估，指引學(xué)生建立概念，形成規(guī)律并加以應(yīng)用的過程.它要求學(xué)生能夠自主總結(jié)歸納，并嘗試將習(xí)得的知識和技能應(yīng)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(gòu)知識.根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)學(xué)生總結(jié)變壓器的機(jī)構(gòu)、原理和變壓規(guī)律.

結(jié)構(gòu)：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(wù)于社會，在建構(gòu)完概念和規(guī)律時，教師應(yīng)該鼓勵引導(dǎo)學(xué)生將習(xí)得的知識應(yīng)用到其他與概念、規(guī)律相聯(lián)系的生活情境中.例如讓學(xué)生討論回答課前留下的問題，遠(yuǎn)距離輸電是如何實(shí)現(xiàn)升壓和降壓？1.5V的直流干電池又是如何實(shí)現(xiàn)升壓的呢？由此鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容.此外，教師可以介紹變壓器在生活中的其他應(yīng)用，讓學(xué)生進(jìn)一步感受學(xué)習(xí)物理的價值.

有關(guān)研究已清楚地表明，單純對事實(shí)性知識進(jìn)行教學(xué)和考察，而把對知識的理解和運(yùn)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(xué)生以解決真實(shí)問題的檢驗(yàn)，即使以學(xué)生的理解和能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)，也不能保證使學(xué)生具備解決真實(shí)問題的能力，所以本環(huán)節(jié)最后對學(xué)生的考察仍舊是要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識分析解決實(shí)際存在的問題，以此完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)及提高學(xué)生問題解決的能力.

總而言之，在“變壓器”的教學(xué)中運(yùn)用“基于探究的物理問題解決”教學(xué)模式，整個探索過程充分重視學(xué)生“學(xué)會使用知識”，以問題為線索，做到了實(shí)驗(yàn)與思維的有機(jī)配合，層層推進(jìn)，一氣呵成.與傳統(tǒng)的教學(xué)相比，該過程使學(xué)生始終處于積極的參與狀態(tài)，學(xué)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(jié)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(xué)模式的應(yīng)用.雖然該教學(xué)模式相對于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)更有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)與探究意識的形成，更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，但在我國的物理教學(xué)中，這種模式的應(yīng)用還不夠普遍.在物理學(xué)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(xué)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(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平以及具體的學(xué)生需要來設(shè)計和實(shí)施“基于探究的物理問題解決”教學(xué)模式，就能優(yōu)化和改進(jìn)教學(xué)效果.

1 蔡鐵權(quán).物理教學(xué)從論［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

2 馬錦蓮.高中數(shù)學(xué)問題解決探究教學(xué)模式的研究和實(shí)驗(yàn)［D］.廣西師范大學(xué)碩士論文，2005.

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