引發認知沖突，建構物理模型

【摘要】物理核心素養是高中物理教學追求的目標，而建構物理模型是物理教學最重要內容之一，也是物理核心素養的重要組成部分。本文以“變壓器”教學為例通過“引發學生認知沖突”，來更好地促成學生對物理模型建構過程的“內化”和“升華”，從而提高學生科學思維能力，進一步促進物理核心素養形成。

【關鍵詞】物理模型 認知沖突 變壓器教學

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）05-0270-02

一、問題提出

提升學生的核心素養是現階段課程改革和教學的主要方向，物理作為一門研究物質運動規律的實驗科學，在教學實踐中如何全面落實核心素養是一個新的重要課題。物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等四個部分組成。而物理模型建構是物理核心素養中“科學思維”的重要組成部分，也是歷年物理高考的重中之重。

在實際教學中的物理現象和物理規律往往十分復雜，牽涉到方方面面的因素。為了形象、簡捷的處理物理問題，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特征，這就叫建構物理模型。

建構物理模型的方式很多，教師可以通過呈現一些場景，直接從物理現象中抽象出模型，比如機械振動中不同形狀的“球”和“線”抽象出的單擺模型，描述物體運動時的質點模型等等 也可以通過實驗來提取模型，比如通過實際的變壓器電壓和匝數關系得到理想變壓器模型等等。

“構建物理模型”是解決物理問題的關鍵，教師一般會通過授課和課外活動對學生進行反復訓練，學生在教師的引領下從認識到接受、再到運用模型解決問題，但在這個過程中，學生并未真正參與模型的建構過程，教師急于“短、平、快”地給予，并未留給學生足夠的時間去自我加工、內化，于是學生往往 “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n1=800和n2=200的兩個線圈，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可能是

A、2.0V B、9.0V C、12.7V D、144.0V

該題學生往往直接將此變壓器當成理想變壓器，按照電壓比與匝數比的關系，選擇了B，正確率非常低。

再例如，2015年浙江省普通高中學業水平考試的第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，所用時間可能是

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

學生將梧桐葉的下落過程想當然地理解為自由落體運動，根據位移公式，得答案C。

這樣的例子舉不勝舉，而這些錯誤的背后，是學生對理想模型建構過程缺乏認識，盲目套取公式的結果。為了加深對過程的認識，我們應從教學過程入手，充分運用“引發認知沖突”等教學手段，從根本上解決模型構建時不易“內化”的癥結。

二、教學對策

認知沖突理論最早是由美國心理學家費斯汀格提出的。所謂認知沖突，是指學生在認知發展過程中原有認知水平與新認識對象不相符時心理上所產生的對立性矛盾或沖突。一旦誘發這種認知沖突，就會引起學生認知心理的不平衡，激起學生強烈的探究欲望和渴求獲取問題解決方法的心理傾向，直到產生解決這種認知沖突的方法，重新達到新的心理平衡。因此，教師可合理利用學生的認知沖突，激起學生激烈的思維振蕩和探究興趣，提升教學有效性。

以物理人教版《選修3-2》的《變壓器》教學為例，通過物理實驗創設情境，讓認知沖突貫穿其中，在“問題情境”——“引發沖突”——“解決沖突”——再次生成“問題情境”的螺旋遞進式教學中，引領學生主動參與“理想變壓器”物理模型的構建過程。從而加深對相關知識的理解，也有助于學生建模能力的提升。

三、教學過程

出示220V 15W白熾燈和學生電源

師：將這個220V白熾燈接在電源上，燈會亮嗎？

生：應該會亮……

實驗1：將220V、15w的白熾燈接在學生電源交流檔上，調節學生電源輸出電壓，從2V一直升高到24V，燈絲在超過20V后開始發紅，但依然不亮。

學生看到燈絲發紅，期待繼續變亮，但電壓已經達到最大值24V。

【通過實驗一，學生從期望燈亮到實際不亮、從燈絲發紅到期望更亮的過程，吸引他們對該節內容的關注，激發探究問題的欲望，也為尋求“提升電壓”的方法做鋪墊。】

師：在不改變電源的前提下，如何使燈更亮？

生：……

實驗2：出示一個黑箱（內置兩個線圈和一個鐵芯組裝成一個變壓器，再在外面罩上一個小箱子，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，結果燈亮。

師：為什么？？

生：……

教師將小箱子拿掉，向學生展示變壓器。

【學生對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候，通過一個變壓器，竟能讓電燈點亮，引發了學生的“認知沖突”，驅使他們對原理的進一步思考。】

師：學生電源和白熾燈直接相連嗎？

生：應該要相連……

實驗3：教師當眾拆解變壓器，呈現相互獨立的兩個線圈和一個鐵芯，學生發現兩個線圈并不相連。

師：電是怎么傳過去的？它們之間靠什么聯系？

生：當連接電源的線圈通上交流電后，會在其周圍形成變化的磁場，使附近的另一個閉合線圈發生電磁感應，產生感應電流。

師：我們用拾電圈驗證一下大家的猜想。

實驗4：將原線圈套在凹型鐵芯的一側，接上交變電流，用拾電圈放于通電線圈上方，如圖2所示，結果小燈泡發光。

師：拾電圈中確實產生了感應電流。那么，鐵芯的作用是什么？

實驗5：將拾電圈套在鐵芯另一端，放置鐵芯橫桿，形成一個閉合磁路，觀察有無鐵芯橫桿小燈泡的亮度變化 再去掉鐵芯，對比燈泡亮度。

師生共同總結：電磁感應使小燈泡通電、發光，而鐵芯的作用可以收集磁感線，在鐵芯內形成一個閉合的磁路，增強電磁感應的效果。

師：通過電磁感應，這樣一個裝置能實現改變電壓的功能，那么電壓的變化跟哪些因素有關呢？

學生：可能跟匝數比有關……

教師出示一個裸露的變壓器，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：我們再通過實驗驗證一下大家的猜想。

實驗6：原線圈接在交流電源上，另一側鐵芯上采用手工繞制的方法，繞上15匝導線，然后接上交流電壓表，如圖3所示，此時電壓表示數為1.0V。

師：為了使電壓表示數變為2.0V，右邊再繞幾匝呢？

生：15匝！

師：示數為3.0V呢？

教師通過實驗演示，證實了學生的猜想。并得出結論：電源不變的情況下，輸出電壓跟繞制匝數成正比。

師：除了實驗驗證外，大家能不能通過理論分析得出匝數與輸出電壓的關系？

生：由于鐵芯的作用，可以認為原副線圈的磁通量始終相等，磁通量的變化率相等，每一匝的感應電動勢相等，得到E1/E2=n1/n2。在忽略導線內阻的情況下，電動勢等于電壓，得出電壓比U1/U2=n1/n2。

師：忽略鐵芯的漏磁和發熱，不考慮導線的內阻，沒有能量損失的變壓器稱為理想變壓器。

【通過上述四個小實驗，學生從線圈直接導通到實際不導通，再到通過磁場“導通”，最后讓學生思考如何能讓磁場“更通”的過程，不斷引發學生的認知沖突，通過教師和學生的共同討論分析，推導出理想變壓器的原副線圈電壓與匝數的關系。而此時，學生對理想變壓器模型的認識可能還是沒有深入理解，需要進一步的強化。】

師：交流電源電壓為16V，原副線圈匝數比為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。

實驗7：將變壓器接到電源上，測量出空載時的輸出電壓，約220V。

師：我們將白熾燈接上，再測量一下白熾燈兩端的電壓。

實驗8：用電壓表測量副線圈的輸出電壓，結果只有93V。

師：實際電壓只有93V，并不滿足成正比的特點，問題可能出在哪里？

生：副線圈相當于電源，白熾燈相當于外電路用電器，副線圈有內阻導致感應電動勢不等于路端電壓。

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”和導線的“銅損”，再次強調理想變壓器模型建立的條件，加深對模型建構的認識。

【學生在學習變壓器知識時，往往只注重規律的運用，而忽視模型的條件，這也是學生學物理的一大通病，通過實驗7、8，學生的推算與實驗測量兩者之間巨大的差異，自然會激起他們極大的認知沖突，迫使他們重新去認識變壓器，從而加深對理想變壓器條件的理解。】

實驗9：出示手搖交流發電機，并使3.8V小燈泡正常發光。

師：能否用這臺手搖發電機，使220V的白熾燈正常發光呢？

生：可以通過變壓器。

師：請你設計一下這個變壓器。

學生通過公式很快計算出匝數比。

實驗10：按照學生的設計，請學生上臺接好電路并演示，結果不管怎樣搖發電機，白熾燈都不會正常發光。

師生分析原因，得出共識：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。

【通過實驗發現，學生依然沒能將能量守恒觀念內化于變壓器的實際情境中，所以，這個“沖突”的設立，既可以進一步強化“變壓器”知識落實，“理想變壓器”模型構建，也將物理觀念等核心素養提升到更高的高度。】

四、教學反思

美國課程專家H.Lynn Erickon提出“以概念為本的課程與教學”，強調“提高學業標準更多的是要求思維能力的提升，而不是掌握更多的事實內容”。所以，《變壓器》教學重心不能只在意于觀察實驗、理論推導和結論應用，更應該關注理想變壓器模型建構的教學過程。

本節課通過十個小實驗，從元認知中白熾燈的“亮”和現實的“不亮”產生沖突 從提高電壓終于發紅到只能調到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亮到通過簡單的線圈鐵芯組裝使燈變亮的沖突 從兩個線圈應該會連通而實際不通的沖突再到通過磁場“相通”的事實 從理論推導出電壓與匝數比公式到實際測量值的沖突……學生在心理預設和實際結果沖突中驅使自己思考，在思考中完善思維的嚴密，補足相關條件，提升認識問題的高度，最終得出“理想變壓器”模型，而這個過程能加深學生對物理現象的認識，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，滲透物理核心素養。

課后，有學生跑上講臺，興奮地告訴我，這節課像是在“變魔術”，更多的學生課后依然圍繞著實驗器材互相擺弄，遲遲不肯離去。我相信，通過這樣的設計，學生更深刻理解了物理理想模型的建立過程和條件，若再去面對非理想情況下的變壓器，定會有更全面、更準確地思考。這樣的課堂，既可以點亮電燈，更可以“點亮”思維，使學生在觀察中思考，在沖突中完善，在實踐中創新。這是真正落實物理核心素養的高效課堂，亮燈也是亮了學生的智慧。

參考文獻：

[1]普通高中課程標準實驗教科書·物理（選修3-2）[M].北京：教育科學出版社，2014.5.

[2]吳慶麟，胡誼.教育心理學——獻給教師的書[M].上海：華東師范大學出版社，2003.12.

[3]林伯來，曾斌.淺談高中物理核心素養下科學思維能力的養成——以傳送帶動力學模型為例.物理通報[J]，2017.8.

[4]葉蘭峰，孔琴飛，潘小歐.處理認知沖突，讓化學史“說話”——以蘇教版“原子核外電子的排布”為例.化學教與學[J]，2016.8.

作者簡介：

黃金富，男，漢族，中學一級教師。1980年出生于浙江臺州，2003年大學本科畢業，現在浙江省臺州市第一中學工作，擔任學校兩個實驗班的物理教學和班主任工作，兼管年級段工作。曾獲臺州市優課二等獎，省信息技術應用創新大賽二等獎。