“基于探究的物理问题解决”教学模式在物理教学中的应用——以“变压器”教学为例

陆泽璇 张军朋 林乐鑫

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

在传统的讲授教学中，变压器等物理器件作为主干知识的应用主要是由教师讲解.教师首先介绍器件的结构，继而介绍其工作原理，然后通过相关练习进行巩固.学生通过倾听快速地了解器件的原理并加以应用.该过程涉及到的演示实验大多是教师直接呈现，学生在观察中得出结论，学生对器件本身为何如此设计没有任何的质疑.这种教学模式淡化了器件装置中所蕴含的物理思维、物理方法，也不利于培养学生的能力和探究意识.为了充分展示物理器件的教学功能，本文基于加涅于1970年提出的问题解决4阶段说，即提出问题，分析问题，形成假设和验证假设，结合探究一般过程，我们尝试定义了“基于探究的物理问题解决”教学模式，指学生在一定的物理问题情境及教师的引导下，对问题进行物理思维，开展物理探究活动，达到掌握物理知识和思想方法，增强物理问题解决能力，形成探究创新人格特点为目的的教学方式.其中，由于问题解决过程中可能出现的变动，当面临艰巨的任务和出现新概念的情况下，问题解决者常常会“回头思考”，因此4阶段说应该是可以多次循环，在问题情境中迂回.具体的教学模式的程序如图1所示.

图1

下面以高中物理“变压器”一节的教学为例，阐述“基于探究的物理问题解决”教学模式在物理教学中的应用.

2 “基于探究的物理问题解决”教学模式在物理教学中的应用

在人教版选修3-2物理“变压器”的教学内容中，教材首先介绍变压器的结构，然后通过实验探究变压器的变压规律.虽然这样的设计能够让学生明确变压器是由一个闭合铁芯和两个线圈组成，但是对其中构造的缘由却不甚了解，学生对闭合铁芯的导磁作用以及理想变压器变压规律的推导过程和成立条件理解也不深刻.为了加深学生对知识的理解和提高学生的探究能力，笔者运用“基于探究的物理问题解决”模式进行教学，从新课导入，自主探究，分析交流到归纳应用，具体实施过程如图2所示.

图2

2.1 新课导入——提出问题

新课导入，提出问题是整个教学过程的起始环节.问题的提出一般是从教师预先设定具体的教学情境或现实存在的客观问题出发，通过提问的方式引起学生的思考和探知的欲望.该环节的目的就在于让学生明确学习的主题、探究的问题、激发学生学习的兴趣，促进学生积极主动地参与教学活动.

教师首先结合自制的远距离输电教具，演示并介绍远距离输电过程，提出“远距离输电是如何实现升压和降压？”；继而演示1节“干电池的变压”（如图3，用导线A端不断地与电池底部接触断开）并在变压器处设疑，提出“1.5V的干电池又是如何实现升压，供额定电压为13V的灯泡正常发光的呢？”，通过这两个演示可以引起学生学习的兴趣和对变压的关注.

在学生疑惑之时，教师出示一枚“13V，25W”的小灯泡，并说明现场只有220V的交流电源等以下几种器材：① 调压变压器（220V）；② 直铁芯；③ 弯曲铁芯；④ 小灯泡（13V，25W）；⑤、⑥：线圈（匝数比约为220∶13）；⑦、⑧：线圈（匝数比约为6∶1）；⑨、⑩：开关；⑪、⑫：电压表（量程分别为0～30V，0～300V）；⑬、⑭：电流表（量程分别为0～500mA，0～3A）.要求学生之间讨论如何利用现有器材让小灯泡接近正常发光？从而提出本节课的探究的问题：“设法让“13V，25W”的小灯泡接近正常发光”.

该引入首先介绍的是生产生活需要，能够引起学生对本节课学习的重视.此外，采用探究式教学模式，提出本节课有待解决的问题“如何使13V，25W的小灯泡接近正常发光”，能有效调动学生学习的热情和探究的欲望.

图3

2.2 自主探究——分析发现、形成假设、验证假设

自主探究环节，是学生基于提出的问题以及已有的知识结构，通过教师的有效干预和实验探索，解决问题的过程.该过程具体可分为分析发现，形成假设和验证假设3个阶段，分别对应于学生探究活动中的分析问题，猜想假设以及实验检验或理论推导过程.

分析发现要求教师为学生提供建构知识的材料或指导学生回顾提取习得的概念规律，从而帮助学生确定问题解决的方向.形成假设是基于猜想制定实验方案的过程，该过程要求学生对解决问题的方式或答案提出假设，并对实验的结果进行预测，继而根据实验的目的和已有的条件，确定解决问题方案.验证假设则是教师引导学生通过实验操作或理论分析检验方案的过程，教师在该环节要注重培养学生严谨求真的科学态度以及安全操作等意识.

由于问题的解决往往不是一蹴而就，问题解决方案的最终确定不仅要求学生从基本原理出发，同时还要求学生提取已习得的实验原理和方法进行检验.若结果是肯定的，则问题解决，若结果是否定的，则需要进一步改进和检验，因此分析发现、形成假设和验证假设这3个阶段是可循环的.其中分析发现阶段，教师要适当给予学生启发，同时要确定问题解决的方向和方法，即制定实验方案期间，教师要放手让学生探索，因为这个过程可以激活学生的思维，习得问题解决的方法.而由于动作技能是人类长期实验操作经验积累的结果，很难在短时间内实施探究，所以验证假设过程只需要按照规范操作方法习得就好.下面将以“设法让13V，25W”的小灯泡接近正常发光”这个探究课题具体的解决过程和期间逐步改善的4个方案为例进行阐述.

方案1：并置线圈，灯泡不发光.

问题：如何设计电路，使“13V，25W”的小灯泡发光？

分析发现：教师首先结合板书提出，“如图4所示，电磁感应现象实验中，给一个线圈输入交变电压U1时，线圈中的电流会发生变化，通电线圈的磁通量会发生变化.若在该线圈的附近放置另一线圈，则通过该线圈的磁通量也会发生变化，继而产生感应电动势.根据法拉第电磁感应定律，产生的感应电动势的大小可以运用求得，用n、n来表示两12个线圈的匝数.同学们想一下，两个线圈两端的电压比和线圈的匝数比可能存在什么关系？”

图4

部分学生根据因此选用匝数比为220∶13的线圈来进行方案设计.

形成假设：学生的分析设计并没有意识到两个线圈通过的磁通量不等，教师不要急于说明，反之将错就错，进一步引导学生在图4的基础上给两线圈分别并联上电压表和串联上电流表，以便观察，形成实验设计方案1，如图5所示.

图5

验证假设：教师根据学生提出的实验方案1选择器材，连接实物电路图并演示实验，引导学生观察灯泡发光情况并记录电压表和电流表的示数.

实验结果：小灯泡不发光，输出电压几乎为0V，具体数据如表1所示.

表1

方案1中分析发现充分利用学生已有的知识法拉第电磁感应定律及互感现象，能够有效指引学生寻求问题解决的方案，而结果与学生的预测之间存在的强烈反差，给予学生思维冲击.这能够激起学生对已知经验的不满，增强学生探究的欲望.

方案2：重叠线圈，灯泡几乎不发光.

问题：如何改进方案1，使小灯泡发光？

分析发现：针对方案1的失败，教师可以借助多媒体图片6展示E线圈产生的磁场分布，引导学生讨论实验失败的原因及实验改进的策略.学生在教师的启发下会发现E线圈产生的磁通量很多没有穿过F线圈，讨论后会发现方案1中的分析推导过程有缺漏，由于

可得灯泡不发光.

图6

形成假设：找到实验失败的原因，那么如何才能提高通过F线圈的磁通量呢？学生结合桌面的线圈实物和磁感线的分布特征，部分学生会提出把F线圈叠放到E线圈上，因为线圈轴心磁场分布比较密集.

图7

验证假设：根据学生提出的改进方案，如图7所示，教师将F线圈叠放到E线圈上方，闭合开关，演示实验.

实验结果：小灯泡不发光，但输出电压有细微偏转，输出电流指针偏转明显，具体数据如表2.

表2

方案2虽然仍旧无法让灯泡发光，但是电压表和电流表的细微偏转说明学生提出的改进是有效的.教师要鼓励学生，激发学生继续探究的兴趣.该设计也能为方案3铁芯的引入奠定基础，其实学生的设计并没有考虑线圈内阻存在的电压降，教师不要急于揭示，这样的设计可以分化教学的难点，后面再对该问题进行全面深入分析.

方案3：插入直铁芯，灯泡发光.

问题：如何改进方案2，使小灯泡发光亮度变大？

分析发现：方案2中灯泡虽然没有发光，但电压表和电流表有不同程度的偏转，说明通过F线圈的磁通量确实增加了，但是磁通量的增大力度明显不够，“同学们回忆初中所学的知识，桌面上提供的器材当中有哪种仪器可以进一步增加通过F线圈的磁通量，增强磁性呢？”学生在教师的启发下不难选用直铁芯.

形成假设：铁芯一般是由高导磁材料制作，相比空气，其磁阻小，正如电流总是尽可能从电阻比较小的支路通过，磁通也总是从磁阻比较小的地方通过，即铁芯具有聚集磁场，增强磁性的作用.学生了解铁芯的功能，基本都能够提出在叠放的两线圈中插入1根直铁芯的改进方案.

图8

验证假设：教师再一次演示学生提出的改进方案3，如图8所示，将直铁芯插入两线圈，闭合开关，可以发现小灯泡发光，输出电压为6.0V.具体数据如表3所示.

表3

学生的认知是一个循序渐进的过程，至此，方案3能让学生认识到铁芯在变压器构成中不可或缺的作用，同时强化学生对铁芯聚集磁场功能的理解，为闭合铁芯的引入奠定基础.此外，该实验的失败能进一步激发学生探究的欲望，促进学生积极主动地参与教学过程.

方案4：穿插闭合铁芯，灯泡接近正常发光.

问题：如何改进方案3，使小灯泡接近正常发光？

分析发现：虽然方案3中的灯泡发光了，但是输出电压仅有6V，与额定电压13V存在接近一半的差距，而探究的课题是让小灯泡接近正常发光，即问题还是没有解决，教师可以借助多媒体图片（图9）展示插入铁芯后E、F线圈的磁感线分布情况，学生不难发现由于磁感线是闭合且弯

曲的，所以还是有部分磁感线遗漏在空气中，没有通过线圈F，由于

图9

形成假设：在学生发现问题的关键和解决的方向时，教师可以再次强调铁芯的作用“聚集磁场，增强磁性”，同时指引学生讨论选取器材进一步改善实验方案.学生很快可以确定选用直铁芯和弯曲铁芯构成闭合铁芯，并形成实验方案4，如图10所示.

验证假设：虽然学生有参与整个探索过程，但前3个方案均是教师演示，此时学生的设计热情已经得到了充分的激发.为了让学生第一次感受设计探究带来的成功喜悦，让学生获得物理学习的积极体验和情感，加之以上的3个演示实验，教师已经做了足够的有效示范，学生对于电路的连接，数据的记录等操作步骤都已相当熟悉，所以该验证假设环节完全可以让学生以小组为单位自主完成.

图10

在验证过程中，教师要进行巡视，着重从以下几个方面指导学生探究：（1）由于输入电压为220V，通电前是否要用黑纱布将导线的接触端口包住，确保安全；（2）交流电压表和电流表的量程选择是否正确；（3）断开电源时，操作是否得当，要做到防止断电自感；（4）数据的记录是否全面，有效位数的选择是否正确；（5）组内分工是否明确等.

收集数据后，教师可以用投影仪展示部分小组的实验结果，大部分小组实验的结果是小灯泡接近正常发光，输出电压约为12V左右，其中1组具体数据如表4所示.

表4

经过以上的探究，问题已经初步解决，可以看到，在这个过程中，教师不断地创设“认知冲突”，打破学生原有的认知平衡状态，激发学生的思维，同时实验的设计也很好地与学生思维过程同步.这既遵循了认知发展规律，又具有浓烈的物理思想.

2.3 交流分析——反思评价

该环节要求学生反思问题解决的过程并对实验探究获取的数据或结论进行深入的交流分析.教师通过适时地指导，指引学生尝试分析假设与实验结果间存在的差异，注意探究活动中未解决的矛盾.其目的是让学生对学习的主题知识和过程技能有更深刻的理解，将解决的矛盾纳入知识结构，完善其认知结构.

经过自主探究，灯泡接近正常发光，但是几乎所有小组的实验结果E、F线圈两端的电压比与匝数比并没有严格相等，“这是测量误差吗？”教师可以用提问的方式再次引发学生的思考和讨论，鼓励学生对整个探究的过程进行反思.为了帮助学生确定分析方向，教师可以让学生用手靠近刚刚工作完毕的线圈，感受线圈散发的热量，继而引导学生用多用电表测量两线圈的内阻，借助多媒体辅助构建某一时刻E、F线圈的电路模型如图11所示.学生在教师的启发下加以理论推导容易发现两线圈的感应电动势E1、E2和U1、U2并不相等.

图11

在E线圈中，根据楞次定律，产生的感应电动势总是阻碍电流的变化，所以两端的电压U1＝E1＋I1r1，结合E1＝n1，可得

F线圈中，根据闭合回路的欧姆定律，某时刻两端的电压U2＝E2-I2r2，结合E2＝n2，可得

结合（1）、（2）两式，可得.

该分析过程教师充分利用了口头，学生触觉，多媒体等方式，以及学生已有的电路知识，促进学生对变压的真正理解.同时也为理想变压器条件的学习奠定了基础，学生由此建立的表象相对于电压比与匝数比的关系表象更为完整全面.

2.4 归纳应用——建构知识

该环节是教师基于探究和评估，指引学生建立概念，形成规律并加以应用的过程.它要求学生能够自主总结归纳，并尝试将习得的知识和技能应用解释课前留下的问题或其他问题情境中.

探究的目的之一就是建构知识.根据以上的实验，问题已经解决，而随着问题的解决，教师便可以自然地引导学生总结变压器的机构、原理和变压规律.

结构：原、副线圈和闭合铁芯；工作原理：互感现象；变压规律，成立条件是不漏磁，无铜损.

物理来源于生活又服务于社会，在建构完概念和规律时，教师应该鼓励引导学生将习得的知识应用到其他与概念、规律相联系的生活情境中.例如让学生讨论回答课前留下的问题，远距离输电是如何实现升压和降压？1.5V的直流干电池又是如何实现升压的呢？由此巩固学习内容.此外，教师可以介绍变压器在生活中的其他应用，让学生进一步感受学习物理的价值.

有关研究已清楚地表明，单纯对事实性知识进行教学和考察，而把对知识的理解和运用寄望于后续的发展，这种做法是行不通的.如果不给学生以解决真实问题的检验，即使以学生的理解和能力培养为目标的教学，也不能保证使学生具备解决真实问题的能力，所以本环节最后对学生的考察仍旧是要求学生应用所学知识分析解决实际存在的问题，以此完善学生的知识结构及提高学生问题解决的能力.

总而言之，在“变压器”的教学中运用“基于探究的物理问题解决”教学模式，整个探索过程充分重视学生“学会使用知识”，以问题为线索，做到了实验与思维的有机配合，层层推进，一气呵成.与传统的教学相比，该过程使学生始终处于积极的参与状态，学生研究问题和解决问题的策略性知识得到更好的发展.

3 结束语

以上我们以高中物理“变压器”一节为例，阐述了“基于探究的物理问题解决”教学模式的应用.虽然该教学模式相对于传统的讲授式教学更有利于学生能力的培养与探究意识的形成，更符合学生的认知特点，但在我国的物理教学中，这种模式的应用还不够普遍.在物理学中有许多器件，例如“回旋加速器”“多用电表”等器件的发明、完善过程都浓缩了科学工作者的智慧，这些主题都适合用“基于探究的物理问题解决”模式.只要教师根据所教的主题，学生的认知发展水平以及具体的学生需要来设计和实施“基于探究的物理问题解决”教学模式，就能优化和改进教学效果.

1 蔡铁权.物理教学从论［M］.北京：科学出版社，2005.

2 马锦莲.高中数学问题解决探究教学模式的研究和实验［D］.广西师范大学硕士论文，2005.

3 吴伟，吴成娟，杨清华.国外物理探究教学案例及其启示：以WISE为例［J］.物理教师，2010（11）：44-46.