引发认知冲突，建构物理模型

【摘要】物理核心素养是高中物理教学追求的目标，而建构物理模型是物理教学最重要内容之一，也是物理核心素养的重要组成部分。本文以“变压器”教学为例通过“引发学生认知冲突”，来更好地促成学生对物理模型建构过程的“内化”和“升华”，从而提高学生科学思维能力，进一步促进物理核心素养形成。

【关键词】物理模型 认知冲突 变压器教学

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）05-0270-02

一、问题提出

提升学生的核心素养是现阶段课程改革和教学的主要方向，物理作为一门研究物质运动规律的实验科学，在教学实践中如何全面落实核心素养是一个新的重要课题。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等四个部分组成。而物理模型建构是物理核心素养中“科学思维”的重要组成部分，也是历年物理高考的重中之重。

在实际教学中的物理现象和物理规律往往十分复杂，牵涉到方方面面的因素。为了形象、简捷的处理物理问题，我们往往舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，这就叫建构物理模型。

建构物理模型的方式很多，教师可以通过呈现一些场景，直接从物理现象中抽象出模型，比如机械振动中不同形状的“球”和“线”抽象出的单摆模型，描述物体运动时的质点模型等等 也可以通过实验来提取模型，比如通过实际的变压器电压和匝数关系得到理想变压器模型等等。

“构建物理模型”是解决物理问题的关键，教师一般会通过授课和课外活动对学生进行反复训练，学生在教师的引领下从认识到接受、再到运用模型解决问题，但在这个过程中，学生并未真正参与模型的建构过程，教师急于“短、平、快”地给予，并未留给学生足够的时间去自我加工、内化，于是学生往往 “知其然”而不知“其所以然”，盲目套用物理模型。

例如，2011年浙江省高考理综试卷第16题：

如图1所示，在铁芯上、下分别绕有匝数n1=800和n2=200的两个线圈，上线圈两端u=51sin314tV的交流电源相连，将下线圈两端接交流电压表，则交流电压表的读数可能是

A、2.0V B、9.0V C、12.7V D、144.0V

该题学生往往直接将此变压器当成理想变压器，按照电压比与匝数比的关系，选择了B，正确率非常低。

再例如，2015年浙江省普通高中学业水平考试的第5题：

秋日，树叶纷纷落下枝头，其中有一片梧桐叶从高为5m的枝头自静止落至地面，所用时间可能是

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

学生将梧桐叶的下落过程想当然地理解为自由落体运动，根据位移公式，得答案C。

这样的例子举不胜举，而这些错误的背后，是学生对理想模型建构过程缺乏认识，盲目套取公式的结果。为了加深对过程的认识，我们应从教学过程入手，充分运用“引发认知冲突”等教学手段，从根本上解决模型构建时不易“内化”的症结。

二、教学对策

认知冲突理论最早是由美国心理学家费斯汀格提出的。所谓认知冲突，是指学生在认知发展过程中原有认知水平与新认识对象不相符时心理上所产生的对立性矛盾或冲突。一旦诱发这种认知冲突，就会引起学生认知心理的不平衡，激起学生强烈的探究欲望和渴求获取问题解决方法的心理倾向，直到产生解决这种认知冲突的方法，重新达到新的心理平衡。因此，教师可合理利用学生的认知冲突，激起学生激烈的思维振荡和探究兴趣，提升教学有效性。

以物理人教版《选修3-2》的《变压器》教学为例，通过物理实验创设情境，让认知冲突贯穿其中，在“问题情境”——“引发冲突”——“解决冲突”——再次生成“问题情境”的螺旋递进式教学中，引领学生主动参与“理想变压器”物理模型的构建过程。从而加深对相关知识的理解，也有助于学生建模能力的提升。

三、教学过程

出示220V 15W白炽灯和学生电源

师：将这个220V白炽灯接在电源上，灯会亮吗？

生：应该会亮……

实验1：将220V、15w的白炽灯接在学生电源交流档上，调节学生电源输出电压，从2V一直升高到24V，灯丝在超过20V后开始发红，但依然不亮。

学生看到灯丝发红，期待继续变亮，但电压已经达到最大值24V。

【通过实验一，学生从期望灯亮到实际不亮、从灯丝发红到期望更亮的过程，吸引他们对该节内容的关注，激发探究问题的欲望，也为寻求“提升电压”的方法做铺垫。】

师：在不改变电源的前提下，如何使灯更亮？

生：……

实验2：出示一个黑箱（内置两个线圈和一个铁芯组装成一个变压器，再在外面罩上一个小箱子，只露出四根接线）。将交流电源16V档与原线圈100匝相连，副线圈1400匝接白熾灯，结果灯亮。

师：为什么？？

生：……

教师将小箱子拿掉，向学生展示变压器。

【学生对如何在不改变电源的前提条件下，让白炽灯亮起来的方法比较迷茫的时候，通过一个变压器，竟能让电灯点亮，引发了学生的“认知冲突”，驱使他们对原理的进一步思考。】

师：学生电源和白炽灯直接相连吗？

生：应该要相连……

实验3：教师当众拆解变压器，呈现相互独立的两个线圈和一个铁芯，学生发现两个线圈并不相连。

师：电是怎么传过去的？它们之间靠什么联系？

生：当连接电源的线圈通上交流电后，会在其周围形成变化的磁场，使附近的另一个闭合线圈发生电磁感应，产生感应电流。

师：我们用拾电圈验证一下大家的猜想。

实验4：将原线圈套在凹型铁芯的一侧，接上交变电流，用拾电圈放于通电线圈上方，如图2所示，结果小灯泡发光。

师：拾电圈中确实产生了感应电流。那么，铁芯的作用是什么？

实验5：将拾电圈套在铁芯另一端，放置铁芯横杆，形成一个闭合磁路，观察有无铁芯横杆小灯泡的亮度变化 再去掉铁芯，对比灯泡亮度。

师生共同总结：电磁感应使小灯泡通电、发光，而铁芯的作用可以收集磁感线，在铁芯内形成一个闭合的磁路，增强电磁感应的效果。

师：通过电磁感应，这样一个装置能实现改变电压的功能，那么电压的变化跟哪些因素有关呢？

学生：可能跟匝数比有关……

教师出示一个裸露的变压器，展示变压器上很多的抽头，说明通过不同的连接方式可以改变输出电压。

师：我们再通过实验验证一下大家的猜想。

实验6：原线圈接在交流电源上，另一侧铁芯上采用手工绕制的方法，绕上15匝导线，然后接上交流电压表，如图3所示，此时电压表示数为1.0V。

师：为了使电压表示数变为2.0V，右边再绕几匝呢？

生：15匝！

师：示数为3.0V呢？

教师通过实验演示，证实了学生的猜想。并得出结论：电源不变的情况下，输出电压跟绕制匝数成正比。

师：除了實验验证外，大家能不能通过理论分析得出匝数与输出电压的关系？

生：由于铁芯的作用，可以认为原副线圈的磁通量始终相等，磁通量的变化率相等，每一匝的感应电动势相等，得到E1/E2=n1/n2。在忽略导线内阻的情况下，电动势等于电压，得出电压比U1/U2=n1/n2。

师：忽略铁芯的漏磁和发热，不考虑导线的内阻，没有能量损失的变压器称为理想变压器。

【通过上述四个小实验，学生从线圈直接导通到实际不导通，再到通过磁场“导通”，最后让学生思考如何能让磁场“更通”的过程，不断引发学生的认知冲突，通过教师和学生的共同讨论分析，推导出理想变压器的原副线圈电压与匝数的关系。而此时，学生对理想变压器模型的认识可能还是没有深入理解，需要进一步的强化。】

师：交流电源电压为16V，原副线圈匝数比为100：1400，如果将一只白炽灯灯泡接入副线圈，白炽灯两端的电压是多少？

生：白炽灯两端的电压将是16*14=224V，与额定电压接近。

实验7：将变压器接到电源上，测量出空载时的输出电压，约220V。

师：我们将白炽灯接上，再测量一下白炽灯两端的电压。

实验8：用电压表测量副线圈的输出电压，结果只有93V。

师：实际电压只有93V，并不满足成正比的特点，问题可能出在哪里？

生：副线圈相当于电源，白炽灯相当于外电路用电器，副线圈有内阻导致感应电动势不等于路端电压。

师生共同分析得出U1/U2=n1/n2的前提条件是不考虑铁芯的“铁损”和导线的“铜损”，再次强调理想变压器模型建立的条件，加深对模型建构的认识。

【学生在学习变压器知识时，往往只注重规律的运用，而忽视模型的条件，这也是学生学物理的一大通病，通过实验7、8，学生的推算与实验测量两者之间巨大的差异，自然会激起他们极大的认知冲突，迫使他们重新去认识变压器，从而加深对理想变压器条件的理解。】

实验9：出示手摇交流发电机，并使3.8V小灯泡正常发光。

师：能否用这台手摇发电机，使220V的白炽灯正常发光呢？

生：可以通过变压器。

师：请你设计一下这个变压器。

学生通过公式很快计算出匝数比。

实验10：按照学生的设计，请学生上台接好电路并演示，结果不管怎样摇发电机，白炽灯都不会正常发光。

师生分析原因，得出共识：变压器能提升电压，但不能提升能量，依然遵循能量守恒定律。

【通过实验发现，学生依然没能将能量守恒观念内化于变压器的实际情境中，所以，这个“冲突”的设立，既可以进一步强化“变压器”知识落实，“理想变压器”模型构建，也将物理观念等核心素养提升到更高的高度。】

四、教学反思

美国课程专家H.Lynn Erickon提出“以概念为本的课程与教学”，强调“提高学业标准更多的是要求思维能力的提升，而不是掌握更多的事实内容”。所以，《变压器》教学重心不能只在意于观察实验、理论推导和结论应用，更应该关注理想变压器模型建构的教学过程。

本节课通过十个小实验，从元认知中白炽灯的“亮”和现实的“不亮”产生冲突 从提高电压终于发红到只能调到24V而不能更亮的冲突 从“不能改变电源”的前提下不知道如何点亮到通过简单的线圈铁芯组装使灯变亮的冲突 从两个线圈应该会连通而实际不通的冲突再到通过磁场“相通”的事实 从理论推导出电压与匝数比公式到实际测量值的冲突……学生在心理预设和实际结果冲突中驱使自己思考，在思考中完善思维的严密，补足相关条件，提升认识问题的高度，最终得出“理想变压器”模型，而这个过程能加深学生对物理现象的认识，使他们站在更高更广的视野下审视物理问题，感悟物理本质，渗透物理核心素养。

课后，有学生跑上讲台，兴奋地告诉我，这节课像是在“变魔术”，更多的学生课后依然围绕着实验器材互相摆弄，迟迟不肯离去。我相信，通过这样的设计，学生更深刻理解了物理理想模型的建立过程和条件，若再去面对非理想情况下的变压器，定会有更全面、更准确地思考。这样的课堂，既可以点亮电灯，更可以“点亮”思维，使学生在观察中思考，在冲突中完善，在实践中创新。这是真正落实物理核心素养的高效课堂，亮灯也是亮了学生的智慧。

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书·物理（选修3-2）[M].北京：教育科学出版社，2014.5.

[2]吴庆麟，胡谊.教育心理学——献给教师的书[M].上海：华东师范大学出版社，2003.12.

[3]林伯来，曾斌.浅谈高中物理核心素养下科学思维能力的养成——以传送带动力学模型为例.物理通报[J]，2017.8.

[4]叶兰峰，孔琴飞，潘小欧.处理认知冲突，让化学史“说话”——以苏教版“原子核外电子的排布”为例.化学教与学[J]，2016.8.

作者简介：

黄金富，男，汉族，中学一级教师。1980年出生于浙江台州，2003年大学本科毕业，现在浙江省台州市第一中学工作，担任学校两个实验班的物理教学和班主任工作，兼管年级段工作。曾获台州市优课二等奖，省信息技术应用创新大赛二等奖。