以設(shè)計思維引領(lǐng)的初中物理深度學(xué)習(xí)策略探討

肖永琴

(福州教育研究院,福建 福州 350001)

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)生基于教師預(yù)設(shè)的專業(yè)方案,經(jīng)歷有指導(dǎo)、有挑戰(zhàn)、高投入、高認(rèn)知,并獲得有意義的學(xué)習(xí)過程．[1]深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)基于理解,具有聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動與體驗、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用、價值與評價等特征，其目的指向具體的、社會的人的全面發(fā)展,是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑．[2]

STEAM是Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)、 Arts(藝術(shù))、Maths(數(shù)學(xué))的縮寫．STEAM 教育注重跨學(xué)科知識的綜合運(yùn)用,注重動手實踐，注重過程,是一種建構(gòu)主義教學(xué),希望學(xué)生通過制作的過程,建構(gòu)起關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的知識．STEAM教育的核心特征有: 跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性、技術(shù)增強(qiáng)性．STEAM教育的核心是工程設(shè)計,[3]通過工程設(shè)計將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)教育有機(jī)融合,故需設(shè)計思維的引領(lǐng)．

STEAM學(xué)習(xí)是基于現(xiàn)實問題的探究式教學(xué),其本質(zhì)也是深度學(xué)習(xí),與物理探究學(xué)習(xí)有共性,符合物理課程的基本理念．基于物理核心概念和學(xué)習(xí)進(jìn)階,結(jié)合真實問題情境進(jìn)行整合學(xué)習(xí),實現(xiàn)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的有機(jī)融合,進(jìn)而提出自己的解決問題思路,是結(jié)合STEAM教育的物理深度學(xué)習(xí)．下面以“變阻器”教學(xué)改進(jìn)為例,著重闡述以設(shè)計思維引領(lǐng),實施“玩、學(xué)、悟、用”的深度教學(xué)策略,培養(yǎng)學(xué)生解決問題和創(chuàng)新思維能力,促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．

1 創(chuàng)設(shè)情境,在“玩”中學(xué)

創(chuàng)設(shè)真實而具有一定挑戰(zhàn)性的、像“玩”一樣的問題情境,在“玩”的過程中激活情感和思維的“燃點(diǎn)”,目的是激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)、預(yù)熱知識經(jīng)驗,這是深度教學(xué)的起點(diǎn)．“活動與體驗”是深度學(xué)習(xí)的核心特征,故創(chuàng)設(shè)的情境應(yīng)具有以下特征: (1) 吸引學(xué)生注意,喚起他們的好奇心和內(nèi)在興趣,促進(jìn)激活持續(xù)學(xué)習(xí)的愿望; (2) 具有較明確的指向性,能引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題,指向特定的學(xué)習(xí)目的; (3) 真實而富有挑戰(zhàn)性,使學(xué)生的互動參與成為必要,在積極探索中運(yùn)用高階思維、交流合作、質(zhì)疑甚至批判．激活是所有學(xué)習(xí)活動都必須重視和具備的環(huán)節(jié),我們利用學(xué)生的自主創(chuàng)新實驗,讓他們在“玩”中體驗,并對問題本質(zhì)思考．

如，在“變阻器”課前先布置分小組的家庭作業(yè): (1) 動手試試:用3支鉛筆芯(兩支短的長度相同,另1支更長)、兩節(jié)干電池、幾根導(dǎo)線、小燈泡,你如何改變燈的亮暗?比比看:誰的辦法多、且讓燈亮暗變化的范圍大．(2) 在不改變電源電壓情況下,燈的亮暗發(fā)生變化說明電路中什么物理量發(fā)生變化?這兩個問題既有體驗,又有對問題本質(zhì)的思考．

學(xué)生前一節(jié)學(xué)了電阻的概念,知道電阻對電流有阻礙作用,電阻的大小與導(dǎo)體的材料、長度、橫截面積、溫度有關(guān)．在任務(wù)驅(qū)動下,讓他們用鉛筆芯動手實驗,既貼近生活,又熟悉好玩,要求采用不同的方法改變小燈泡的亮暗,既需要靈活應(yīng)用上節(jié)課的知識,又要考慮盡量增大亮暗變化的范圍,需要一些新的知識(鉛筆芯串聯(lián)或并聯(lián)),這對學(xué)生來說是一個挑戰(zhàn)．同時,引導(dǎo)學(xué)生思考給予明確指向:燈的亮暗變化本質(zhì)是由于電路中的電阻發(fā)生了變化,隱含了問題解決的辦法是要改變電阻的大?。?/p>

2 在“學(xué)”中建立聯(lián)結(jié),深度加工

學(xué)生所學(xué)的知識是有邏輯、有體系、有結(jié)構(gòu)的知識,[2]已有的知識經(jīng)驗極大影響著他們對新知識的解釋和理解,影響著他們的記憶、推理、解決問題和獲取新知的能力.這種影響在課堂深度學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)之一就是“聯(lián)結(jié)”．教學(xué)的關(guān)鍵是引導(dǎo)學(xué)生把握整體知識結(jié)構(gòu),找準(zhǔn)新知識與舊知識、新知識與已有經(jīng)驗之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),進(jìn)行思維的深度加工,內(nèi)化所學(xué)．

2.1 展示分享創(chuàng)意,建立聯(lián)想

課始,針對“如何用鉛筆芯來改變燈的亮暗”問題,學(xué)生用貼在黑板上的磁吸實驗器材展示和分享自己的創(chuàng)意．

方案1:先將兩支鉛筆芯串聯(lián)(有的組用了兩支相同長度的,有的組用了一長一短的組合),燈基本不亮,然后移動鉛筆芯上的夾子,燈變得更亮些,再拆掉一支鉛筆芯,逐漸改變夾子在鉛筆芯的位置,發(fā)現(xiàn)燈越來越亮,這相當(dāng)于改變了電阻的長度．

方案2:改變鉛筆芯的橫截面積.先將兩支鉛筆芯并聯(lián),燈是亮的,然后拆掉一支,發(fā)現(xiàn)燈變得更暗,但變化不是非常明顯．

這兩種方案都在筆者的預(yù)設(shè)中,但一組男生的方案大大出乎意料．

圖1

方案3:他先將一支鉛筆芯折斷一點(diǎn),讓3支長度都不同,然后并在一塊,再用4根帶鱷魚夾導(dǎo)線在鉛筆芯的不同位置形成4個觸頭(如圖1所示),隨意用哪一支單根都可以實現(xiàn)改變長度來改變電阻,要想電阻最大,就把3支串起來,燈最暗;由于3支鉛筆芯是并在一起的,又可以采用并聯(lián)的方法改變電阻,他們居然還試過兩支串再并一支、兩支并再串一支的不同組合方法,故他們改變燈亮暗的方法就有好多種,既可以改變導(dǎo)體的長度,又可改變導(dǎo)體的橫截面積,還可以同時改變二者．不得不佩服學(xué)生們的創(chuàng)意,全班學(xué)生不由地給了他們熱烈的掌聲．

學(xué)生在 “玩”中聯(lián)想到?jīng)Q定電阻大小因素的知識并能靈活應(yīng)用,在比較電阻改變誰的方法多、誰的最為簡單、誰的變化范圍大的過程中,又學(xué)會了分析評價．一方面,學(xué)生在解決問題中已應(yīng)用了串并聯(lián)知識,實現(xiàn)了學(xué)習(xí)進(jìn)階；另一方面,師生間對話和贊賞,讓他們在情感上體驗到一種成功快樂的涌流,成就感劇增．認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究表明,學(xué)生的大腦體驗到一種專注或沉浸其中的高度投入的狀態(tài)和學(xué)習(xí)的快樂經(jīng)歷,大腦就會去追隨這種理解式的學(xué)習(xí),他們就會有更充分的好奇心和探索欲,在后續(xù)的學(xué)校學(xué)習(xí)中,會更容易用內(nèi)在動機(jī)而不是外在動機(jī)來驅(qū)動學(xué)習(xí)．[4]這樣的“玩”成功地吸引了學(xué)生的注意,喚醒了探究的內(nèi)動力,有利于進(jìn)入下一階段的深度學(xué)習(xí)．

2.2 設(shè)計認(rèn)知沖突,深化思維

在玩實驗的基礎(chǔ)上,學(xué)生很快就說用改變導(dǎo)體的長度來改變電阻大小最為簡單且范圍大．此時,筆者拿出一根1m長航模用的碳纖維絲接入電路,移動夾子,讓學(xué)生觀察燈的亮暗變化.他們發(fā)現(xiàn)這么長的碳纖維導(dǎo)體還不如8cm長的鉛筆芯改變燈亮暗的范圍大,與前面得出的結(jié)論產(chǎn)生認(rèn)知沖突．此時再引導(dǎo)聯(lián)想上節(jié)課學(xué)的不同導(dǎo)體材料的電阻表,學(xué)生恍然發(fā)現(xiàn)要想使電阻改變的范圍大些,不僅電阻線的長度要長,還應(yīng)選用電阻率大的材料.這樣引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)會科學(xué)研究的方法,學(xué)會控制實驗的條件．

2.3 以設(shè)計思維引領(lǐng),頭腦風(fēng)暴創(chuàng)想

情境學(xué)習(xí)理論告訴我們，學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是對話．在設(shè)計過程中,以設(shè)計思維引領(lǐng),通過頭腦風(fēng)暴進(jìn)行深度對話,實現(xiàn)思維的深度加工,讓學(xué)習(xí)真實發(fā)生,在不斷生成問題中深度學(xué)習(xí)．

在達(dá)成“選用電阻率大的材料、使電阻線長度更長”的共識后,筆者取出一根很長的鎳鉻合金絲,開始了以問題驅(qū)動的頭腦風(fēng)暴,以用戶體驗感受,邊設(shè)計、邊操作、邊對話,啟發(fā)學(xué)生自己提出解決問題的方法．例如，(1) 導(dǎo)線太長,實驗起來不方便,怎么辦?學(xué)生思考后觀察到桌面器材中有一根塑料圓筒,聯(lián)想到測長度用的密繞法,即將長導(dǎo)線用塑料圓筒繞起來,使之變短,且繞得越緊密,在有限的塑料筒上可繞的導(dǎo)線越長．(2) 繞的過于緊密導(dǎo)致導(dǎo)線將粘在一起,會發(fā)生什么現(xiàn)象?如何解決?學(xué)生聯(lián)想到會短路,必須將導(dǎo)線絕緣,包上絕緣皮等方法．(3) 解決了絕緣問題,移動的夾子要夾在哪呢?引導(dǎo)創(chuàng)想連續(xù)刮去絕緣線圈的同一部分,再固定大夾子．(4) 為了固定元器件,還需增加兩個支架腳．(5) 你想要把它連接入電路,還需要什么?再給它設(shè)計4個接線柱．至此,通過不斷改進(jìn)、完善和優(yōu)化,一個可以改變接入電路的電阻值大小的元件就設(shè)計出來了．

3 在“悟”中把握本質(zhì),建構(gòu)知識

感悟是學(xué)生對所獲得的外部知識、信息的深層次內(nèi)化,是在心動的基礎(chǔ)上,運(yùn)用智慧,通過各種心理活動,在聯(lián)想、內(nèi)化、創(chuàng)造中把握事物的本質(zhì),最終達(dá)到一種自我的覺醒和提高．在教師的引導(dǎo)下,根據(jù)當(dāng)前的學(xué)習(xí)活動去聯(lián)想、調(diào)動、激活以往的知識和經(jīng)驗,以融會貫通的方式對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行組織,從而建構(gòu)出自己的知識結(jié)構(gòu)．

3.1 學(xué)會定義概念,深度理解內(nèi)涵

隨著滑動變阻器設(shè)計和制作的完成,學(xué)生既明白了改變電阻大小的本質(zhì)——逐漸改變連入電路的電阻線的長度,也悟出滑動變阻器的原理．此階段要讓學(xué)生把自己“悟”到的東西表達(dá)出來,學(xué)會自己定義概念,并深度理解其內(nèi)涵．至此,什么是變阻器?什么是滑動變阻器已水到渠成,對照滑動變阻器的實物學(xué)生自己就可以畫出其結(jié)構(gòu)示意圖,啟發(fā)聯(lián)結(jié)電阻的符號,就可以畫出變阻器的符號,知識由此建構(gòu)形成了．

3.2 以測試為途徑,在動態(tài)中體驗

制作的滑動變阻器能否起到變阻作用需要實驗測試．這其實是滑動變阻器如何正確使用的問題,但通過工程測試的方式呈現(xiàn),將此時的探究學(xué)習(xí)變成了一個“信息輸入、加工內(nèi)化、輸出分享”的綜合體驗．

圖2

滑動變阻器有4個接線柱,電路連接只需接入兩個,怎么接才能起變阻作用?教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)的排列組合,思考有幾種可能的連接方法．在與數(shù)學(xué)知識建立關(guān)聯(lián)后,學(xué)生自己設(shè)計出3個系列測試連接: (1)A與C、A與D、A與B; (2)B與C、B與D; (3)C與D．然后根據(jù)實驗電路(如圖2所示)分別進(jìn)行實驗．通過交流分享,對實驗現(xiàn)象分析比較,找出等效的情況,歸納得出有效變阻的連接方法是“一上一下”．

3.3 評價性能的優(yōu)劣,在感悟中創(chuàng)新

教師再根據(jù)電流的走向分析讓學(xué)生進(jìn)一步明確滑動變阻器的使用及注意事項．在評價其優(yōu)缺點(diǎn)時,發(fā)現(xiàn)滑動變阻器可以連續(xù)改變連入電路的電阻,但不能讀出電阻值,由此又提出需要改進(jìn)的新問題:滑動變阻器不能讀出阻值大小,如何改進(jìn)?在改進(jìn)的過程中,引出了電阻箱的學(xué)習(xí)．這樣,學(xué)生在不斷感悟中學(xué)會創(chuàng)新．

4 在“用”中實現(xiàn)學(xué)生變化和學(xué)習(xí)增值

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)遷移和應(yīng)用,要求學(xué)生能把知識應(yīng)用到新情境中,更強(qiáng)調(diào)遷移與應(yīng)用的教育價值．“遷移”所解決的是間接經(jīng)驗直接化的問題,“應(yīng)用”則是“遷移”的表征之一,也是檢驗學(xué)習(xí)結(jié)果的最佳途徑．一方面,是認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的擴(kuò)充與完善;另一方面是把新學(xué)習(xí)的知識“應(yīng)用”到類似的新情境中,通過情境讓學(xué)生內(nèi)化的知識外顯化和操作化,并促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為綜合實踐能力．

圖3

在課的最后階段,筆者引導(dǎo)學(xué)生將知識與生活鏈接,以生活中的變阻器(電位器)和實際可變電阻(自動測定油箱內(nèi)油面高度的裝置,如圖3所示)分析為例,讓學(xué)生學(xué)會面臨新情境解決問題的方法:(1) 判斷,對新情境進(jìn)行分析和判斷,把握情境中問題的本質(zhì); (2) 提取,將情境中需要解決的問題與已有的知識經(jīng)驗進(jìn)行關(guān)聯(lián),準(zhǔn)確“提取”相關(guān)知識; (3) 運(yùn)用,分析思考相應(yīng)情境和應(yīng)用條件,通過所提取的知識解決情境中的問題; (4) 總結(jié),對情境的類型及應(yīng)用的條件進(jìn)行總結(jié),并再次納入已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中．在對知識的遷移與應(yīng)用過程中,學(xué)生的探究能力、實踐能力、創(chuàng)造能力得以提升．

5 反思評價,嵌入學(xué)習(xí)的全過程

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化、情境中的策略靈活性,這些都需要大量情境中問題解決式的實踐．[4]在實踐過程中難免遇到問題和困難,教師要有同理心,容忍失敗,站在學(xué)生的角度,看他是怎么思考的,引導(dǎo)學(xué)生將反思評價嵌入到學(xué)習(xí)的全程,學(xué)會對所學(xué)知識及其過程進(jìn)行評估,正確地對人、事和活動進(jìn)行評判,關(guān)注其理性精神與價值觀的形成．在引導(dǎo)以設(shè)計思維進(jìn)行思考時,鼓勵學(xué)生發(fā)揮想象力,考慮用戶體驗,一步步引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)和完善設(shè)計,培養(yǎng)創(chuàng)新能力,發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)．