知識整合取向設(shè)計在初中物理“6E”教學(xué)模式探索環(huán)節(jié)的嘗試

林自強

摘? ?要：針對初中物理STEAM教學(xué)“6E”教學(xué)模式探索環(huán)節(jié)，提出知識整合取向教學(xué)設(shè)計的理論依據(jù)，歸納一教學(xué)流程。介紹了該流程在初中物理“6E”教學(xué)模式中的實踐。同時從學(xué)生科學(xué)思維形成等角度介紹了教學(xué)感悟。

關(guān)鍵詞：STEAM教學(xué);“6E”教學(xué)模式;知識整合

知識整合（KI）取向的教學(xué)模式在國外物理課堂方興未艾。筆者嘗試將這種觀念引入初中物理STEAM教學(xué)“6E”模式中，結(jié)合本人實驗教學(xué)的長項，取得一些實證研究成果。本文將淺議KI取向在初中物理“6E” 教學(xué)模式探索環(huán)節(jié)應(yīng)用的理論依據(jù)、教學(xué)實踐以及教學(xué)感悟。

1? 理論依據(jù)

關(guān)于STEAM教學(xué)，美國教育學(xué)家提出“6E”教學(xué)模式。其基本環(huán)節(jié)分別為引入（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、設(shè)計（Engineer）、拓展（Enrich）和評價（Evaluate）[ 1 ]。其中探索（Explore）環(huán)節(jié)在初中物理教學(xué)中要注重發(fā)揮學(xué)生實驗對物理概念形成的作用。知識整合（KI）取向的一般模式包含四個過程：析出觀念、添加觀念、辨分觀念和反思觀念[ 2 ]。該取向強調(diào)尊重學(xué)生觀念以及據(jù)此而進行的推理過程，鼓勵學(xué)生開闊視野，讓學(xué)生把相似的觀念提煉成一個更為一致性的觀點，并在更大的范圍中檢驗他們[ 2 ]。筆者強調(diào)用知識整合（KI）取向的教學(xué)設(shè)計來完成探索（Explore）環(huán)節(jié)，總結(jié)出以下教學(xué)流程和對應(yīng)設(shè)計意圖。第一，學(xué)生實驗，為添加新觀念做物化準備。第二，讓學(xué)生對實驗結(jié)果預(yù)測說理，要求用語言或圖形來表達，目的是析出舊觀念。第三，小組評議方案，迅速總結(jié)形成實驗評價標準。第四，教師設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生實驗添加新觀念。關(guān)鍵環(huán)節(jié)要能形成鮮明的對比，提供反饋支持規(guī)范的形成，使概念或規(guī)律得以表達。第五，引導(dǎo)學(xué)生反思結(jié)果是否支持預(yù)測，辨分觀念，選擇最佳科學(xué)觀念。第六，應(yīng)用，檢驗一致性觀點。筆者借“自制電磁起重機”案例介紹KI取向的教學(xué)設(shè)計在初中物理STEAM教學(xué)探索環(huán)節(jié)的實踐成果。

2? “自制電磁起重機”教學(xué)設(shè)計

2.1? 引入（Engage）

教師運用多媒體演示神奇“大力士”——電磁起重機工作視頻，引入課題“自制起重機”。

設(shè)計意圖：生活實例創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生興趣。通過對比分析養(yǎng)成觀察、推理能力。

2.2? 探索（Explore）

2.2.1? 設(shè)計

教師演示奧斯特實驗，引導(dǎo)學(xué)生思考提高通電導(dǎo)體周圍磁場強度的方法，引入通電螺線管并提問“通電螺線管周圍磁場磁極由哪些因素決定？”引發(fā)學(xué)生運用類比推理進行猜想。引導(dǎo)學(xué)生圍繞實驗?zāi)康倪x擇器材、運用控制變量法設(shè)計電路。

2.2.2? 學(xué)生實驗

學(xué)生分組實驗親歷前三個電路圖的探究過程（如圖1）。引導(dǎo)學(xué)生匯報實驗結(jié)果，分析總結(jié)。

師：對比實驗1與實驗2，可以得到什么結(jié)論？

生：結(jié)論2通電螺線管周圍磁場磁極極性與電流方向有關(guān)。

師：對比實驗1與實驗3，可以得到什么結(jié)論？

生：結(jié)論3通電螺線管周圍磁場磁極極性還與導(dǎo)線環(huán)繞方式有關(guān)。

2.2.3? 預(yù)測說理（析出舊觀念）

引導(dǎo)學(xué)生在做實驗4之前運用舊觀念預(yù)測結(jié)果并說理。

師：實驗1和實驗4電路有哪些不同？你預(yù)測實驗4中磁極極性分布情況？

生：電流方向不同、導(dǎo)線環(huán)繞方式也不同。實驗4可能與實驗1相同。

師：你的依據(jù)是什么？能不能上講臺來畫圖說明下。

學(xué)生代表上臺展示。根據(jù)結(jié)論2，實驗4中磁極極性與實驗3中相反后成為左N右S?；蛘吒鶕?jù)結(jié)論3，實驗4中磁極極性與實驗2中相反后成為左N右S。

2.2.4? 小組評判

要求小組派代表談?wù)剬嶒炦^程新發(fā)現(xiàn)，形成實驗方案的一致性觀點。例如：①小磁針在螺線管兩端沿軸線方向現(xiàn)象明顯，與軸線偏離一個角度，N極指向也會有一定偏離;②不通電，小磁針靜止時N極也有固定指向（地磁場）。如果螺線管軸線擺成南北走向，不利于辨分結(jié)果，可改成東西走向;③電路中電流越大，小磁針擺動越劇烈，可能磁性得到了增強，大電流可增強實驗效果;④電路中電流太大，滑動變阻器線圈有明顯升溫現(xiàn)象，要關(guān)注安全用電;……教師把這些觀點羅列進一張大表格，形成下一步實驗的評價標準。

2.2.5? 添加新觀念

學(xué)生分組實驗探究第四個電路圖，驗證猜想。教師引導(dǎo)學(xué)生等效找等量，形成新觀念。

師：實驗4的結(jié)果與預(yù)測一致嗎？說明了什么？

生：一致。說明通電螺線管周圍磁場磁極極性與電流方向有關(guān)，與導(dǎo)線環(huán)繞方式也有關(guān)！

師：對比四次實驗結(jié)果，實驗4和實驗1結(jié)果相同。這說明在實驗4和1中存在著一個相同的量，這個量與電流方向和導(dǎo)線環(huán)繞方式都有關(guān)。這個量可以代替這兩因素共同作用，決定通電螺線管周圍磁場磁極極性。大家想想，電流在什么上繞行？在任務(wù)單上描出實驗1、4導(dǎo)線中電流的環(huán)繞方向，看看有什么發(fā)現(xiàn)？

生：實驗1、4導(dǎo)線中電流的環(huán)繞方向相同！

2.2.6? 反思、選擇最佳科學(xué)觀念

要求學(xué)生描出實驗2、3導(dǎo)線中電流的環(huán)繞方向，并通過對比驗證猜想。明確電流環(huán)繞方向才是通電螺線管周圍磁場磁極極性的決定因素;加強辨分觀念電流環(huán)繞方向由導(dǎo)線環(huán)繞方式和電源極性共同決定。通過Flash動畫演示右手螺旋定則判斷過程，完成規(guī)律建立。

2.2.7? 應(yīng)用

當堂反饋引導(dǎo)學(xué)生歸納解題思路，提出新問“如何增強通電螺線管周圍磁場磁極磁性？”

設(shè)計意圖： KI取向設(shè)計探索環(huán)節(jié)，析出、添加、辨分、反思觀念后建構(gòu)規(guī)律，為后續(xù)改進活動提供事實和理論依據(jù)，體現(xiàn)Science（科學(xué)）思想。

2.3? 解釋（Explain）

教師介紹安培分子電流假說，幫助學(xué)生建構(gòu)磁化模型。從增加兩端有序排列分子電流數(shù)目的角度，引導(dǎo)學(xué)生明確增強磁性方案——把鐵芯放入通電螺線管中空部分。

設(shè)計意圖：通過建模啟發(fā)學(xué)生改進思路，使后續(xù)設(shè)計活動明確化、具體化，體現(xiàn)Science（科學(xué)）思想和Engineering（工程設(shè)計）思想。

2.4? 設(shè)計（Engineer）

教師提供電池盒、電池、導(dǎo)線、開關(guān)、多匝線圈、滑動變阻器、鐵釘、鐵棒、大頭針等器材，要求學(xué)生運用通電螺線管磁場特點和磁化現(xiàn)象，自選器材設(shè)計并自制一個電磁起重機來吸引大頭針。各小組比一比誰的自制起重機能吸引起較多的大頭針！

設(shè)計意圖：遷移實驗方法，改造探究電路來自制起重機，體現(xiàn)Engineering（工程設(shè)計）思想。

2.5? 拓展（Enrich）

各小組展示自制電磁起重機工作過程，全班對比觀察，改進自制電磁起重機。

師：如果你是工程師，會設(shè)計什么形狀的鐵芯呢？要用電磁起重機吊起鐵制品，鐵芯、線圈要和重物一起被舉高。為了提高效率、增加穩(wěn)度，鐵芯適合做得太高嗎？可以怎么改？

生：鐵芯橫截面要大、充滿螺線管內(nèi)部;可以降低重心，把鐵芯“變矮變胖”;可以把鐵芯拗成U形……

師：看看生活中電磁起重機常用的電磁吸盤，和大家的設(shè)計一樣嗎？科學(xué)有效的作品往往也很優(yōu)美！

設(shè)計意圖：結(jié)合數(shù)學(xué)幾何知識、物體重心與穩(wěn)度知識，完善設(shè)計實現(xiàn)從科學(xué)探究走向工程技術(shù)應(yīng)用、從物理走向社會，體現(xiàn)Mathematics（數(shù)學(xué)）和Technology（技術(shù)）的思想。

2.6? 評價（Evaluate）

教師評價學(xué)生在各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)與學(xué)習(xí)成果。既要重視各環(huán)節(jié)學(xué)科知識與技能落實程度，也要滲透工程設(shè)計對科學(xué)、美學(xué)的追求。

設(shè)計意圖：關(guān)注學(xué)生對控制變量法、轉(zhuǎn)換法等物理學(xué)研究方法內(nèi)化程度。鼓勵學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計、滲透美學(xué)教育，體現(xiàn)Art（藝術(shù)）的思想。

3? 教學(xué)感悟

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)[ 3 ]?；赟TEAM教學(xué)的“6E”模式能夠增強人的創(chuàng)造性，跨學(xué)科培養(yǎng)人的素養(yǎng)。KI取向設(shè)計探索環(huán)節(jié)，善于運用學(xué)生在各階段對現(xiàn)象的解釋而形成的觀念庫。把猜測的理據(jù)可視化表達出來，使得后續(xù)的對比更為鮮明，也提供了添加新觀念的物化基礎(chǔ)。堅持KI取向設(shè)計探索環(huán)節(jié)，會使學(xué)生思維發(fā)生幾種變化：其一，重視假設(shè)在科學(xué)探究中的作用;其二，堅持通過實驗或觀察產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為事實概念化的依據(jù);其三，重視實驗細節(jié)，用批判性眼光看待實驗結(jié)果。

參考文獻：

[1]Burke B N. The ITEEA 6E Learning ByDesignTM Model： Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J]. Technology & Engineering Teacher，2014：73.

[2]馬西婭·西·林 巴特—舍瓦·艾倫. 學(xué)科學(xué)和教科學(xué)[M].裴新寧，劉新陽譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2015：10-12.

[3]朱曉安，張鳳英. 比較教學(xué)：防治知識負遷移促進核心素養(yǎng)提升[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（6）：46.