基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)構(gòu)建
——以“電動(dòng)勢(shì)”教學(xué)為案例

陳東曉，周洪偉

（1.麗水市教育教學(xué)研究院,浙江麗水 323000;2.麗水第二高級(jí)中學(xué),浙江麗水 323000）

1 問題提出

電動(dòng)勢(shì)是高中物理《恒定電流》章節(jié)中的核心概念，同時(shí)也是電學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)?，F(xiàn)行的教科版教材是通過比較不同電源標(biāo)簽上的電壓引出電動(dòng)勢(shì)概念的，當(dāng)電路斷開時(shí)，電動(dòng)勢(shì)大小等于路端電壓；當(dāng)電路閉合時(shí)，從理論上推導(dǎo)出電動(dòng)勢(shì)大小也等于內(nèi)、外電壓之和。然而這種教學(xué)安排存在的弊端:一是從電壓引出電動(dòng)勢(shì)的教學(xué)序，極易讓學(xué)生形成“電動(dòng)勢(shì)即電壓”的思維定勢(shì)；二是只講述電動(dòng)勢(shì)操作定義，并未揭示電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)特征。這就相當(dāng)于引入新的物理量來代替電壓，學(xué)生很難深入理解電動(dòng)勢(shì)的內(nèi)涵，沒有解決電動(dòng)勢(shì)是什么的問題。為了設(shè)法解決上述問題，擬提出學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)建構(gòu)。

所謂的學(xué)習(xí)進(jìn)階是指“對(duì)學(xué)生在一個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí)，依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思維方式”[1]。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷積累、不斷發(fā)展的過程，學(xué)生對(duì)某一主題或核心概念的理解不是一蹴而就的，而是要經(jīng)歷許多個(gè)不同的中間狀態(tài)，逐層進(jìn)階，從“淺表”走向“深度”的過程[2]?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理教學(xué)理應(yīng)從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)體驗(yàn)出發(fā)，教師要根據(jù)物理概念、物理規(guī)律、實(shí)驗(yàn)探究等內(nèi)在的邏輯規(guī)律來組織并優(yōu)化教學(xué)過程。

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階的基本教學(xué)模型

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)模型一般由學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)分析、學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo)預(yù)設(shè)、學(xué)習(xí)進(jìn)階的層級(jí)預(yù)設(shè)（其中包含多個(gè)不同水平層次的層級(jí)預(yù)設(shè)）、學(xué)習(xí)進(jìn)階的效果評(píng)價(jià)4個(gè)部分組成，具體的學(xué)習(xí)進(jìn)階流程如圖1所示，相關(guān)闡述如下：

圖1 學(xué)習(xí)進(jìn)階流程圖

一是學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)分析。主要從兩方面進(jìn)行分析：在內(nèi)容上，從物理學(xué)史、知識(shí)結(jié)構(gòu)、課程與教材、知識(shí)應(yīng)用等角度分析知識(shí)間邏輯關(guān)聯(lián)及社會(huì)應(yīng)用；在學(xué)情上，主要分析學(xué)生的前概念理解情況、掌握的技能和思維發(fā)展水平，以此來捕捉迷思概念。

二是學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo)預(yù)設(shè)。進(jìn)階目標(biāo)主要是提前預(yù)設(shè)學(xué)生應(yīng)該達(dá)到的水平層次和中間可能出現(xiàn)的問題。

三是學(xué)習(xí)進(jìn)階的點(diǎn)和層級(jí)預(yù)設(shè)。進(jìn)階層次主要是針對(duì)學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知水平，通過認(rèn)知沖突策略讓學(xué)生暴露自己的原有認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)矛盾、解決問題，形成新的認(rèn)識(shí)。通過搭建物理概念的腳手架策略、圖示策略等促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心概念的理解朝著最高層次的水平逐級(jí)發(fā)展。該階段是學(xué)習(xí)進(jìn)階最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，一般為達(dá)到學(xué)習(xí)進(jìn)階高層目標(biāo)要設(shè)立若干進(jìn)階層次，讓學(xué)生不斷地從低水平層次到高水平層次，最終達(dá)到終極目標(biāo)。

四是學(xué)習(xí)進(jìn)階的效果評(píng)價(jià)。通過制定評(píng)價(jià)示例，隨時(shí)跟蹤學(xué)生的思維水平，過程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)并進(jìn)，根據(jù)課堂反饋，教師隨時(shí)調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)課后檢測(cè)結(jié)果，對(duì)教學(xué)進(jìn)行診斷與改進(jìn)。

3 學(xué)習(xí)進(jìn)階的具體案例

3.1 進(jìn)階起點(diǎn)

針對(duì)某一特定物理概念學(xué)習(xí)的進(jìn)階起點(diǎn)是建構(gòu)該概念所必需的已有知識(shí)和關(guān)鍵能力，即為學(xué)生關(guān)于該概念的前認(rèn)知。概念教學(xué)需要全面了解學(xué)生的相關(guān)知識(shí)層次和能力水平，依據(jù)學(xué)生已有知識(shí)和能力水平精準(zhǔn)確定進(jìn)階的起點(diǎn)。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，雖然學(xué)生已知曉電流成因及歐姆定律內(nèi)容，但一般學(xué)生對(duì)電學(xué)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)較少，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)電學(xué)時(shí)普遍感到困難，其中電動(dòng)勢(shì)的教學(xué)更是教學(xué)難點(diǎn)。而電動(dòng)勢(shì)是貫穿“恒定電流”“電磁感應(yīng)”“交流電”等章節(jié)的核心概念，將直接影響其后續(xù)的電學(xué)學(xué)習(xí)。為全面了解不同學(xué)生已有的知識(shí)和能力水平，特設(shè)計(jì)了如下的診斷性問題：

（1）導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的條件是什么？

（2）將小燈泡接入充過電的電容器兩端，能觀察到何現(xiàn)象，為什么？

（3）使導(dǎo)體中形成持續(xù)電流的條件是什么？

（4）持續(xù)的電壓可由什么裝置來提供？

設(shè)置上述4個(gè)問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、獨(dú)立作答，以起到復(fù)習(xí)熱身的效果，同時(shí)統(tǒng)一學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生理解并掌握電源的作用是保持導(dǎo)體兩端有一定的電壓。

3.2 進(jìn)階目標(biāo)

“電動(dòng)勢(shì)”學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo):若從動(dòng)力學(xué)角度分析，電源內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度方向與正電荷的移動(dòng)方向相反，靜電力會(huì)阻礙正電荷的定向運(yùn)動(dòng)，得出引入“非靜電力”必要性；若從能量轉(zhuǎn)化和守恒角度分析，外電路將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，內(nèi)電路將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能；若從教學(xué)方式角度分析，運(yùn)用類比思想，以升降機(jī)模型使喜洋洋在電動(dòng)軌道和滑梯部分內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)與正電荷在內(nèi)、外電路中的定向移動(dòng)進(jìn)行類比，能加深理解電源的作用；若從科學(xué)探究角度分析，利用電壓表測(cè)量內(nèi)、外電壓，定量分析內(nèi)、外電壓與電動(dòng)勢(shì)的數(shù)量關(guān)系，對(duì)特定電源的外電壓雖會(huì)隨外電路的改變而變化，但電動(dòng)勢(shì)數(shù)值保持不變。學(xué)生能在獨(dú)立分析電路的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確解決電壓、電動(dòng)勢(shì)、非靜電力做功等問題。

3.3 進(jìn)階層級(jí)

進(jìn)階層級(jí)是學(xué)習(xí)進(jìn)階最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，一般為達(dá)到學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo)要沿著“設(shè)置情境—聯(lián)想類比—引出概念—揭示內(nèi)涵—深化拓展”這5個(gè)進(jìn)階層級(jí)，具體從“電源是能量轉(zhuǎn)換器—電源是電荷搬運(yùn)工—電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)特征—電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)、外電壓關(guān)系—現(xiàn)代生活常用電源”等層級(jí)展開論述，促使學(xué)生思維能力螺旋式發(fā)展，最終達(dá)成目標(biāo)。

3.3.1 設(shè)置情境,引出電源是能量轉(zhuǎn)換器

通過之前的電學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道電流的成因及電源具有保持導(dǎo)體兩端有電壓的作用。為何電源能源源不斷地產(chǎn)生電能，特設(shè)計(jì)了如下的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化角度思考。

（1）小燈泡接入蓄電池兩端而發(fā)光；

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)手搖發(fā)電機(jī)，音樂盒會(huì)發(fā)出美妙的樂曲；

（3）在500 W的白熾燈燈光照射下，太陽能電動(dòng)玩具車運(yùn)動(dòng)。

點(diǎn)評(píng)：以小燈泡發(fā)光、音樂盒播放樂曲、玩具車運(yùn)動(dòng)等生活中司空見慣的物理現(xiàn)象作為問題情境，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其主動(dòng)參與、勇于探究、樂于思考，為引出問題設(shè)置了懸念。引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度分析，蓄電池、發(fā)電機(jī)、太陽能電池分別是將化學(xué)能、機(jī)械能、光能轉(zhuǎn)化為電能，以此體驗(yàn)?zāi)芰哭D(zhuǎn)化形式的多樣性。電源具有將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的特性，即電源是“能量轉(zhuǎn)換器”。

3.3.2 聯(lián)想類比,得出電源是電荷搬運(yùn)工

雖然在金屬導(dǎo)體中能夠自由移動(dòng)的電荷是自由電子，但為便于探究，按正電荷移動(dòng)來進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)如下問題：

問題1在內(nèi)、外電路中，電流方向如何？

問題2正電荷在外電路中為何能定向移動(dòng)？

問題3正電荷在電源內(nèi)部移動(dòng)的原因是什么？誰提供了動(dòng)力？

問題4從力學(xué)角度分析，電源的作用是什么？

如圖2所示，電源內(nèi)部存在由正極指向負(fù)極的電場(chǎng)，然而正電荷的移動(dòng)方向與其所受電場(chǎng)力的方向相反，根據(jù)電荷守恒定律，電源必須把正電荷源源不斷地從負(fù)極搬運(yùn)到正極，這就需要電源提供動(dòng)力:“非靜電力”作用于正電荷。如圖3所示為升降機(jī)玩具模型，通過電路與升降機(jī)玩具模型的類比分析（詳見表1），可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)“非靜電力”概念的理解[3]。

圖2 電路

圖3 升降機(jī)玩具模型

表1 電路與升降機(jī)玩具模型的類比分析

點(diǎn)評(píng)：借助升降機(jī)玩具模型，將電源中的“非靜電力”與升降機(jī)模型中的“非重力”進(jìn)行類比，促進(jìn)遷移，加深學(xué)生對(duì)電源中“非靜電力”概念的理解。同時(shí)列舉手搖發(fā)電機(jī)、干電池的非靜電力分別是電磁作用、化學(xué)作用。雖然非靜電力的產(chǎn)生機(jī)理不同，但它們的共同點(diǎn)為電源是“電荷搬運(yùn)工”。

3.3.3 引出概念,揭示電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)特征

在上述的類比教學(xué)過程中，把電源類比為提升裝置、非靜電力類比為非重力，因此，我們探究非靜電力做功本領(lǐng)可從研究非重力做功本領(lǐng)入手，以期探明電源電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)特征。

實(shí)驗(yàn)：如圖4所示，讓男生與女生同時(shí)吹氣提升砝碼。男生吹的砝碼為50 g，女生吹的砝碼為20 g[4]。女生吹的高度比男生高，是否說明女生吹氣本領(lǐng)比男生強(qiáng)？

圖4 吹氣提升砝碼裝置

學(xué)生：不是。男生吹的砝碼比女生吹的砝碼要重，這樣不公平。

教師：怎么辦？

學(xué)生：男女平等，應(yīng)該要吹同樣的砝碼，誰吹的高誰本領(lǐng)強(qiáng)。

再次比賽，男生、女生同樣吹50 g砝碼，結(jié)果是男生吹的高度要比女生升得高，合乎常理，一片歡騰。吹氣提升砝碼過程中克服重力做功，升得越高，克服重力做功越多，增加的重力勢(shì)能就越多，表明“非重力”做功的本領(lǐng)越大，即將其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的本領(lǐng)強(qiáng)。

教師：如何比較電源將其他形式能量轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)大小？

學(xué)生：搬運(yùn)相同電荷，比較非靜電力做功的大小。

教師：如果兩種電源搬運(yùn)不同電荷量q，非靜電力做功W也不相同，如何比較？

學(xué)生：求比值，即比較W/q的大小。

教師：在靜電場(chǎng)中，研究哪個(gè)物理量時(shí)曾經(jīng)用到類似的方法？

學(xué)生：電場(chǎng)強(qiáng)度，用F/q的比值進(jìn)行求解。

教師：在某一過程中干電池將2 C正電荷從負(fù)極搬運(yùn)到正極做功3 J，而蓄電池將1 C的正電荷從負(fù)極搬運(yùn)到正極做功2 J，比較這兩類電源非靜電力做功的本領(lǐng)強(qiáng)弱……

點(diǎn)評(píng)：學(xué)生極易混淆電動(dòng)勢(shì)與電場(chǎng)力做功的概念。經(jīng)男生、女生吹砝碼比賽，激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，究其原因是研究對(duì)象不同造成比賽結(jié)果的不公，以此進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探索科學(xué)的比賽規(guī)則應(yīng)創(chuàng)設(shè)條件。同理，在比較不同電源做功本領(lǐng)時(shí)，對(duì)于相同的電荷量可以比較其做功大??；如果電荷量不同，則比較非靜電力做功W與q的比值（W/q），體現(xiàn)從特殊到一般的研究方法，揭示了電動(dòng)勢(shì)為表征電源將其他形式能量轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)的物理量。

3.3.4 揭示內(nèi)涵,探究電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)、外電壓關(guān)系

根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，學(xué)習(xí)的過程實(shí)際是學(xué)生主體進(jìn)行同化和順應(yīng)最后到達(dá)認(rèn)知平衡的過程，學(xué)習(xí)是否有效就在于學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是否受到刺激而發(fā)生了合理的改變。對(duì)某個(gè)電源來說電動(dòng)勢(shì)是個(gè)定值，不同電源其電動(dòng)勢(shì)具有相應(yīng)的值。如圖5所示，當(dāng)電鍵K斷開時(shí)，電壓表示數(shù)為1.5 V（符合學(xué)生的認(rèn)知）；當(dāng)電鍵K閉合后，觀察到電壓表示數(shù)減少；若滑動(dòng)變阻器向右移動(dòng)，則電壓表示數(shù)會(huì)進(jìn)一步減少[5]。

圖5 測(cè)量電源電壓電路圖

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生感到十分意外，猶如平靜的水面投入了一塊石頭，蕩起了陣陣漣漪。這就與初中科學(xué)中所學(xué)電源的“電壓”不變產(chǎn)生認(rèn)知沖突，急于想探究為何電源兩極間的電壓會(huì)隨外電路的改變而變化。

教師：減少的電壓究竟去哪了？

學(xué)生：減少的電壓可能分布在電源的內(nèi)部，因?yàn)殡娫从袃?nèi)阻。

教師：外電壓U外、內(nèi)電壓U內(nèi)與電動(dòng)勢(shì)E之間有何關(guān)系？

學(xué)生：猜測(cè)E=U外+U內(nèi)。

教師：為什么？

學(xué)生1：不知道，憑直覺。

學(xué)生2：根據(jù)電路中內(nèi)、外電路的串聯(lián)關(guān)系。

教師：如何證明？

學(xué)生：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

教師通過設(shè)置一系列環(huán)環(huán)相扣的問題鏈，引發(fā)學(xué)生去深入思考，從定性分析過渡到定量實(shí)驗(yàn)，逐步撥開學(xué)生的疑團(tuán)。如圖6所示是可調(diào)內(nèi)阻的蓄電池，圖7為其對(duì)應(yīng)的電路圖，其中探針A、B直接連接電源兩極，測(cè)得的是外電路電壓；探針a、b插在液體中測(cè)得的是液體電壓即內(nèi)電壓。若改變電阻箱的數(shù)值，讀取對(duì)應(yīng)的外電壓U外與內(nèi)電壓U內(nèi)，記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。

圖6 可調(diào)內(nèi)阻蓄電池

圖7 可調(diào)內(nèi)阻蓄電池電路圖

表2 外電壓U外與內(nèi)電壓U內(nèi)的關(guān)系

觀察、記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置如下問題:

問題1外電壓減小時(shí)，內(nèi)電壓如何變化？

問題2內(nèi)、外電壓之和有何特點(diǎn)？可以得出什么結(jié)論？

問題3外電壓變化的本質(zhì)原因是什么？

問題4電路斷路時(shí)外電壓與電源的電動(dòng)勢(shì)相等嗎？

點(diǎn)評(píng)：通過上述的實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)一步驗(yàn)證了學(xué)生的猜想，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓之和。導(dǎo)致路端電壓U外小于電動(dòng)勢(shì)E的根源就在于電源有內(nèi)阻，起到分壓效果。而電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)不受電源外部條件影響的恒量，與電壓有本質(zhì)的區(qū)別。

3.3.5 深化拓展,探析現(xiàn)代生活常用電源

讓學(xué)生通過查閱書籍、說明書或者上網(wǎng)查詢生活中常用電池、新能源電池等，了解其電動(dòng)勢(shì)、工作原理、應(yīng)用及危害。關(guān)注實(shí)際生活，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，強(qiáng)化環(huán)保意識(shí)。

問題1解剖普通干電池，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其工作原理及內(nèi)電阻成因。

問題2閱讀普通干電池使用說明，探究為何新、舊電池最好不要混合使用。

問題3測(cè)量西紅柿、蘋果、獼猴桃、土豆等水果電池的電動(dòng)勢(shì)。

問題4調(diào)查純電動(dòng)汽車電源電動(dòng)勢(shì)、電容等參數(shù)。

問題5調(diào)查哪些種類的電池對(duì)環(huán)境有較大的污染。調(diào)查生活中的各種電池，并要求學(xué)生任選上述的兩個(gè)問題撰寫調(diào)查報(bào)告。小組合作、交流分享研究成果，倡導(dǎo)節(jié)約用電、科學(xué)回收的環(huán)保理念。

點(diǎn)評(píng)：在教材“科學(xué)漫步”欄目中列出了生活中的電池，并調(diào)查常用的可充電電池，但是有些電池已經(jīng)被淘汰，內(nèi)容顯得不合時(shí)宜。教師借助網(wǎng)絡(luò)、書籍、調(diào)查研究等手段整合課堂內(nèi)外資源，讓學(xué)生了解純電動(dòng)汽車的電池、光伏電池等現(xiàn)代能源，這樣既使學(xué)生感受到科技魅力又升華了教育價(jià)值。

4 結(jié)語

綜上所述，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)是從學(xué)生認(rèn)知的角度切入，以“情境創(chuàng)設(shè)—非靜電力—做功本領(lǐng)—內(nèi)外電壓關(guān)系—現(xiàn)代生活常用電源”為教學(xué)主線，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，通過邏輯推理與實(shí)驗(yàn)探究建立電動(dòng)勢(shì)的概念，并逐步深化理解。從教學(xué)效果看，本節(jié)課的教學(xué)是從能量轉(zhuǎn)化出發(fā)，借助實(shí)驗(yàn)探究問題的本質(zhì)，課堂氣氛活躍，體現(xiàn)以生為本教育理念。通過現(xiàn)象觀察激發(fā)學(xué)生思考，創(chuàng)設(shè)問題啟迪學(xué)生的思維，讓電動(dòng)勢(shì)這個(gè)抽象的物理概念與日常生活緊密結(jié)合，使學(xué)生體驗(yàn)到物理源于生活、服務(wù)于生活，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，在不知不覺的討論中突破了教學(xué)難點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的教育教學(xué)效果。總之，本文提出的基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理概念教學(xué)五步法模式簡(jiǎn)潔明了、結(jié)構(gòu)完整、操作簡(jiǎn)單、便于推廣。

5 致謝

本文在完成過程中得到了麗水市“綠谷名教師”培養(yǎng)工程理論導(dǎo)師任清褒教授的精心指導(dǎo)，特此致謝！