基于問題導(dǎo)向的深度學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計
——以學(xué)習(xí)“導(dǎo)體的電阻”為例

王賢勇 張 亮 熊 雪

(貴州省畢節(jié)市第一中學(xué),貴州 畢節(jié) 551700)

1 問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)和深度學(xué)習(xí)

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)(Problem-Based Learning,簡稱PBL)是以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí),Howard,Robyn Tamblyn指出:在PBL學(xué)習(xí)中,知識的獲得源于對問題的認(rèn)識和解決過程.[1]學(xué)習(xí)開始遇到問題,問題本身推動了解決問題和推理技能的應(yīng)用,同時也激發(fā)學(xué)生查找信息,以學(xué)習(xí)關(guān)于此問題的知識和結(jié)構(gòu)以及解決問題的方法.PBL要求學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé),教師只是學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者,隨著學(xué)生學(xué)習(xí)深入,教師的干預(yù)作用減少.PBL教學(xué)法主要基于認(rèn)知心理學(xué)和自主學(xué)習(xí)的原則.[2]傳統(tǒng)教學(xué)與PBL教學(xué)的對比如表1所示.

表1 傳統(tǒng)教學(xué)與PBL教學(xué)的對比

傳統(tǒng)教學(xué)中,教師主要是授學(xué)生以魚.結(jié)果一般是:教師講得累,學(xué)生打瞌睡,離開教師后,方法又不會.PBL教學(xué)中,教師主要是授學(xué)生以漁.教師用智慧去激發(fā)學(xué)生的興趣和思維,重在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主導(dǎo)性和自主性,讓學(xué)生養(yǎng)成終身愛學(xué)習(xí)、會學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣.

深度學(xué)習(xí)是指在理解的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)者能夠批判地學(xué)習(xí)新思想和事實,并將它們?nèi)谟谠械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中,能夠在眾多的思想間進(jìn)行聯(lián)系,并能將已有的知識遷移到新的情境中,作出決策和解決問題的學(xué)習(xí).深度學(xué)習(xí)深在思維過程、豐富的學(xué)習(xí)結(jié)果和充分的教學(xué)引導(dǎo).[3]其能力簡約框架如表2所示.[4]

表2 深度學(xué)習(xí)能力簡約框架

從認(rèn)知領(lǐng)域來說,要求學(xué)生能夠掌握核心知識,并能遷移到其他情境,應(yīng)用技術(shù)和工具發(fā)現(xiàn)和解決問題,能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計推理、科學(xué)探究、創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性評價.

從人際領(lǐng)域來看,團隊協(xié)作能力要求學(xué)生能夠和他人合作完成任務(wù),有共同的目標(biāo),能接受不同人的觀點.有效溝通要求能口頭表達(dá)、書面表述、提出建設(shè)性意見或建議、綜合不同的觀點、反復(fù)修改討論結(jié)果,形成最佳方案或結(jié)論.

個人領(lǐng)域方面要求學(xué)生能自我監(jiān)控和管理,能獨立學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí),具有堅強的意志力,能持續(xù)地投入精力去學(xué)習(xí),能尋找更好的學(xué)習(xí)方式來應(yīng)對挑戰(zhàn)性的問題.

可見,問題導(dǎo)向能夠觸發(fā)學(xué)生查找信息,引導(dǎo)學(xué)生思考、理解、實踐、探究,從而解決問題.深度學(xué)習(xí)能根據(jù)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),在理解的基礎(chǔ)上把學(xué)生的思維導(dǎo)向深處,豐富學(xué)習(xí)結(jié)果.教學(xué)中,二者的有機融合不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率,更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生的問題意識,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的提升.

2 PBL導(dǎo)向下深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計

在傳統(tǒng)課堂中,教師一般都是根據(jù)教材內(nèi)容和課標(biāo)要求來確定教學(xué)目標(biāo).有經(jīng)驗的教師會把高考要求的目標(biāo)和教材結(jié)合起來教學(xué).在課堂教學(xué)上,教師激情四射,聲情并茂.他們專注于自己所講的內(nèi)容,認(rèn)為只要自己講得正確、清晰、邏輯、完整、風(fēng)趣、精彩、有深度即可達(dá)成目標(biāo).教師有時為了讓課堂活躍起來,時不時地“點名”回答,或拋出一些簡單的問題,只需要學(xué)生集體回答“正確”或“不正確”.這樣的課堂學(xué)生思維停留在淺表,他們主要專注于聽,往往是一聽就會,一做就錯.究其原因是教師教學(xué)不關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,不了解學(xué)生的“需求”,沒有激發(fā)學(xué)生深層次的思維活動,違背了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律(最近發(fā)展區(qū)).學(xué)生雖然熟記了一些概念、規(guī)律,但由于沒有設(shè)計感、沒有親自經(jīng)歷獲取知識的過程,所以無法把這些概念和規(guī)律用來解決實際問題.基于此,需要重構(gòu)課堂設(shè)計.筆者根據(jù)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)和布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)(記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價)的認(rèn)知規(guī)律,嘗試了一種PBL導(dǎo)向下深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計,流程如圖1所示.

圖1 PBL導(dǎo)向下深度學(xué)習(xí)的框架圖

3 PBL導(dǎo)向下“導(dǎo)體的電阻”的深度學(xué)習(xí)

3.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過多媒體、板書或?qū)W(xué)案展示如表3所示的素養(yǎng)目標(biāo).

表3 “導(dǎo)體的電阻”核心素養(yǎng)目標(biāo)

從認(rèn)知(最近發(fā)展區(qū))看,高中學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了電流、電壓、電阻這3個物理量,知道這3個量在純電阻的條件下滿足歐姆定律.電路中小燈泡的亮、暗能把其兩端的電壓和流過的電流表征出來.學(xué)生初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了串并聯(lián)電路的初步知識,知道串聯(lián)可等效為增大導(dǎo)體的長度,并聯(lián)可等效為增大導(dǎo)體的橫截面積;知道滑動變阻器接入電路可以控制某一電阻的電流和電壓的變化范圍,會用電流表、電壓表接入電路測量電流和電壓.同時經(jīng)過高一上學(xué)期的學(xué)習(xí),學(xué)生初步學(xué)會了利用圖像處理數(shù)據(jù)的方法.

從人際和個人能力上分析,在人際領(lǐng)域,為了培養(yǎng)學(xué)生的有效溝通和團隊合作能力,根據(jù)學(xué)生的成績、興趣、性別、勝任力進(jìn)行異質(zhì)分組,力求均衡.當(dāng)然也可以讓學(xué)生自行組隊,挑選自己喜歡的合作伙伴.

3.2 課程開發(fā)

該環(huán)節(jié)要解決的是“教什么”的問題,即為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo),筆者提供的教學(xué)內(nèi)容是新人教版(2019年)物理必修第3冊第11章第2節(jié)導(dǎo)體的電阻.

器材準(zhǔn)備:筆記本電腦、功率不同的燈泡、滑動變阻器、裝修用的導(dǎo)線、不同材料的電阻絲、兩種阻值不同的定值電阻若干(合金)、鎢絲電阻(8個左右,可以自制)、干電池(或?qū)W生電源)、自帶接線夾的導(dǎo)線若干、開關(guān)、電烙鐵、焊錫、酒精燈、帶接線柱的木板等.

課前預(yù)習(xí):開放物理實驗室,學(xué)生到實驗室預(yù)習(xí)前一定要強調(diào)安全問題.通過問題導(dǎo)向給學(xué)生布置任務(wù),讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)“導(dǎo)體的電阻”這一節(jié)內(nèi)容.

上課環(huán)境:電學(xué)實驗室.

3.3 課堂教學(xué)

環(huán)節(jié)1:PBL導(dǎo)向,如何理解導(dǎo)體對電流的阻礙作用?通過預(yù)習(xí),學(xué)生自主復(fù)習(xí)串并聯(lián)的知識,回顧比值定義法的特點,在初中的基礎(chǔ)上,采用比值定義法重新定義了電阻這個物理量.各小組選擇實驗器材:干電池(學(xué)生電源)、定值電阻(小電阻)、滑動變阻器、帶接線夾的導(dǎo)線、開關(guān),坐標(biāo)紙,利用圖2電路完成實驗,學(xué)生設(shè)計圖表4記錄U、I數(shù)據(jù).

圖2 探究導(dǎo)體阻礙作用電路圖

表4 定值電阻的電壓與電流關(guān)系

根據(jù)實驗數(shù)據(jù),學(xué)生在坐標(biāo)紙上或利用筆記本電腦Excel軟件分別作出兩個定值電阻的U-I圖像,如圖3所示.根據(jù)作出的U-I圖像,學(xué)生分析、評估、交流.得出電壓U1相同,電流IA

圖3 定值電阻的伏安特性曲線

設(shè)計評價:根據(jù)問題導(dǎo)向(PBL)和學(xué)生在初中具備的電學(xué)知識,培養(yǎng)學(xué)生動手能力、設(shè)計感、讀數(shù)能力、作圖能力以及根據(jù)圖像分析問題和解決問題的能力.通過對圖像分析,學(xué)生加深了對比值定義法的理解,領(lǐng)會了只有在線性關(guān)系的U-I圖像中,斜率才表示電阻,同時為后面學(xué)習(xí)“探究燈泡的伏安特性曲線”打下基礎(chǔ).

環(huán)節(jié)2(科學(xué)探究):探究影響導(dǎo)體電阻的因素.

猜想:如圖4所示,學(xué)生通過觀察燈絲、滑動變阻器、裝修所用的銅線,讓他們猜想影響導(dǎo)體電阻的因素可能有:導(dǎo)體的長度l、橫截面積S、材料特性.

圖4 變阻器、白熾燈、銅線

研究方法:控制變量法.

理論探究:學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電阻的串并聯(lián)知識,知道串聯(lián)相當(dāng)于增加導(dǎo)體的長度,并聯(lián)相當(dāng)于增大導(dǎo)體的橫截面積.

探究1:當(dāng)導(dǎo)體材料和橫截面積S不變時,增加導(dǎo)體的長度l,探究導(dǎo)體的電阻R與長度l的關(guān)系.教學(xué)中引導(dǎo)各小組增加導(dǎo)體的長度時,建構(gòu)圖5所示的模型.

圖5 導(dǎo)體長度增加的等效結(jié)構(gòu)

結(jié)論1:當(dāng)導(dǎo)體材料和橫截面積不變時,導(dǎo)體的電阻R與長度l成正比,即R∝l.

探究2:當(dāng)導(dǎo)體材料和長度l不變時,增加導(dǎo)體的橫截面積S,探究導(dǎo)體的電阻R與橫截面積S的關(guān)系.教學(xué)中引導(dǎo)各小組建構(gòu)如圖6所示的模型.

圖6 電阻橫截面積增加等效結(jié)構(gòu)

設(shè)計評價:培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象,提出問題的能力;培養(yǎng)學(xué)生利用已有知識,聯(lián)系新知識的能力;培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力、抽象思維能力、歸納概括能力、演繹推理能力和等效的思想.

證據(jù)(驗證):把新人教版物理必修第3冊58頁的實驗由探究性實驗改為驗證和探究相結(jié)合的實驗,電路如圖7所示.[5]

圖7 驗證決定電阻大小因素的電路圖

學(xué)生選擇儀器:電阻演示儀,材料不同的電阻絲,電烙鐵、焊錫、米尺等器材,自己制作4段導(dǎo)體.如圖7所示,其中材料相同的3段導(dǎo)體a、b、c中,a和b橫截面積相等,b的長度是a的2倍(3倍也可以),a和c長度相等,c的橫截面積是a的兩倍.注意引導(dǎo)c可以用兩根相同的a并聯(lián)焊接而成,d與a長度、橫截面積相等,材料不同.

安全提醒:學(xué)生預(yù)習(xí)時,教師要親臨實驗室,并教會學(xué)生用電烙鐵焊接電阻絲的方法以及使用的注意事項.上課時再次交代注意事項,以免學(xué)生焊接時被電烙鐵燙傷.

實物連接方案1:把同一根電阻絲標(biāo)記為長度不同的兩段即可得到導(dǎo)體a、b,把焊接好的導(dǎo)體c和b、d串聯(lián)焊接起來,按圖7連接電路.

實物連接方案2:改裝或自制電阻演示儀,如圖8所示.木板上安裝有左右等間距的8個接線柱,把材料相同的電阻絲從1依次連接到6,在5和6之間連成雙線(并聯(lián)),7到8之間連接材料不同的另一電阻絲(長度和橫截面積與1、2之間的電阻絲相等).1、2之間構(gòu)成導(dǎo)體a,1、4之間構(gòu)成導(dǎo)體b,5、6之間構(gòu)成導(dǎo)體c,7、8之間構(gòu)成導(dǎo)體d.電路圖如圖8所示.引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計表5記錄數(shù)據(jù),實驗中多次改變滑動變阻器滑片的位置,提高實驗可信度.

圖8 自制電阻演示儀

表5 各定值電阻的電壓記錄表

學(xué)生設(shè)計電路,連接好電路后,分別改變滑動變阻器滑片的位置,在表5中記為位置1、2、3、4,分別測出滑動變阻器在各位置時,導(dǎo)體a、b、c、d的電壓.要注意提醒學(xué)生使電壓表的指針偏轉(zhuǎn)盡量大一些,以便減小偶然誤差.數(shù)據(jù)分析,學(xué)生交流、歸納、總結(jié)、評價.

結(jié)論2:長度、橫截面積相等的導(dǎo)體,材料不同,電阻不相等,說明導(dǎo)體的電阻還與材料有關(guān).

設(shè)計評價:根據(jù)問題導(dǎo)向(PBL)培養(yǎng)學(xué)生閱讀能力、實驗創(chuàng)新能力、動手能力、設(shè)計感、處理數(shù)據(jù)的能力,尋找證據(jù)、歸納總結(jié)的能力.這個環(huán)節(jié)中,根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論,在教師充分的教學(xué)引導(dǎo)下,學(xué)生學(xué)習(xí)的動機和已經(jīng)具有的知識經(jīng)驗完全被激活,建立了已儲備知識和新知識間的關(guān)聯(lián),能多視角觀察、思考同一問題,靈活地、創(chuàng)造性地解決問題,同時經(jīng)歷了復(fù)雜的思維過程,動腦設(shè)計、動手操作,獲得了豐富的學(xué)習(xí)成果.

解釋1:不同材料的導(dǎo)體ρ一般不同,在長度、橫截面積一定的條件下,ρ越大,導(dǎo)體的電阻越大,ρ表征了材料的導(dǎo)電性能,叫電阻率.

解釋2:表6為幾種材料在20 ℃時的電阻率.

表6 幾種材料的電阻率

問題導(dǎo)向:從表6的數(shù)據(jù)可以直接看出什么?能提出什么問題?

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材得知,純金的電阻率一般較小,合金的電阻率一般較大.家庭裝修采用銅線或鋁線,從電阻率和經(jīng)濟成本上來看是最佳的選擇.表6列出幾種材料的電阻率時,標(biāo)注了溫度是20 ℃,這可能說明什么?

學(xué)生猜想:電阻率可能與溫度有關(guān).閱讀教材,設(shè)計如圖9的電路來驗證.

圖9 探究溫度對電阻的影響電路圖

學(xué)生驗證:引導(dǎo)學(xué)生分別在A、B之間接入鎢絲電阻和銅錳合金電阻,然后用酒精燈對其進(jìn)行加熱,觀察燈泡亮度的變化情況.

學(xué)生總結(jié):鎢絲的電阻率隨溫度的升高而增大,銅錳合金的電阻率受溫度的影響較小,幾乎不變.

引導(dǎo)學(xué)生挖掘教材,擴大結(jié)論適用范圍:純金屬的電阻率較小,合金的電阻率較大,用電器的電阻通常大于導(dǎo)線的電阻,一般情況下,導(dǎo)線的電阻可以忽略不計;純金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,某些金屬電阻率隨溫度變化非常明顯,如鉑絲,可以用來制作溫度計;某些合金的電阻率幾乎不受溫度的影響,可以用來制作標(biāo)準(zhǔn)電阻;當(dāng)溫度降低時,某些導(dǎo)體的電阻會減小,溫度特別低時,電阻會減小到0,這種現(xiàn)象叫超導(dǎo).介紹我國科學(xué)家趙忠賢在超導(dǎo)方面的貢獻(xiàn),激發(fā)學(xué)生崇尚科學(xué)的興趣和培養(yǎng)學(xué)生投身科學(xué)的精神.

問題導(dǎo)向:如圖10所示,有一材質(zhì)均勻的長方體金屬導(dǎo)體,長為a,寬為b,高為h,電阻率為ρ.1、2、3、4分別為4個接線柱,若分別將1、2和3、4接入電路,導(dǎo)體對應(yīng)的電阻各為多大?

圖10 長方體金屬導(dǎo)體

設(shè)計評價:培養(yǎng)學(xué)生回歸教材、重視教材、提出問題、對規(guī)律的理解和運用的能力以及再次經(jīng)歷猜想、驗證的科學(xué)探究過程.讓學(xué)生的思維再次得到升華,動手能力再次得到訓(xùn)練.通過教材強化物理學(xué)科在當(dāng)代科技中的價值,在推動科技發(fā)展中的作用和地位.給學(xué)生們介紹我國科學(xué)家趙忠賢在超導(dǎo)方面的貢獻(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生愛國主義情懷,激勵學(xué)生學(xué)習(xí)我國科學(xué)家的奮斗精神,增強學(xué)生的民族自信心和自豪感.

環(huán)節(jié)3:這節(jié)課學(xué)生學(xué)到了什么?先即興進(jìn)行個人總結(jié)交流,然后小組內(nèi)對個人總結(jié)歸納梳理,例如可以用思維導(dǎo)圖、概念圖、樹狀圖等形式呈現(xiàn)出來,最后每組派一個代表進(jìn)行展示交流,其余組員可以補充.這樣做的目的是,不同層次的學(xué)生都能分享自己的觀點,鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力、總結(jié)能力,同時看到自己的不足,加深對新概念的理解,評估自己和別人的差異,最終找到改進(jìn)學(xué)習(xí)的方法和方向.

教師評價:以鼓勵為主,根據(jù)每個組的總結(jié)情況,抓住閃光之處進(jìn)行點評,培養(yǎng)學(xué)生正確的態(tài)度和價值觀,但有錯誤或不嚴(yán)謹(jǐn)之處,一定要糾正或補充,因為正確可靠的學(xué)習(xí)成果才是學(xué)生求真理、悟道理、明事理的基礎(chǔ)保障.

4 教學(xué)反思

這次導(dǎo)體電阻的教學(xué)設(shè)計,與2018年筆者相同內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計比較,[6]可以說是一次理論與思想的進(jìn)階.從理論的角度看,有最近發(fā)展區(qū)、布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)等理論的支撐;從理念的角度看,教師引導(dǎo)為次,學(xué)生“表演”為主,體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué),更加符合新課標(biāo)的理念;從操作的層面看,有理論推導(dǎo)、實驗設(shè)計,學(xué)生手腦并用,多角度培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計感;從用教材的角度看,筆者用教材教而不是教教材.在進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計時增加了教材之外的內(nèi)容,把教材的探究實驗改為驗證和探究相結(jié)合的實驗.這樣修改的目的是契合觀察→猜想→理論→驗證→解釋→交流→評價的這一科學(xué)探究流程,[7]在此流程中,激發(fā)了學(xué)生的問題意識、提出了有價值的問題、培養(yǎng)了學(xué)生的問答能力,教師引導(dǎo)、質(zhì)疑、解惑、點評,是一次有針對性地培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的嘗試.[8]

筆者在第一個班執(zhí)行教學(xué)的過程中,因為實驗多,學(xué)生不熟悉實驗電路,組員之間分工不明確、配合不默契,故學(xué)生無法順利完成實驗,導(dǎo)致未能完成教學(xué)任務(wù).故筆者在第二個班教學(xué)前做了大量的準(zhǔn)備工作,以問題為導(dǎo)向(PBL)設(shè)計了導(dǎo)學(xué)案,帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實驗室熟悉器材,然后再實施課堂教學(xué),這樣就順利地完成了教學(xué)任務(wù).過程是艱辛的,但每當(dāng)想起學(xué)生們在課堂上精彩的表現(xiàn),瞬間覺得自己是多么的幸福.當(dāng)然,教學(xué)中還有很多瑕疵與不足,路漫漫,且教且修正.