創(chuàng)設情境問題 培養(yǎng)高階思維
——以“靜電的防止與利用”為例

劉慧琰 田成良

(1. 北京市第二十中學,北京 100085;2. 北京市海淀區(qū)教師進修學校,北京 100085)

1 引言

隨著新一輪課程改革的開展,發(fā)展學生高階思維能力,在課堂上實現深度學習、落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標已經成為教學的主旋律。按照布盧姆的目標分類理論,認知領域的學習目標分為六個層次：記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造,這六個層次由簡單到復雜,對應的思維能力由低階到高階,高階思維能力包含并依賴低階的認知技能。深度學習就是要發(fā)展高階思維,指向實際問題的解決,讓學生自主習得知識和方法,并融入原有的認知結構之中,能夠將內化的知識遷移到新情境中。

深度學習的育人追求,是讓學生在面對復雜的真實問題時能創(chuàng)造性地分析、較快形成解決問題的思路、迅速進行決策、快速整合資源解決問題。這種能力是學生在解決具體問題的實踐中及創(chuàng)生新意義的過程中形成和發(fā)展的,其中的重要載體就是情境素材。好的情境素材可以將核心素養(yǎng)和課程內容進行深度關聯,形成將學習內容、學習活動、持續(xù)性評價相統(tǒng)一的實踐性學習過程。

創(chuàng)設什么樣的情境,以什么樣的形式展現情境,以及如何將情境與知識統(tǒng)一,成為亟待研究的問題。筆者以“靜電的防止與利用”教學為例,探討利用創(chuàng)設情境問題落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標、促進學生高階思維能力發(fā)展的路徑。

2 實施過程

2.1 目標導向的情境選擇

情境是教學環(huán)境的一個即時條件,創(chuàng)設好的教學情境需要根據學情和教學目標,使學生在情緒上受到感染,產生共鳴,加深對課程內容的理解,且與生產生活相結合,體現“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念。情境不是花哨的外衣,情境素材必須緊緊貼合教學內容,服務于教學目標,選擇情境的第一步就是明確教學目標和教學內容。

“靜電的防止與利用”是《靜電場及其應用》一章的最后一節(jié)內容,在這一章的教學中,通過對點電荷、庫侖定律、電場、電場強度等物理概念和規(guī)律的逐步學習、系統(tǒng)反思和遷移應用,促進學生的物質觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念的形成(圖1)。這一階段的學習涉及模型建構、類比、微小力放大、比值定義法等科學方法,著力培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力,建構靜電場的知識結構。本節(jié)就是在真實的生產生活情境中,利用靜電場知識分析、解決問題,強化物理學跟生活、社會的聯系,促進學生養(yǎng)成科學態(tài)度與責任。

圖1

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對本節(jié)內容的要求是：“了解生產生活中關于靜電的利用與防護?！被谏鲜鲆?梳理出本節(jié)課需要解決的3個問題：(1) 靜電平衡是怎樣形成的?(2) 處于靜電平衡狀態(tài)的導體有何特點?(3) 靜電現象在生產生活中有哪些應用?這3個核心問題又可分解成子問題,循序漸進地引導學生解決問題(圖2)。這些問題串不能零碎地、割裂地提出,要用一個大情境相貫穿,這樣才能保證學生在情境中的產生情緒共鳴,聯系生活實際;在解決實際問題的過程中發(fā)展物理學科核心素養(yǎng),引導學生在真實情境中提出物理問題,在解決問題中掌握核心知識,促進學生思維的發(fā)展;通過靜電平衡的概念和規(guī)律的理論探索與實驗驗證,促進學生理解、掌握靜電知識,經歷“問題”“解釋”“交流”“反思”的科學探究過程,培養(yǎng)學生的實驗探究能力;最后再創(chuàng)設類似情境,使學生能將所學知識應用到生活情境中解決問題,如通過聯系生產生活中的靜電現象及其應用,引導學生認識科學、技術、社會、環(huán)境的關系。

圖2

2.2 問題驅動的情境呈現

為了讓情境服務于教學目標,要讓學生在教師引導下能夠提出本節(jié)課的關鍵問題,所以情境不能太復雜,指向性要明確,呈現方式要自然、有趣。本節(jié)課的大情境是“探究汽車中的靜電知識”,并利用3個與汽車相關的情境問題作引領,引導學生在情境中提出核心問題;通過模擬實驗、小組討論等來解決問題,再引導學生聯想生活中的應用,經歷“情境化—去情境化—再情境化”的過程,踐行“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,激發(fā)學生的好奇心、求知欲,感悟環(huán)境保護和安全防護的必要性。

問題1：雷雨天人待在汽車里安全嗎?

為了渲染氛圍,增強情境的真實性,先播放雷雨天氣下行車的視頻,讓學生猜想并說明理由。對這個問題,學生會有不同的答案,部分學生會認為車是金屬架構,易導電,所以應該下車。此時,教師無需解釋,而是利用兩個金屬極板和高壓感應圈模擬云層和大地之間的強電場,用易拉罐和鋁箔包裹的小棒模擬小汽車和人,通過模擬實驗檢驗學生的猜想(圖3)。

圖3

模擬雷擊車的實驗結果明顯,效果顯著,引發(fā)了學生的認知沖突,教師要求學生分組討論人在車內不受雷擊的原因,提示學生結合所學知識將真實情境簡化為可研究的物理問題。有小組提出：將云層和大地之間的強電場簡化為勻強電場,小汽車簡化為金屬導體。情境簡化以后,教師有序提出問題,通過問題串引導學生討論、解決問題。

問題1：將金屬導體放在勻強電場中(圖4),電子如何運動?導體內部的電場如何變化?

圖4

問題2：如圖5所示,把導體中間挖空,形成一個空腔導體,那么空腔中A處的電場強度如何?

圖5

問題3：金屬殼有內、外兩個表面,此時內、外表面上是否都有感應電荷?

問題4：你能利用靜電屏蔽來設計產品?

通過解決以上問題,讓學生經歷“情境化—去情境化—再情境化”的過程,將真實情境抽象成物理問題,并自主推斷出靜電平衡的形成過程,進而對靜電平衡下定義,經歷從感性認識到理性認識的飛躍。引導學生聯想生活中靜電屏蔽的應用,將知識遷移到新的情境中,培養(yǎng)學生的安全意識,加深學生對知識的理解,提高學生的問題解決能力。

教師向學生介紹汽車頂上鯊魚鰭的作用：“吸收”并“釋放”靜電,引導學生對實際問題進行簡化處理,抽象成可研究的物理問題。

問題5：像鯊魚鰭一樣的不規(guī)則導體表面帶電時電荷的分布情況如何?教師提供實驗儀器,請學生設計實驗方案來解決問題。

學生利用不規(guī)則導體、驗電羽和感應起電機做實驗,得出結論：尖端處電荷密度較大。針對以上實驗結論,教師進一步追問：為什么尖端電荷密度大就能釋放靜電呢?

接著,用鐵釘模擬鯊魚鰭,探究安裝了鯊魚鰭的小車在電場中的變化,并思考：為什么會產生這樣的現象。學生觀察到閃電都落在鐵釘尖端上(圖6),得出結論：尖端處電荷密度較大,形成強電場,電離空氣,會產生尖端放電現象。

圖6

通過模擬實驗,分析尖端放電的原理。之后再情境化,提出問題：尖端放電在建筑上有哪些應用?在生活中有哪些應用?這些問題讓學生通過聯想生活中尖端放電的應用,認識避雷針、脈沖點火器、靜電駐極等裝置和工藝,將知識遷移到新的情境中,培養(yǎng)學生的安全意識,認識到物理與社會的關系。

最后利用視頻向學生介紹工業(yè)中尖端放電的應用——靜電駐極技術,引入下一個情境問題。

問題6：在一些口罩的制作中,利用靜電駐極技術對熔噴布進行處理,其作用是什么?

給學生布置任務：結合所學知識,檢驗口罩里是否有靜電?病毒的直徑一般在20～300nm之間,熔噴布纖維的直徑一般在1 000～5 000 nm之間,為何口罩能過濾病毒?

為每個小組準備碎紙屑、口罩和剪刀,學生自己動手剪開口罩,觀察口罩內部結構,結合靜電知識,發(fā)現口罩的熔噴布層可以吸附碎紙屑;在小組中交流,學生結合靜電知識,能夠想到利用靜電駐極技術,使熔噴布層攜帶靜電,根據靜電可以吸附輕小物體的性質,吸附病毒,達到防護的效果。

以空氣濾芯創(chuàng)設情境,可以再介紹一種過濾方式：靜電集塵式過濾,從而介紹靜電除塵技術,并引導學生展開小組實驗(圖7)。學生通過靜電除塵實驗模擬靜電集塵式空氣濾芯,并在小組中討論解釋集塵原理,加深對尖端放電的理解,經歷“問題”“解釋”“交流”“反思”的科學探究過程,關注科學、技術、社會、環(huán)境的關系。

圖7

2.3 去情境化的知識整合

情境創(chuàng)設的主要目的是讓學生學會從真實問題中抽象出可研究、解決的問題,從而獲得知識,再利用所學知識研究復雜的真實情境問題。所以,在情境創(chuàng)設之后,要引導學生在情境中提取核心知識,在原有的認知基礎上進一步深化理解,才能在陌生情境中開展研究,解決問題。

3 結語

本節(jié)課通過對靜電場中導體的自由電荷運動情況的討論,分析靜電平衡狀態(tài)的形成過程;通過實驗觀察,總結靜電平衡時導體的特點,經歷物理概念的建構與規(guī)律的發(fā)現過程,促進學生運動與相互作用觀念的形成,讓學生能夠運用靜電平衡的特點來解釋生活中的現象;通過實驗觀察和推理論證,學生能解釋靜電屏蔽、尖端放電現象產生的原因,能夠舉例說明靜電現象在生活中的應用,提升把情境與知識相關聯的意識和能力,培養(yǎng)基于實驗現象和真實情境的分析歸納、推理論證等科學思維能力;通過小組討論交流,學生能夠準確發(fā)表自己的觀點,敢于對現象、問題提出有依據的猜想,提出實驗方案和解決問題的策略,體會同一物理現象可以從不同的角度認識,學會用辯證統(tǒng)一的觀點看問題,培養(yǎng)他們的質疑創(chuàng)新能力和科學探究能力;通過實驗觀察和分析推理,理解汽車鯊魚鰭、汽車空氣濾芯、避雷針等裝置的工作原理,強化安全意識,深刻認識物理與技術、社會的關系,養(yǎng)成科學態(tài)度與責任。

基于本節(jié)課的教學實踐,筆者認為,發(fā)展學生的高階思維能力有以下路徑：(1) 緊緊圍繞教學目標和內容提取一節(jié)課的核心問題,并圍繞核心問題設計層層遞進、由淺入深的問題串;(2) 創(chuàng)設能貫穿整節(jié)課的大情境,將核心問題和問題串與情境相融合,在情境中提出問題或任務,驅動學生進行小組討論,自主分析物理問題,理解物理知識;(3) 用實驗模擬真實情境,培養(yǎng)學生利用實驗手段驗證猜想、基于實驗現象分析推理的能力;(4) 提出開放性的問題和任務,指導學生將知識遷移、應用到真實的結構不良問題中,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。