基于問題解決模型的概念學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“靜電的防止與利用”為例

周 佳

(江蘇省常熟中學(xué),江蘇 蘇州 215500)

自2004年“學(xué)習(xí)進(jìn)階”概念在教育研究領(lǐng)域首次正式提出以來,該理論越來越受到關(guān)注,特別是在科學(xué)教育研究領(lǐng)域,已成為最重要的理論之一.美國基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論先后制定了《K-12科學(xué)教育框架》和《下一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》,美國國家研究理事會(huì)(NRC)將學(xué)習(xí)進(jìn)階概述為“描述學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)連貫、逐漸深入的思維方式,反映學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展過程”.[1]在國內(nèi),隨著以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)改革不斷深入,指向?qū)W生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律及關(guān)鍵能力培養(yǎng)的學(xué)習(xí)進(jìn)階理論也逐漸成為當(dāng)前教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).

概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究一般包含4個(gè)部分,分別為“核心概念”的確定、“階”的構(gòu)建、測量工具的開發(fā)和教學(xué)方式的選擇.[2]其中對(duì)促進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)階過程的課堂教學(xué)方式的研究是目前學(xué)習(xí)進(jìn)階理論研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一.問題解決教學(xué)模型是以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ)的一種教學(xué)模型,其以真實(shí)的問題情境為載體,讓學(xué)生在解決問題的過程中逐漸加深對(duì)科學(xué)概念的理解,提升學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的遷移應(yīng)用能力,有助于學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).筆者以“靜電的防止與利用”教學(xué)為例,嘗試運(yùn)用問題解決模型進(jìn)行概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué),通過“創(chuàng)設(shè)情境、生成問題”“提出猜想、實(shí)驗(yàn)探究”“構(gòu)建模型、理論論證”“得出結(jié)論、理解應(yīng)用”“靈活遷移、拓展創(chuàng)新”5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來幫助學(xué)生完成對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階,探索學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)的新路徑.

1 核心概念及“階”的構(gòu)建

“靜電的防止與利用”是人教版高中物理(2017年版)必修3“靜電場及其應(yīng)用”中的一節(jié)內(nèi)容,本節(jié)內(nèi)容以“靜電平衡”為理論基礎(chǔ),討論了靜電屏蔽、尖端放電等現(xiàn)象,因此筆者將“靜電平衡”作為學(xué)習(xí)進(jìn)階的核心概念,依據(jù)科學(xué)概念理解的發(fā)展層級(jí)模型,[3]將核心概念分為經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合5個(gè)層級(jí),并以此作為核心概念的進(jìn)階變量(如表1所示).

表1 靜電平衡核心概念進(jìn)階變量

2 教學(xué)過程

環(huán)節(jié)1:創(chuàng)設(shè)情境、生成問題——核心概念的經(jīng)驗(yàn)層級(jí).

根據(jù)情境教學(xué)理論,創(chuàng)設(shè)能夠吸引學(xué)生的真實(shí)情境,有助于提升學(xué)生解決問題的動(dòng)機(jī),同時(shí)也能呈現(xiàn)學(xué)生對(duì)情境分析后產(chǎn)生的迷思概念,讓教師掌握學(xué)生對(duì)核心概念的了解程度,并以此作為學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn).

問題情境:將錫紙帶放在魔術(shù)棒上,按下開關(guān)后,錫紙帶膨脹成一個(gè)錫紙球,并懸浮在空中(如圖1所示).

圖1 錫紙帶膨脹

教師表演該小魔術(shù)后,提出問題:錫紙帶為何能懸浮在空中?并讓學(xué)生閱讀關(guān)于魔術(shù)棒起電原理的文本資料,然后布置以下兩個(gè)任務(wù).

任務(wù)1:根據(jù)示意圖構(gòu)建范德格拉夫起電機(jī)的平面模型.

任務(wù)2:將文本資料中理解上有困難的內(nèi)容標(biāo)出.

資料背景:魔法棒的核心部件為一個(gè)小型的范德格拉夫起電機(jī),圖2是起電機(jī)部分的示意圖.金屬球殼固定在絕緣支柱頂端,絕緣材料制成的傳送帶套在兩個(gè)轉(zhuǎn)輪上,由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn).E和F是兩排金屬針(叫作電刷).當(dāng)電刷E與幾萬伏的直流高壓電源的正極接通時(shí),E將放電,正電荷被噴射到傳送帶上,并被傳送帶帶著向上運(yùn)動(dòng).當(dāng)正電荷到達(dá)電刷F附近時(shí),F上被感應(yīng)出異號(hào)電荷.由于F端放電,F上的負(fù)電荷與傳送帶上的正電荷中和,從而使傳送帶失去電荷,而F上剩下了正電荷.F上的正電荷立即傳到金屬殼的外表面.這樣,由于傳送帶的運(yùn)送,正電荷不斷從直流電源傳到球殼的外表面,從而金屬殼外表面的電荷不斷積累.

圖2 起電機(jī)示意圖

本環(huán)節(jié)教師通過小魔術(shù)的表演吸引學(xué)生的注意力,引發(fā)學(xué)生對(duì)魔術(shù)棒原理的思考.學(xué)生通過閱讀文本資料及構(gòu)建平面模型分析提煉有效信息,并提出相關(guān)問題,如“為何電刷E和F會(huì)放電”“為何F上的正電荷會(huì)立即傳到金屬殼的外表面”等,教師以此了解學(xué)生對(duì)核心概念的認(rèn)知起點(diǎn)即概念的經(jīng)驗(yàn)層級(jí),同時(shí)也生成了本節(jié)課所要解決的問題,即“電荷在導(dǎo)體上如何分布”.

環(huán)節(jié)2:提出猜想、實(shí)驗(yàn)探究——核心概念的映射層級(jí).

問題提出后,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)魔術(shù)棒原理的文本資料進(jìn)行猜想,得到關(guān)于電荷在導(dǎo)體上分布的兩個(gè)猜想:(1) 電荷只能分布在導(dǎo)體的外表面; (2) 越尖銳的位置電荷越密集.

接著教師將學(xué)生分組,指導(dǎo)學(xué)生以小組合作的形式,通過“方案設(shè)計(jì)→方案論證→方案實(shí)施→得出結(jié)論”的實(shí)驗(yàn)探究過程來驗(yàn)證猜想.同時(shí)教師通過搭建認(rèn)知支架幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)探究.

認(rèn)知支架1(問題鏈):選擇何種形狀的導(dǎo)體?→如何使導(dǎo)體帶電?→如何檢測電荷?→如何反映電荷分布的疏密程度?

認(rèn)知支架2:現(xiàn)在為每個(gè)小組提供了以下器材,請(qǐng)大家結(jié)合器材的種類設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來探究電荷在導(dǎo)體上的分布情況(如表2所示).

表2 電荷分布情況探究表

本環(huán)節(jié)學(xué)生以小組合作的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,并借助教師提供的認(rèn)知支架完成實(shí)驗(yàn)探究過程.該過程培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的物理核心素養(yǎng),同時(shí)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察到了靜電平衡條件下電荷分布在導(dǎo)體的外表面、越尖銳的位置電荷越密集等現(xiàn)象,建立起靜電平衡相關(guān)現(xiàn)象與靜電平衡術(shù)語間的映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了核心概念從經(jīng)驗(yàn)層級(jí)到映射層級(jí)的進(jìn)階.

環(huán)節(jié)3:構(gòu)建模型、理論論證——核心概念的關(guān)聯(lián)層級(jí).

在完成對(duì)猜想的實(shí)驗(yàn)探究后,教師通過搭建認(rèn)知支架引導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建物理模型(如圖3、圖4所示),運(yùn)用已掌握的相關(guān)理論對(duì)猜想進(jìn)行理論上的分析與論證.

圖3 金屬導(dǎo)體在場中的電子移動(dòng)過程

圖4 橢圓形導(dǎo)體電荷分布圖

猜想1:電荷只能分布在導(dǎo)體的外表面.

認(rèn)知支架1(問題鏈):研究何種形狀的導(dǎo)體?→選用何種起電方式?→導(dǎo)體處于何種電場中?

認(rèn)知支架2(問題鏈):電場最基本的性質(zhì)是什么?→金屬導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)如何?→將金屬導(dǎo)體放入電場中自由電子怎樣移動(dòng)?→自由電子會(huì)在什么地方積聚?→電子的積聚會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果?→最終會(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象(如圖3)?

猜想2:越尖銳的位置電荷越密集.

認(rèn)知支架3(問題鏈):研究何種形狀的導(dǎo)體?→選用何種起電方式?→假設(shè)電荷開始時(shí)如何分布?→選取哪個(gè)位置的電荷為研究對(duì)象?→電荷的受力是否平衡?→電荷將向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)(如圖4)?

本環(huán)節(jié)學(xué)生基于教師搭建的認(rèn)知支架,通過構(gòu)建模型、理論分析、邏輯推理等過程對(duì)猜想進(jìn)行論證.該過程鍛煉了學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等關(guān)鍵能力,培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維的物理核心素養(yǎng),同時(shí)學(xué)生通過該過程從理論上建立起靜電平衡各特征與靜電平衡術(shù)語間的邏輯關(guān)系,完成了核心概念從映射層級(jí)至關(guān)聯(lián)層級(jí)的進(jìn)階.

環(huán)節(jié)4:得出結(jié)論、理解應(yīng)用——核心概念的系統(tǒng)層級(jí).

在完成對(duì)猜想實(shí)驗(yàn)及理論的探究論證后,教師引導(dǎo)學(xué)生得出靜電平衡的概念及靜電平衡時(shí)電荷分布的特點(diǎn).接著教師分別演示靜電屏蔽與尖端放電實(shí)驗(yàn),并提出系列問題讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋.

演示實(shí)驗(yàn):(1) 靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)(法拉第籠)(如圖5所示).

圖5 法拉第籠

(2) 尖端放電實(shí)驗(yàn)(如圖6所示).

圖6 尖端放電實(shí)驗(yàn)

問題1:為何將驗(yàn)電羽放入法拉第籠中后,驗(yàn)電羽沒有張開?

問題2:高壓電線維護(hù)工人穿的防護(hù)服為何里面有金屬絲?

問題3:為何會(huì)產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象?

問題4:避雷針的工作原理是怎樣的?

本環(huán)節(jié)通過各種靜電現(xiàn)象的呈現(xiàn),讓學(xué)生運(yùn)用靜電平衡的概念對(duì)各靜電現(xiàn)象進(jìn)行解釋與分析,加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與應(yīng)用能力,使學(xué)生能從系統(tǒng)層面整體把握靜電平衡概念中各要素的相互關(guān)系,促使核心概念從關(guān)聯(lián)層級(jí)躍遷至系統(tǒng)層級(jí).

環(huán)節(jié)5:靈活遷移、拓展創(chuàng)新——核心概念的整合層級(jí).

在學(xué)生能夠從理論上對(duì)各種靜電現(xiàn)象進(jìn)行解釋后,教師進(jìn)一步拓展問題:“若將魔術(shù)棒置于金屬籠中,其產(chǎn)生的電場會(huì)對(duì)籠外產(chǎn)生影響嗎?”并通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,接著進(jìn)一步提出問題:“若要屏蔽空腔內(nèi)帶電體對(duì)外的影響,應(yīng)當(dāng)如何操作?”

演示實(shí)驗(yàn):法拉第籠中的魔術(shù)棒對(duì)籠外驗(yàn)電羽的作用(如圖7所示).

圖7 魔術(shù)棒與驗(yàn)電羽的相互作用

本環(huán)節(jié)在課堂核心問題解決的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展了問題,學(xué)生容易認(rèn)為法拉第籠也能屏蔽內(nèi)部帶電體對(duì)外的影響,但通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)并非如此,此時(shí)產(chǎn)生了認(rèn)知沖突,促使學(xué)生將靜電平衡、電場性質(zhì)與導(dǎo)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)(物質(zhì)觀)、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀等物理觀念相整合,再對(duì)問題進(jìn)一步深入分析,完成對(duì)原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的調(diào)整,也實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜電平衡核心概念從系統(tǒng)層級(jí)到整合層級(jí)的進(jìn)階.

3 總結(jié)與反思

本節(jié)課基于問題解決模型進(jìn)行概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué),根據(jù)科學(xué)概念理解的發(fā)展層級(jí)模型將核心概念分為經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合5個(gè)層級(jí),并將問題解決模型的5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)與概念的5個(gè)層級(jí)分別對(duì)應(yīng)(如圖8所示),讓學(xué)生在解決問題的過程中對(duì)核心概念的理解逐步加深,實(shí)現(xiàn)概念學(xué)習(xí)的進(jìn)階,同時(shí)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)也得到了鍛煉與提升.

圖8 教學(xué)環(huán)節(jié)與概念層級(jí)