基于核心素養學習進階的 “楞次定律”教學改進實證研究

王 錒 瑪麗娜·阿西木汗 郭玉英

(1. 北京豐臺二中, 北京 100071; 2. 北京師范大學物理系, 北京 100875)

基于核心素養學習進階的“楞次定律”教學改進實證研究

王 錒1瑪麗娜·阿西木汗2郭玉英2

(1. 北京豐臺二中, 北京 100071; 2. 北京師范大學物理系, 北京 100875)

“楞次定律”是高中物理教學的難點．本研究用基于核心素養學習進階的教學設計模型改進了教學設計,將概念理解的進階與培養建模能力的過程進行整合．通過實驗班與對照班的教學過程及前、后測結果的比較,可以看出改進后的教學有效地突破了常規教學中的難點,是一個比較成功的創新案例．

高中物理;學習進階;楞次定律;教學改進

楞次定律是高中物理電磁感應主題中的重要內容,是教學中的重點和難點．在常規教學中,通常將螺線管和靈敏電流計組成閉合回路,在條形磁鐵插入或拔出螺線管時,根據靈敏電流計指針的變化,得出感應電流的方向,然后引導學生分析感應電流方向所遵循的規律．學生根據螺線管的繞向、電流表的擺動方向來判斷感應電流的方向已經很不容易,更難理解研究感應電流的方向卻要先研究感應電流磁場的方向,尤其不理解“阻礙”二字的由來及含義,建立對應的心智模型對學生來說有相當的困難．心智模型起源于個體對自身經驗與觀點的操作,心智模型的建立過程也是發展學生的建模能力的過程．本設計依據基于核心素養學習進階的教學設計模型對楞次定律這節課進行了教學改進．

1 基于核心素養學習進階的教學設計模型簡介

2004年,史密斯(Carol Smith)等學者代表“基礎教育階段科學學業成就評價委員會”向美國國家研究理事會(National Research Council)提交的報告中,學習進階(Learning Progressions)第一次在科學教育領域被正式提出．[1]目前,研究者對于學習進階已經給出了多種的定義與描述．一般而言,這些定義都認為“學習進階”可以用來描述學生對科學概念的不同理解水平．[2]郭玉英等基于對我國物理教學的實證研究建構了科學概念理解的發展層級模型(表1)和基于核心素養學習進階的科學教學設計模型(圖1)．[3]

表1 科學概念理解的發展層級模型

2 根據模型進行教學設計改進

本研究依據概念學習進階模型對楞次定律這節內容進行了概念進階的研究,并依據教學設計模型改進了教學設計．

2.1 基于進階的學情分析

2.1.1 需要建構的科學觀念

楞次定律是能量守恒在電磁感應中的具體表現,學生在力學部分學過機械能守恒定律,但不會從能量角度來分析電磁感應問題.本節課需要引導學生建構電磁運動中的能量守恒觀念．根據學生認知發展的難易規律和章節內容之間的相關性,改變了教材的順序,先講法拉第電磁感應定律,后講楞次定律．通過查閱物理學史資料,發現楞次定律的表述除人教版、教科版教材中描述的以外,還有另外一種表述:感應電流的效果總是要反抗引起感應電流的原因．這種表述更直觀,學生更容易理解．因此本節課采用楞次定律的兩種表述．

通過前測了解到學生原有的知識基礎(經驗水平):

(1) 知道產生感應電流的條件是閉合回路的磁通量發生變化;

(2) 會判斷具體情況下能否產生感應電流;

期望達成的理解水平(整合水平):

(1) 會用楞次定律判斷感應電流的方向;

(2) 知道楞次定律(阻礙)的實質:阻礙是能量守恒定律的必然結果．

2.1.2 希望培養的關鍵能力

本節課希望進一步培養學生的建模能力．以往的研究表明,高二的學生有一定的科學探究能力、分析、歸納能力．但是對高中生思維能力的研究指出:絕大多數高中二年級的學生在學習電磁學相關知識的過程中并不具備學習這部分知識所必須的形象思維能力及抽象思維能力,[4]形象思維能力和抽象思維能力與學生的心智模型發展有關．[5]學生的心智模型需要不斷修正完善,才能建立正確的科學模型.我國學生核心素養的培養要求也強調物理教育中建模能力發展的重要性,因此本節課教學重點關注學生建模能力的培養．

2.1.3 期望構建的整合關系

本節課期望構建楞次定律的概念學習進階與建模能力發展的整合設計．引導學生根據已學過的相關模型,解釋和預測電磁感應現象,并通過楞次定律判斷感應電流的方向,不斷修正已有模型,最終建構楞次定律的“阻礙”模型．

2.1.4 可能存在的中間狀態

本節課在學生的原有知識和期望達成的理解水平間可能有3個認知狀態和關鍵進階點．[6]L1: 針對問題情景觀察阻礙現象,選擇已學習過的感應電流模型來解釋實驗現象,初步建立感應電流的“阻礙”模型;在事實經驗和楞次定律間建立起簡單的聯系,屬于映射水平;L2:知道感應電流的效果總會阻礙引起感應電流的原因,推斷感應電流通過感應磁場與原磁場相互作用;建立感應磁場的“阻礙”模型,屬于關聯水平;L3:建立楞次定律概念模型,理解楞次定律的內容,把握住楞次定律的本質特征,屬于系統水平.

2.2 學習過程的設計和教學開發

邱美虹等人根據Halloun[7]的建模過程提出了建模教學的6個步驟: (1) 模型選擇； (2) 模型建立; (3) 模型的驗證; (4) 模型的應用; (5) 模型的調整; (6) 模型的重建．[8]本研究對此過程進行了適當簡化和順序調整,調整后的過程如下．

模型的選擇:根據測試結果確定學生已有的心智模型,通過恰當的驅動問題發展學生的心智模型．前測結果表明學生知道閉合回路中的磁通量變化會產生感應電流,閉合回路部分導體在磁場中做切割磁感線運動也能產生感應電流．因此學生已具有在不同情境中運用感應電流模型的能力．教學第一環節學生觀察“落磁”實驗,根據教師設計的驅動問題和真實的實驗活動,學生調用感應電流模型初步解釋阻礙效果:感應電流的效果阻礙相對運動．

模型的建立:建模教學過程設計以學生為中心,學生通過實驗探究活動和小組討論建構和完善自己的心智模型,在教師的引導下,建構楞次定律的“阻礙”模型,同時發展個人的建模能力．首先以小組為單位探究磁極變換與水平圓環的轉動方向之間的關系,小組討論結束之后,學生代表出來展示,口頭或文字的形式表征自己的模型,展示學生個人觀點會提高學生對自己心智模型的表征能力,同時糾正學生錯誤的心智模型.通過關鍵問題的設計引導學生分析解釋和論證自己的個人觀點以修正頑固的迷思概念.教師通過科技手段提供了表征圓環實驗的動畫模型,幫助學生正確畫出感應電流與感應電流磁場方向,學生可以用感應磁場模型來交流和解釋實驗現象,說明學生在感應電流的“阻礙”模型基礎上建立了感應磁場的“阻礙”模型．

模型的檢驗和調整:對于感應電流的產生原因部分學生還是用原來的切割磁感線模型．針對學生的迷思概念,緊接著設計沒有相對運動切割磁感線的電磁感應實驗,讓學生在教師引導下分析原磁場的變化與感應電流磁場的關系,再結合前面的實驗結論,調整學生原來頭腦中的切割磁感線模型,正確建構楞次定律的第二種表述:感應磁場的“阻礙”模型．

模型的應用和重建:整合能量守恒與楞次定律模型,建構學生的能量觀．最后教師引導學生從能量角度分析“落磁”實驗,進一步將學生能力提升到整合水平．假設感應電流不遵循楞次定律,產生的感應電流將促進相對運動,磁塊兒的速度越來越大,動能越來越大,感生電流也越來越大,而且沒有任何東西阻止這種增長,這與能量守恒定律發生了矛盾．由此證明楞次定律是能量守恒定律另一種表現形式．

下面的流程圖(見圖2)整合了學習過程的設計和教學開發,左側虛線框內由下到上是學生的概念理解水平及進階分析,右側是依據進階路徑設計進行的教學活動流程及學習任務．

圖2 “楞次定律”學習過程的設計及教學開發流程圖

3 改進前后的教學設計對比

在進行電磁感應這一章的教學之前,筆者對北京市某示范校高二年級全體理科學生進行了前測,對原始數據用Rasch模型進行數據分析,算出班級的平均能力值．根據學生前測多重比較結果選出兩個平行班．結果表明3班與4班之間的差異顯著性水平為0.635(表2),表明兩班能力差異不顯著,因此3班和4班可視為平行班．3班的平均能力值略高于4班,選4班作為實驗班,3班作為對照班．

表2 前測兩班能力值比較結果

實驗班和對照班同時教學,對照班的教師使用改進前的教學設計即常規教學模式,實驗班的教師用改進后的教學設計，如表3.

表3 改進前后的教學設計對比

4 實施效果分析

教學后對兩班進行了后測．后測題目有兩個,第1題考察楞次定律的簡單應用,判斷閉合圓環的磁場突然減少時的感應電流方向．第2題考察楞次定律在比較復雜情況下的應用,當磁條接近平行導軌時,判斷導軌上面的兩個金屬棒的運動情況和感應電流的方向．兩個題目的滿分均為3分．實驗班與對照班的測試成績如表4.

表4 學生得分統計表

可以看出無論是基礎題還是能力要求比較高的復雜題目實驗班都有明顯的優勢．兩道題差異比較大的是第二道題,能夠正確判斷a,b棒運動方向,并且說明了原磁場的磁通量變大或者感應電流要阻礙磁通量的變化得2分,只是正確判斷a,b棒運動方向,沒有說明或者說明錯誤得1分．對照班得2分以上的學生僅有33.4%,而實驗班得2分以上的學生人數占66.7%,說明實驗班的大部分學生對楞次定律的“阻礙”模型的應用能力比較強,而對照班的大部分學生還不能用模型解釋問題,只是根據記憶判斷感應電流方向,但不能用模型預測和解釋物理現象．測試結果證明這節課的教學改進有助于學生建構正確的楞次定律模型,同時發展了應用模型分析解釋問題的能力．

5 總結

科學概念理解的發展層級模型和基于核心素養學習進階的科學教學設計模型為一線教師改進教學提供了理論依據和操作指南．本研究側重發展學生的概念理解和科學建模能力,在教學設計中將兩者進行整合,設計了逐層進階的教學過程．教師精心設計有效的驅動問題和學習任務來引導學生,建模過程根據核心概念的進階水平調用建模過程的對應階段,逐步修正學生原有的心智模型,建構正確的楞次定律的科學模型．在模型的建構和檢驗使用上花費的時間比較長,主要為了發展學生的建模能力．物理核心素養要求的其他能力的發展也可以和科學概念的進階發展整合培養,如科學論證、科學推理等,有待中學物理教師在實施新課程標準的過程中進一步嘗試,同時希望在實踐過程中對本團隊提出的教學模型進行檢驗和修正．

基于核心素養學習進階的教學根據學生實際情況確定進階路徑,因此同一課題的教學可以有不同的教學設計,但都應以學生核心素養發展為總目標．教師需要關注物理觀念和科學思維能力的整合發展,真正把物理核心素養落實在每一節課的教學之中．

1 姚建欣,郭玉英.為學生認知發展建模:學習進階十年研究回顧及展望[J]. 教育學報，2014(05):35-42.

2 魏昕.中學物理“能量”概念的學習進階研究[D].北京： 北京師范大學, 2014.

3 郭玉英,姚建欣. 基于核心素養學習進階的科學教學設計[J]. 課程·教材·教法，2016(11): 64-70.

4 喬際平. 物理學習心理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1991.

5 何春生，郭玉英.基于學習進階的課堂教學設計與實踐——以“功”為例[J].物理教師，2016(10)： 23-26.

6 R S Justi, J K Gilbert. Modelling, teachers’ views on the nature of modelling, and implications for the education of modellers[J]. International Journal of Science Education. 2002, 24(4):369-387.

7 I Halloun. Schematic modeling for meaningful learning of physics[J]. Journal of Research in Science Teaching. 1996, 33(9): 1019-1041.

8 張志康,邱美虹. 建模能力分析指標的發展與應用——以電化學為例[J]. 科學教育學刊，2009,4(17): 319-342.

本文系教育部人文社會科學研究規劃基金項目“基于科學概念學習進階的教學設計模型研究”(項目批準號:13YJA880022)的研究成果．

2017-04-12)