巧設(shè)實驗?zāi)Ｐ椭骶€ 凸顯思維的“有效進階”
——“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”復(fù)習(xí)課回眸

曹 會

(江蘇省外國語學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

巧設(shè)實驗?zāi)Ｐ椭骶€凸顯思維的“有效進階”
——“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”復(fù)習(xí)課回眸

曹 會

(江蘇省外國語學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

針對習(xí)題課教學(xué)中思維如何得到有效進階,依托“專題復(fù)習(xí)”嘗試“四主”教學(xué)模式,以“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”教學(xué)為例,巧設(shè)實驗方案主線,搭建清晰的“模型之階”,讓學(xué)生“拾階而上”,在觀點分享中實現(xiàn)“思維進階”,實現(xiàn)學(xué)生思維方式的連續(xù)且不斷地精致化,即實現(xiàn)學(xué)習(xí)的有效進階,發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

實驗?zāi)Ｐ?“四主”教學(xué)模式;思維進階;電源的電動勢和內(nèi)阻

1 問題提出

美國教育家布盧姆按照認知的復(fù)雜程度,將思維過程具體化為6個教學(xué)目標,由低到高包括記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價.前3個通常被稱為低階思維,后3個通常被稱為高階思維.其后高階思維又被修訂為分析、評價和創(chuàng)造.這一分類,為教師在教學(xué)實踐中將高階思維能力的發(fā)展與具體的課程和教學(xué)有效整合起來提供了一種便利的圖式.[1]

美國國家研究理事會(NRC)將學(xué)習(xí)進階定義為:“學(xué)習(xí)進階是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述.在一個適當?shù)臅r間跨度下,學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要知識或?qū)嵺`領(lǐng)域時,思維方式逐漸進階.”[2]這一理論的現(xiàn)有研究成果表明,構(gòu)建層次清晰的知識結(jié)構(gòu),然后根據(jù)學(xué)生認知思維發(fā)展“進階”的特點,構(gòu)建基于學(xué)生視角的、清晰的“階”是課堂設(shè)計的關(guān)鍵.

從布盧姆對思維過程的分類及NRC對學(xué)習(xí)進階的定義可以發(fā)現(xiàn)“思維進階”應(yīng)是課堂教學(xué)的核心價值取向.這也符合當下物理核心素養(yǎng)目標的訴求.筆者近些年嘗試在專題復(fù)習(xí)課中整合變式的習(xí)題資源,巧設(shè)主線搭建臺階,汲取鮮活的課堂思維資源,讓學(xué)生拾階而上自主建構(gòu),試圖構(gòu)建以“核心素養(yǎng)為主旨,學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),情境演進為主線”的“四主”教學(xué)模式.筆者執(zhí)教的“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”專題復(fù)習(xí)課在江蘇省“教學(xué)新時空·名師課堂”進行了“四主”教學(xué)模式一次嘗試.結(jié)合專家及在線老師的討論意見特整理成文與各位分享.

2 案例呈現(xiàn)及評估

2.1 運用熟悉的實驗?zāi)Ｐ?喚醒學(xué)生的再現(xiàn)性思維

情景1.(情景原形:2014年北京高考第21題)如圖1,我們測1節(jié)干電池的電路圖是用甲圖還是乙圖?

圖1 方案1實驗?zāi)Ｐ?/p>

學(xué)生:甲圖.

教師:乙圖可以嗎?

學(xué)生:不行.

教師:原因是什么?

學(xué)生:用乙圖誤差會比較大,(干電池內(nèi)阻較小)電流表分壓明顯.

教師:難道甲圖就沒有誤差了嗎?

學(xué)生:甲圖的誤差是電壓表分流造成的,(電壓表內(nèi)阻較大)誤差會小一點.

教師:其實你思考的依據(jù)是不是E=U+Ir(是的),這里的U和I分別代表怎樣的物理意義?

學(xué)生:路端電壓和干路電流.

教師:再來看甲圖和乙圖就可以發(fā)現(xiàn),甲圖電流表測的不是干路電流,乙圖電壓表測的不是路端電壓.

教師:若要進一步進行數(shù)據(jù)處理,我們選用公式法還是圖像法(圖像法)?畫哪兩個物理量之間的圖像?是什么關(guān)系?

學(xué)生:U-I間關(guān)系圖像,一次函數(shù)關(guān)系,也就是線性關(guān)系(線性表達式為U=E-rI).

教師:通過這個線性圖像如何得到電源電動勢和內(nèi)阻?

學(xué)生:縱截距等于電動勢,斜率的絕對值等于電源的內(nèi)阻.

情景2.(情景原形:2012年重慶高考第22題)某中學(xué)生課外科技活動小組利用銅片、鋅片和家鄉(xiāng)盛產(chǎn)的柑橙做了果汁電池,他們測量這種電池的電動勢E和內(nèi)阻r,并探究電極間距對E和r的影響.實驗電路如圖2所示.請你根據(jù)圖像(如圖3中d圖線)求該間距時實驗所對應(yīng)的電源電動勢和內(nèi)阻.

圖2 果汁電池測量電路

學(xué)生:電動勢是0.98 V,內(nèi)阻是1000 Ω.

教師:如圖3是該小組依次減小極板間距進行實驗描繪出的圖像,根據(jù)圖像你能夠得到怎樣的實驗結(jié)論?

圖3 果汁電池外特性曲線

學(xué)生:減小極板間距,電源電動勢不變,而內(nèi)阻變大.

環(huán)節(jié)評估.再現(xiàn)性思維(重復(fù)性思維),是沿用過去在類似的情境中,自己或他人曾經(jīng)使用過的方法進行思考,即是沿用過去已有的思維方法.[3]再現(xiàn)性思維是創(chuàng)造性思維的基礎(chǔ),習(xí)題課最大的特點之一是學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)有了了解和記憶,已初步形成了一定的思維定勢,對知識和思維方法或許有些生疏和遺忘,所以喚醒再現(xiàn)性思維是習(xí)題課必要的教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)設(shè)計技巧.

本環(huán)節(jié)不僅要喚醒“是什么(記憶性知識)”、還要喚醒“為什么(再現(xiàn)性思維)”.以熟悉的實驗?zāi)Ｐ蜑檩d體,通過一對一、一對多的師生對話方式,喚醒基本知識(實驗?zāi)Ｐ汀⒄`差分析、數(shù)據(jù)處理方法),明晰思維內(nèi)核(原理表達式及其中U和I的物理意義),形成問題解決的策略路徑(電路圖-原理式-線性式-圖像法).變換新的情景讓學(xué)生對喚醒的知識和定勢思維進行簡單應(yīng)用,通過生生互評暴露問題所在,鍛煉思維的嚴謹性和深刻性.

2.2 運用變式的實驗?zāi)Ｐ?分享學(xué)生的差異性思維

問題:是否還可以設(shè)計其他實驗方案來測量果汁電池的電動勢和內(nèi)阻呢?

學(xué)生:討論、板演(方案2如圖4、方案3如圖5).

圖4 方案2電路圖 圖5 方案3電路圖

教師:請你們寫出兩種方案的原理表達式并說出其中主要符號的物理意義,分別需要測量哪些物理量?

學(xué)生A(方案2):原理式為E=I(R+r),其中R即為電阻箱的電阻,代表外電路總電阻,這種方案只需要測量電阻R及電流表電流I.

圖6 水果電池實驗

情景3.(情景原形:獼猴桃水果電池實驗)如圖6,你們看一看教師用的是哪一種實驗方案啊?

學(xué)生:方案2.

教師:是的,我測得的實驗數(shù)據(jù)如表1所示,這種方案如何運用圖像法求電源電動勢及內(nèi)阻,畫哪兩個物理量之間的圖像呢?

表1 獼猴桃水果電池實驗實驗數(shù)據(jù)

學(xué)生A:可以畫I-R關(guān)系,是反比例關(guān)系.

教師:(教師輔助展示Excel數(shù)據(jù)處理的圖像如圖7所示)是曲線,根據(jù)原理表達式看看是反比例關(guān)系嗎?根據(jù)圖像能直接求出電動勢和內(nèi)阻嗎?

圖7 方案2的I-R圖像

學(xué)生A:從原理式角度來看,這個圖線并不是反比例關(guān)系圖線,也不能直接求出電動勢及內(nèi)阻.

教師:的確不是反比例關(guān)系,但如果利用數(shù)學(xué)擬合軟件進行公式擬合的話,還是可以求出電動勢和內(nèi)阻,但我們高中階段盡量嘗試找出線性關(guān)系,是否可以化曲為直呢?

教師:(教師進一步展示運用Excel數(shù)據(jù)處理的圖像分別如圖8、9所示)對比這兩種線性關(guān)系數(shù)據(jù)處理關(guān)系方案,從簡單方便的角度考慮,哪一種方案更好些呢?

學(xué)生B:我的方案(如圖8)更好,根據(jù)這種線性關(guān)系直接可以得到E(斜率)和r(截距),另外一種還需要進一步換算.

教師:說得好,另外一種方案(如圖9)需要進一步換算,的確有點煩,我們物理人追求簡單.

……

圖8 方案2的R-1/I圖像

圖9 方案2的1/I-R圖像

環(huán)節(jié)評估.差異性思維,是相對于單一性思維而言的,是對同一個問題或事物存在多種不同的思維方式或看法,可能是對錯差異、優(yōu)劣差異、粗糙與精致差異,還可能是不同視角所帶來的認知差異.差異性思維具有客觀性、普遍性及互補性等特點,是班級課堂教學(xué)形式下寶貴的生成性課程資源.教師選擇代表性的差異性思維資源,組織學(xué)生分享、討論,在分享中實現(xiàn)差異性思維的碰撞,點燃學(xué)生思維的火花,在同伴欣賞的目光中呈現(xiàn)或培育學(xué)生亮點思維,在討論中力圖學(xué)生的思維由粗糙走向精致,從不全面、不完善甚至錯誤的思維逐步走向全面、完善和正確的思維,從而生成精彩而有效的教學(xué)片段.

本環(huán)節(jié)通過方案設(shè)計的形式進一步喚醒另外兩種常見方案的再現(xiàn)性思維(方案2、3).接著運用原始實驗情景激發(fā)學(xué)生探究的欲望,學(xué)生在思考數(shù)據(jù)處理方案的過程中,教師巡視中尋找典型的差異性思維資源,基于學(xué)生思維呈現(xiàn)3種不同的數(shù)據(jù)處理方法,組織成學(xué)生思維進階序列,運用說題、計算機擬合、板演等技術(shù)手段分享學(xué)生的差異性思維并實現(xiàn)對比分析評價,最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方案自然地浮出水面.

2.3 運用異化的實驗?zāi)Ｐ?點亮學(xué)生的創(chuàng)造性思維

情景4.(情景原形:近些年高考實驗?zāi)Ｐ?如圖10,2015年江蘇高考電學(xué)實驗(以下簡稱年份+地名)相當于方案1的實驗?zāi)Ｐ?只不過外電路中串聯(lián)了一個保護電阻,2010年上海相當于……方案3的實驗?zāi)Ｐ?只不過把原來的電壓表換成了電壓傳感器,2009年北京就是……方案2的實驗?zāi)Ｐ?

教師:2009年重慶相當于第幾種方案呢?

學(xué)生:方案3、方案1……

圖10 多變歸一

教師:等效為方案1更有道理,但我們沒有必要繼續(xù)等效下去,關(guān)鍵是要找到它的原理表達式是什么?

教師:能繼續(xù)整理出線性表達式嗎?又如何求出電動勢和內(nèi)阻?

教師:按照這種思路,2014年福建及2010江蘇也可以根據(jù)原理表達式寫出線性表達式并進一步根據(jù)圖像求出電源電動勢及內(nèi)阻,請你們分別給出這兩個實驗?zāi)Ｐ偷木€性表達式,試試看.

教師:這么多的實驗方案經(jīng)過梳理,我們會發(fā)現(xiàn)無論分析方案、設(shè)計方案、數(shù)據(jù)處理還是誤差分析,都應(yīng)該追溯到最簡單的原理表達式……

學(xué)生:E=U+Ir，E=IR+Ir.

教師:哪一個更原始?

學(xué)生:第一個.

教師:其實第二個更原始,第一個是第二個從能量關(guān)系推導(dǎo)出來的.第二個表達式又是由誰(宗)推出來的?

環(huán)節(jié)評估.創(chuàng)造性思維是相對于再現(xiàn)性思維(重復(fù)性思維)而言的,從功能上看就是指具有創(chuàng)新功能的思維活動,從結(jié)果上看就是指產(chǎn)生創(chuàng)造性新成果的思維活動,即指達到前所未有的新認知水平的思維活動.這種思維是對已有思維的揚棄,只有可供借鑒的思維程序與方法,而沒有完全能照搬套用的現(xiàn)成的思維程序與方法,對所要解決的問題靠重復(fù)、模仿等都無濟于事.[4]創(chuàng)造性思維是發(fā)散思維和收斂思維的辯證統(tǒng)一,是創(chuàng)造想象和現(xiàn)實的有機結(jié)合,是抽象思維和靈感思維的對立統(tǒng)一.通過創(chuàng)造性思維,不僅可以揭示客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律,還可以促成具有新穎性、獨特的、非重復(fù)性、超越性及價值性等特點的思維成果的出現(xiàn).

本環(huán)節(jié)教學(xué)話題從上一環(huán)節(jié)“變式模型”進一步演化為“異化模型”,誘使思維也逐漸由“差異性思維”演進為“創(chuàng)造性思維”,思維逐步從發(fā)散走向收斂,直指變式及異化模型的思維原點——閉合電路歐姆定律,凸顯變式問題處理的核心思想方法:抓住問題本質(zhì),從基本規(guī)律出發(fā),少記模型,少記二級三級結(jié)論,同時體驗“萬變不離其宗”的物理簡潔美.在此過程中異化模型的等效及方法的遷移是創(chuàng)造性思維,從復(fù)雜的異化模型中提煉出簡單的前所未有的思維方法是創(chuàng)造性思維,創(chuàng)造思維的培育運用了圖示比較、類比遷移、集中性整理、抽象綜合等技術(shù)手段,摒棄靠直覺經(jīng)驗判斷、想當然推理的簡單思維模式.運用思維地圖工具組織思維活動,實踐證明能夠使碎片知識系統(tǒng)化,系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)化,結(jié)構(gòu)知識圖示化,更便于創(chuàng)造性(高階)思維能力的培養(yǎng).

3 教學(xué)反思

物理習(xí)題教學(xué)是一種重要的實踐活動,作為專題復(fù)習(xí)課更要從課程觀高度認識,注重課程四要素:目標、內(nèi)容、實施、評價.課程目標定位上回避機械應(yīng)試,注重知識和方法的歸納整理,注重物理模型的構(gòu)建及類比,注重高階思維能力的培育及學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成;課程內(nèi)容上回避高考題目的簡單堆積,要巧設(shè)情境演進的主線,教學(xué)內(nèi)容有序進階,要有選材(根據(jù)考綱及學(xué)生認知基礎(chǔ)等)、加工(稀釋還原:習(xí)題問題化,問題情景化等)、整合(變式、銜接等)必要的習(xí)題課備課程序;課程實施上回避題海戰(zhàn)術(shù),要真正做到學(xué)生為主體,在課堂上積極地呈現(xiàn)學(xué)生思維,特別注重學(xué)生再現(xiàn)性思維的喚醒,錯誤思維的糾正,差異思維的思辨,亮點思維的培育;課程評價上回避簡單粗暴,注重課堂的即時反饋,注重生生互評,注重發(fā)展性評價.在四要素中合理發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用.本次習(xí)題教學(xué)的實踐研究僅是對“四主”教學(xué)模式的一次嘗試.這種教學(xué)模式的構(gòu)建仍需從教學(xué)題材的廣度、認知科學(xué)的理論深度及教學(xué)實踐的效度上進一步系統(tǒng)地深入研究.

1 王帥. 國外高階思維及其教學(xué)方式[J]. 上海教育科研,2011(9):31-34.

2 曹會,牛振華. 巧設(shè)實驗主線 凸顯學(xué)習(xí)的“有效進階”[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016(8):24-28.

3 寧鴻彬.創(chuàng)造性思維能力訓(xùn)練舉隅[J].語文教學(xué)通訊,1987(10):4-7.

4 孔慶新,孔憲毅. 試論創(chuàng)造性思維的定義、特點、分類、規(guī)律[J]. 科學(xué)技術(shù)與辯證法,2008(4):25-31.

江蘇省“十三五”教育規(guī)劃立項課題“基于認知科學(xué)的高中物理‘四主’教學(xué)模式的構(gòu)建及研究”(C-c/2016/02/106)； 江蘇省“十三五”教育規(guī)劃重點課題“課題研究課范式建構(gòu)的實踐研究”(B-b/2016/02/126).

2017-06-30)