SNP教學模式融入高中物理課堂教學的思考與實踐——以“庫侖定律”一節教學為例

丁 珂 錢長炎

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002)

模型建構和科學論證是近年來國外科學教育相關領域研究學者的關注熱題.而隨著我國新一輪高中物理課程標準的頒布,提出的物理學科核心素養也將模型建構和科學論證納入了科學思維方面.毫無疑問這將對我國高中物理課堂教學的實施產生巨大的影響.[1]但現階段由于對模型建構和科學論證教學缺少切實可行、行之有效的指導方案和評價方案使得物理教學在該方面的進展緩慢.鑒于此,本文結合國外相關文獻,提出將SNP(Science Negotiation Pedagogy)教學模式融入高中物理課堂教學,并且以“庫侖定律”一節為例作更為深入和具體的討論,希望可以為廣大物理教學研究人員帶來一些啟示和幫助.

1 SNP教學模式及其融入高中物理課堂教學的思考

SNP教學模式是國外學者Chen等人在生物課堂中致力于將建模活動納入論證語境開發的教學模式.[2]該模式的理論框架如圖1所示,此框架以大概念為核心指導,這里的大概念指的是組織整合某個學科內容的少數關鍵核心概念.[3]在大概念的指導下師生協商共同提出一個有代表性的問題以引領該核心概念的深入探究,在大概念和具體問題的引導下學生開始初步建構模型,使該模型既能表征大概念又能解決所提出的問題.學生隨后根據各自建構的模型開展論證,主要是通過對原始資料進行推理加工使其成為證據,支持自己對某一核心概念的主張,并能對上述提出的問題做出合理的解答.

圖1 SNP教學模式理論框架

SNP教學模式不僅能夠有效促進學生的模型建構能力、邏輯推理能力和批判思維能力,而且還能培養學生的小組合作能力和語言表達能力,在很大程度上有助于學生綜合能力素質的提高.令人慶幸的是,筆者發現該種模式在高中物理課堂教學中也能得到較好的適用.首先,物理學科有著豐富的模型與建模資源,其次該學科的發展本身就是經過無數次的爭論演變而成.由此看來,這些條件為SNP教學模式的實施奠定了良好的基礎.需要指出的是該模式的使用并非“拿來主義”,而是需結合相關課題的內容特點和學情,如是否有模型資源、建模的必要或開展論證的知識儲備等問題.下面,筆者將以“庫侖定律”一節為例,詳細闡述SNP教學模式融入該課題教學的具體實施情況,希望對相關物理教學研究者帶來有益的啟示.

2 SNP教學模式融入“庫侖定律”課堂教學的實踐探索

根據上述有關模型與論證整合的理論框架,可制定SNP教學模式在課堂中的具體展開流程,如圖2所示.從中可以看出該種教學模式更加注重學生建構知識的過程.對此,我們考慮將“庫侖定律”一節中有關“電荷間相互作用力大小影響因素的探究”和“庫侖定律歷史實驗的相關研究”合理地融入其中.通過引導學生利用橡膠棒建立模型探究驅動問題、口頭論證主張合理性、查閱庫侖扭秤和電擺相關史學材料以及反思寫作來完成該節課的學習.

圖2 SNP教學模式在課堂中的展開流程

2.1 設立驅動問題 引領探究活動

在理解自然現象時,識別問題是開展探究的第一步.在傳統的物理課堂中,教師往往通過設置一系列問題來引導學生思考,推動課堂教學,但這種方式可能難以使學生聚焦一節課的重點.因此,SNP教學模式提出使用單一、具體且明確的“驅動問題”作為探究活動開展的核心關鍵,既表征該單元的主題,又引領整節課的學習.

為了在“庫侖定律”教學中生成一個良好的驅動問題,教師可以提前準備相關實驗材料,要求學生演示簡單的小實驗如摩擦氣球使其隔空推動空易拉罐滾動,[4]或根據生活經驗表達他們對電荷間相互作用的初步認識.教師在此基礎上通過提出“電荷間的相互作用力是否有大小之分”引導學生深入思考,并且激發探究興趣.最終,師生共同討論和商量確定該節課的驅動問題為“電荷間的相互作用力與哪些因素有關,有什么關系”.

2.2 分組建構模型 探究驅動問題

該階段的主要目的是引導學生小組合作建構一個可以探究驅動問題的物理模型.教師首先將學生分組,并且發給每小組一個資料包,該資料包中有此節課堂活動的指導講義與相關實驗器材,如表1所示.在指導講義里通過點明物理觀念、聲明驅動問題,指出學習目標和強調安全注意事項來實現對該模式教學的引導.如此一來,學生既能在相互作用觀的引領下認識宏觀主題內容,又能通過模型建構的方式基于微觀視角開展探究學習.

表1 “庫侖定律”課堂指導講義

在此過程中由于學生首次建構模型可能會發覺現象并不符合預期,甚至不符合科學解釋,此時教師需及時發揮引導作用,即通過對學生展現的模型表示疑問來促進其模型的改善,如“我發現所有模型都利用了懸線將橡膠棒或玻璃棒懸起,雖然懸掛的方向不同,但這樣做的目的是什么呢?”待學生回答是為了“利用橡膠棒或玻璃棒的轉動表征力的作用大小”之后,教師進一步引導“怎樣才能使力的大小更加明顯地體現出來呢”……通過類似的表述促進學生進一步修改和完善他們的模型.

2.3 完成書面論證 構建初階論點

這一階段旨在讓學生利用各小組建構的模型作為工具,開展由主張、資料和推理組成的書面論證.教師此時只需鼓勵和引導學生利用他們所建構的模型生成相應的定性描述或推論并作出恰當的解釋即可.表2是教師為學生提前準備的書面論證指南,學生可根據論證指南中有關主張和證據的提示構建初階論證觀點.

表2 書面論證寫作指南

在此過程中,教師可通過詢問一些問題來探測學生的進程,例如“你們的模型中哪些證據證明了電荷間相互作用力與距離、電荷量有關?且根據你們的證據能說出他們之間的(定量)關系么”.由于第二個問題有一定難度,教師此時需要引導學生將電荷之間的相互作用與行星之間的作用類比,強調“類比”的思維方法,促使學生根據萬有引力定律做出相關定量假設.總之,在這一階段,教師的主要任務是確保學生建立的模型、證據與主張之間的統一性,以便能夠有效地在班級里開展口頭論證環節.

2.4 展開口頭論證 彼此交互模型

論證是科學發展的必經之路.因此,教師需要營造一個論證環境,使學生在其中分享、辯論、說服與合作.各小組在此階段向全班學生展示自己的模型和論點,經過質疑與批判,進一步修正和完善各自的模型與論點.與此同時,教師也是組成該論證活動的一部分,其引導水平與學生的論證水平共同決定著該種模式在課堂中的開展效果.對此,可通過表3所示的測評表對教師和學生的課堂論證水平進行評價和監控.

表3 基于SNP教學模式的課堂論證水平評價標準

圖3 “庫侖定律”一節模型演化示意圖

2.5 咨詢請教“專家” 了解“庫侖定律”

庫侖定律相關實驗及建立過程蘊藏著豐富的模型、方法以及科學精神,對學生科學思維的培養、科學本質的認識都能起到促進作用.教師首先展示庫侖扭稱實驗模型,如圖4(a)所示,[6]介紹其精密的儀器構造和巧妙的設計構想,隨后展示其核心組件構成的模型,如圖4(b)所示,在學生將自己的模型與庫侖扭秤對比,發現庫侖是利用金屬小球做的實驗之后,教師進一步類比力學中的“質點”指出“點電荷”模型在探討電荷間相互作用時的重要意義,以此強化理想模型在物理學科中的應用.此外,教師進一步擴展庫侖在當時沒有電荷量單位的情況下如何利用“對稱”的方法探究電荷量對電荷間作用力的影響,使得在顯化方法的教學過程中,加強對學生的思維教育.

圖4 庫侖扭秤及其模型示意圖

圖5 庫侖電擺示意圖

2.6 反思寫作 總結經驗 提高認識

最后通過寫作這一過程來幫助學生思考和總結“庫侖定律”一節內容.在該階段學生可以通過回想建立模型和形成論點過程中思想產生的變化,并深入思考是什么經歷和原因促使了這些變化的產生,以及他們對核心概念的理解又有了怎樣進一步的認識等.總的來說這個過程是學生通過對自己整節課的鞏固、反思以形成對知識的總結與升華.表4為寫作評價標準,用于評判和提高學生在課堂中反思性寫作的水平.

表4 科學課程中的寫作評價標準

在“庫侖定律”一節課中,實施這一評價標準不僅可以幫助學生理解什么是具有良好結構的主張,以及什么構成了較高質量的論證活動,而且教師可以通過學生的寫作了解其對該節知識的認識水平和層次,從而有針對性的提供幫助以促進學生對知識的深入理解.

3 小結與啟示

通過上述對SNP教學模式融入我國高中物理課堂教學的深入思考與實踐分析,筆者認為該模式為我國高中物理教學提供了一種新的教學思路.學生通過在核心概念的引導下建構模型、書面論證、口頭論證,“咨詢專家”驗證自己的模型和論點,并且進行反思性寫作以實現對整節課堂的總結.這種模式在很大程度上以思維的訓練帶動了物理觀念、科學探究和科學態度與責任的培養,對于物理學科核心素養整體目標的落實起到了促進作用.

在對SNP教學模式進行理論分析和應用摸索的過程中,筆者深深地感受到在我國基礎教育物理課程基本理念趨于轉型的重要時期,選擇合適恰當的教學模式和方式方法落實課程目標無疑是當務之急.這既關乎學生學習方式的轉變,又涉及課程與教學改革的有效推進,既是物理課程與教學相關研究者的重要責任也是偉大使命.