以“圖式模型”為思維起點　促進核心概念理解的復習設計

何方送

摘 要：浙教版《科學》是一門綜合性學科，知識點多，涉及面廣.如何在有限的時間內(nèi)提高中考復習效率？本文抓住“歐姆定律”“伏安法測電阻”“測小燈泡的額定功率”實驗探究都有一個相似的電路圖模型作為思維的起點.采用隨機進入教學模式，圍繞“電路圖模型”幫助學生回憶實驗探究過程，深層次理解核心概念之間的異同點，重構知識體系，提高中考復習效率.

關鍵詞：圖像模型;隨機進入教學;核心概念;中考復習

文章編號：1008-4134（2019）14-0025中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

《科學（2014年版）》指出：一個模型可以是一幅圖、一張表或計算機圖像，也可以是一個復雜的對象或過程的示意.科學研究中，人們通過一定的科學方法、建立一個適當?shù)哪Ｐ蛠泶婧头磻陀^對象，并通過研究這個模型來揭示客觀對象的形態(tài)、特征和本質(zhì)，這是一個建模的過程，這樣的方法就是模型方法.可見，模型方法是一種學生探究科學知識過程中必須掌握運用的科學方法.綜觀歷年中考試題，大量的圖表題就足以說明“模型認知”教學的重要性.在中考復習課中，如何利用有限的復習時間幫助學生把眾多的知識點進行串聯(lián)并系統(tǒng)化？筆者認為，以“圖式模型”為學生思維起點進行歸類復習不失為一種行之有效的復習方法.本文一個電路圖作為學生思維的起點，完成幾個電學核心概念的復習教學設計，以供同行探討、交流.

1 挖掘核心概念內(nèi)涵，構建“圖式模型”

學科核心概念是位于學科中心的概念性知識，是學科結構的主干部分，學生對核心概念的理解直接影響其對整個學科的理解.不難理解中考復習為什么要緊扣核心概念進行教學，因為核心概念的學習過程是培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)最本質(zhì)的途徑，它們是核心考點.如何高效進行核心概念的中考復習？仁者見仁，智者見智.筆者認為，一門學科是一個完整的知識體系，這個體系由若干個知識板塊構成，而這些板塊本身就是小知識體系，其骨架的主體部分就是核心概念構建的.只要我們認真挖掘核心概念的內(nèi)涵，找出其內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，這個本質(zhì)聯(lián)系就是“圖式模型”的原點，也是復習教學過程中啟發(fā)學生思維的起點.

“歐姆定律”“伏安法測電阻”“測小燈泡的額定功率”都是電學的核心概念知識，也是中考探究題的高頻考點.“歐姆定律”是電學知識的基石，“伏安法測電阻”是“歐姆定律”的具體應用，而“測小燈泡的額定功率”是在“歐姆定律”基礎上進一步揭示電能轉化的原理和規(guī)律，所以“歐姆定律”探究實驗的設計思路就是后面幾個實驗探究教學的思維原點，圖1正是這個思維原點的“圖式模型”，也是復習課中勾起學生回顧實驗過程，重新深層次理解核心概念的思維起點.學生通過圖1觀察很直觀知道實驗所需要的器材，這些器材能測什么值？操作要點？能夠馬上就想起圖1設計所做的探究實驗.這種低起點的思維方式為學生有話可說、知識點相對能說完整提供了可能，為后續(xù)的隨機進入教學創(chuàng)造了良好的課堂情景，師生互動有了契機.

2 以“圖式模型”為表征，隨機切入教學

美國心理學家布盧姆說過：“學習的最大動力，是對學習材料的興趣.”如何再現(xiàn)舊知識，讓學生有興趣學是每個教師最煩腦的事情.無新花樣的炒冷飯絕對勾不起學生的“食欲”，談不上“營養(yǎng)吸收”，更不用說“高效復習”.

圖式理論主要研究知識是如何表征的，怎樣的表征方式有利于知識的理解.圖1是新課探究實驗教學中學生設計的實驗方案，使學生知道為什么要設計這個電路圖進行科學探究，如何控制變量進行實驗探究等等知識問題.在復習課中，圖1就成了一幅“圖式模型”，一種思維工具，是用來組織與表征知識的工具，是炒新式冷飯的“鏟”.這把“鏟”要依據(jù)吃飯者的口味要求，隨機炒出新式冷飯.也就是說，讓學習者可以隨意通過不同途徑、不同方式進入同樣教學內(nèi)容的學習，從而獲得對同一事物或同一問題的多方面的認識與理解，這就是“隨機進入教學模式”，是建構主義教學理論下的一種教學模式.

【創(chuàng)設問題情境】今天我們一起復習電學中重要的幾個探究實驗的相關知識，同學們看一下這個電路圖（如圖1所示），通過它可以探究哪些科學問題？得到哪些實驗結果？比一比同學們提取舊知識的快慢.

【設計意圖】贊科夫說：“對所學知識內(nèi)容的興趣可能成為學習動機.”通過問題情景的創(chuàng)設，依據(jù)“圖式模型”饒有興趣勾起學生回顧知識點，有競爭意味地讓學生先說、多說.并不斷追問：“同學再仔細觀察圖1，還能做什么實驗？”然后按照學生回憶知識的先后順序，隨機進入相關知識內(nèi)容的復習整理.

【隨機進入1】研究電流與電壓的關系：以圖1為切入點，通過不斷追問讓學生回憶知識點.

（1）需要哪些器材？連接電路時應注意什么？（開關斷開，滑動變阻器位于最大值）

（2）研究電流與電壓關系時，需要控制哪個量不變（保持R的阻值不變）？這種研究方法叫什么（控制變量法）？測幾組數(shù)據(jù)，為什么？（讓學生弄清知識易錯點：“伏安法測電阻”多次測量的目的是為了求電阻平均值，減少實驗誤差，而研究電流與電阻的關系”多次測量的目的是為了找出二者之間的關系，防止實驗的偶然性.）

【隨機進入2】研究電流與電阻的關系：以圖1為切入點，通過不斷追問讓學生回憶知識點.

（1）需要哪些器材？連接電路時應注意什么？（開關斷開，滑動變阻器位于最大值）

（2）如何研究電流與電阻的關系？控制什么量不變（U不變）？當你把5Ω換成10Ω時，如何保持電阻兩端電壓（假設2V）不變？（小組討論突破難點：如何正確選擇滑動變阻器？）

歸納：通過研究電流與電壓、電阻的關系，能得出什么規(guī)律？哪位同學回憶一下歐姆定律內(nèi)容？數(shù)學表達式？在應用歐姆定律公式時，應注意什么？（I、U、R必須是同一段導體、同一時間的對應量，即同體性、同時性）.

【隨機進入3】伏安法測電阻：以圖1為切入點，通過不斷追問讓學生回憶知識點.

（1）實驗原理（公式）？

（2）需要什么器材？

（3）依據(jù)電路圖，想一想實驗步驟：連接電路時注意什么？（開關斷開，滑動變阻器位于最大值）滑動變阻器起什么作用？（保護電路、改變R兩端電壓和電路中的電流）測一組數(shù)據(jù)可以嗎？為什么要多次測量？（求出R的平均值，減少實驗誤差）

（4）若把圖1中的定值電阻R換成小燈泡如圖2所示，測出的電阻值會出現(xiàn)怎樣的結果？

【隨機進入4】測小燈泡的額定功率：以圖1為切入點（定值電阻換成小燈泡）回憶知識點.

（1）下面我們再回憶一下測小燈泡的額定功率又有什么不同？（原理不同，P=UI）

（2）還有什么不同？（改變滑動變阻器，讀出電壓表等于額定電壓時電流表的示數(shù)）

（3）需要多次測量嗎？（不需要）為什么？（因為我們測的是額定電壓下的實際功率）

【課堂反饋】在實際教學中，學生依據(jù)圖1較快回憶“研究電流與電壓的關系”“研究電流與電阻的關系”“歐姆定律”“伏安法測電阻”相關實驗知識，學生爭著發(fā)言，課堂氣氛活躍.當老師提出“若把圖1中的定值電阻R換成小燈泡如圖2所示，測出的電阻值會出現(xiàn)怎樣的結果？”時，馬上就有同學舉手回答：“圖2還可以測小燈炮的額定功率.”受此啟發(fā)，個別同學通過圖1知識的遷移還聯(lián)想到“研究串聯(lián)電路電流、電壓特點”“焦耳定律”等知識，給老師今后的教學備課留下無限想象的空間.

【總結提升】四方面知識學習完畢后，通過歸納總結出如圖3所示的知識結構，以圖式模型的形式呈現(xiàn)核心概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，使思維可視化.這種更直觀、更系統(tǒng)、邏輯性更好的圖式模型作為思維的起點，能有效促進學生形成深層次理解核心概念的思維方式，達到事半功倍的復習效果.課后布置作業(yè)：在圖3基礎上，以思維導圖形式完成四方面知識點的補充.若課時充足，則可以再展示學生的思維導圖，互相評價、補充完善知識結構等.教無定法，貴在得法，目標只有一個：讓學生學會復習整理.

3 找“圖式模型”對接口，探究考點新動向

【過渡】剛才我們一起回顧整理了“研究電流與電壓的關系”“研究電流與電阻的關系”“伏安法測電阻”“測小燈泡的額定功率”四方面知識的重新回顧建構.那么中考考什么？主要考二個方面：一是考電路連接;二是考實驗數(shù)據(jù)的分析處理.（緊扣核心知識點，突破考題難點進行復習）

【高頻考點1】電路連接

（1）連接電路時，開關斷開，滑動變阻器位于最大值.

（2）實驗異常現(xiàn)象的分析處理.

①電表指針反向？

②電流表無讀數(shù)，電壓表有讀數(shù)？（電阻R或小燈泡斷路）

③電流表有讀數(shù)，電壓表無讀數(shù)？（定值電阻R短路或電壓表斷路（或短路））

④在做電流與電阻關系實驗時，有時會出現(xiàn)無論怎樣調(diào)節(jié)滑動變阻器，電壓表示數(shù)都達不到實驗要求（保持2伏不變）？（滑動變阻器的選擇有要求）

例1 （2017·黃石）小華同學用“伏安法”來測量一只阻值約為5 Ω的定值電阻Rx，實驗室有如下器材供選用：

A.兩節(jié)干電池

B.開關一個和導線若干

C.電壓表（0～3～15 V）

D.電流表（0～0.6～3 A）

E.滑動變阻器（0～10 Ω）

F.滑動變阻器（0～100 Ω）

（1）小華同學完成實驗電路設計后，為了操作順利和方便，除了A、B、C和D外，小華同學還需選用_________（選填“E”或“F”）器材.

（2）根據(jù)設計的實驗電路要求，請用筆畫線代替導線連接圖甲中最后的兩根導線.

（3）如圖甲所示，連接好電路.在閉合開關前，為保護電路，滑動變阻器的滑片P應該滑至_________（選填“G”或“H”）端.

（4）小華在閉合開關后，移動滑動變阻器的滑片P時，發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)始終為零，而電壓表有示數(shù)但不發(fā)生變化，此時電路中的一處故障是_________.

（5）排除故障后，電流表示數(shù)為0.40 A，電壓表示數(shù)如乙圖所示，則本次實驗測得的定值電阻Rx是_________Ω.

【選題意圖】通過此題訓練，鞏固實驗器材的正確選擇并連接、電表的正確使用及故障的判斷等基礎知識.

例2 （2017臺州）小柯利用如圖5所示的電路研究電流與電阻的關系，已知電源電壓為6V且保持不變.實驗所用電阻R的阻值分別為5Ω、10Ω、20Ω，滑動變阻器的規(guī)格為“30Ω 2A”.

（2）小柯將5歐的電阻接入電路，閉合開關，調(diào)節(jié)滑動變阻器使電壓表示數(shù)為2V，讀出相應的電流值記錄在表1中，然后更換電阻重復上述實驗.當接入20Ω的電阻時，發(fā)現(xiàn)無論怎樣調(diào)節(jié)滑動變阻器，電壓表示數(shù)都無法達到2V，其原因是.

【選題意圖】如何依據(jù)實驗要求，正確選擇滑動變阻器是中考的失分點.選擇此題意在突破這一難點_________.

【高頻考點2】實驗數(shù)據(jù)的分析處理

【教學片斷】

下面為“伏安法測電阻”實驗記錄，見表2和表3.

問題1：把表2、表3中數(shù)據(jù)與圖6中a、b、c圖像對應起來，并說出依據(jù).

【設計意圖】（1）通過對比讓學生明白小燈泡的電阻隨溫度變化而發(fā)生改變;（2）讓學生明白除通過表格數(shù)據(jù)直接分析可以得出結論外，其實分析數(shù)據(jù)的手段有多種，如坐標圖、圓餅圖、柱狀圖等，都能直觀反映出數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關系;（3）表格數(shù)據(jù)是非連續(xù)性的，而坐標圖數(shù)據(jù)是連續(xù)的.比方說，表2、表3兩張表格，把它們轉化成坐標圖，很直觀就能看出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律.

問題2：依據(jù)表2數(shù)據(jù)，我們通過求平均值的方法得出R的阻值.那么表3數(shù)據(jù)能否用平均值的方法得出R的阻值？

【設計意圖】歐姆定律是電學的基石，也是易錯點.通過此題讓學生進一步鞏固運用歐姆定律時公式中的U和I是指同一導體，同一時刻的電流和電壓值，不可混用的道理.

問題3：如果表3數(shù)據(jù)是通過測量額定電壓為2.5伏的小燈泡的電阻得到的，但由于小柯粗心，忘記測量小燈泡正常發(fā)光時電流值，那么你有方法不通過重新實驗算出小燈泡正常發(fā)光時的電阻嗎？小妍通過認真思考后，解決了這個問題.

【設計意圖】訓練學生逆向思維能力，實際課堂正象預設一樣，學生卡住了.在教師引導下，通過小組討論，當把表3數(shù)據(jù)轉化為坐標（如圖7所示），學生恍然大悟.R=2.5V/0.25A=10Ω.在此啟發(fā)下，問題4迎刃而解，達到觸類旁通的教學效果.

問題4：同時，小妍還進一步發(fā)現(xiàn)，在“測量小燈泡的額定功率”實驗時，如果忘記測量，那么同樣可以用此方法求出小燈泡的額定功率_________.（由圖7可知，額定電壓2.5V時，小燈泡額定功率為0.25W）通過這個問題的解決，她認為很多科學知識是相通的，可以通過一幅圖或一張表來串聯(lián)知識點，提高學習效率.

問題5：如果小高同學也因為粗心，沒有“試觸”、因電路中電流過大造成電流表指針彎曲變形不能使用，那么你如何利用現(xiàn)有器材完成Rx值的測量（已知滑動變阻器最大阻值為R0）：

①閉合開關S，滑片移至阻值最小位置記下電壓表示數(shù)U1;

②滑片移至阻值最大位置記下電壓表示數(shù)U2，

表達式為：Rx=_________.

【設計意圖】通過小柯、小妍、小高3人小組實驗探究過程中碰到的實際問題來組織教學，讓學生有種親身實驗的親切感，激發(fā)學生解決問題的興趣;問題3—5的設置由淺入深，既培養(yǎng)了學生圖表模型分析數(shù)據(jù)相互轉化的能力，又訓練了變式題的思維能力.

4 教學反思

課本中大量的圖表是《科學》教材的重要特點.如何充分利用“模型認知”來組織教學，是每個科學教師值得重點思考的課題.由于同一知識板塊或不同知識板塊中許多圖表模型存在結構的相似性或知識的內(nèi)在聯(lián)系，這為“以圖式模型為思維起點，隨機進入教學”復習方式提供可行依據(jù).另外，圖式模型對知識的直觀呈現(xiàn)，系統(tǒng)清晰的邏輯脈絡，幫助學生實現(xiàn)有意義記憶，就像我們平時一見熟人，就能想起曾經(jīng)相處的趣事.圖1就是這節(jié)課的“熟人”，幫助孩子們回憶曾經(jīng)學習的有趣知識和探究活動過程.

參考文獻：

[1]李進，湯金波，肖永琴.再論學生自主創(chuàng)新實驗是物理教學的最優(yōu)途徑[J].實驗教學與儀器，2019，36（01）：3-7.

[2]姚樹石.高中物理教學中創(chuàng)新實驗的設計與實踐[J].課程教育研究，2018（21）：84-85.

[3]劉燁. STEM理念下的物理創(chuàng)新實驗校本課程開發(fā)和研究[D].上海：上海師范大學，2017.

[4]錢永昌. 指導學生開展“中學物理低成本創(chuàng)新實驗”設計與開發(fā)的實踐研究[D].福州：福建師范大學，2008.

[5]董濤. 中學物理創(chuàng)新實驗的開發(fā)與研究[D].武漢：華中師范大學，2003.

[6]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.