以設計思維引領的初中物理深度學習策略探討

肖永琴

(福州教育研究院,福建 福州 350001)

深度學習是指學生基于教師預設的專業方案,經歷有指導、有挑戰、高投入、高認知,并獲得有意義的學習過程．[1]深度學習強調基于理解,具有聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價等特征，其目的指向具體的、社會的人的全面發展,是形成學生核心素養的基本途徑．[2]

STEAM是Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)、 Arts(藝術)、Maths(數學)的縮寫．STEAM 教育注重跨學科知識的綜合運用,注重動手實踐，注重過程,是一種建構主義教學,希望學生通過制作的過程,建構起關于科學、技術、工程、藝術和數學的知識．STEAM教育的核心特征有: 跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性．STEAM教育的核心是工程設計,[3]通過工程設計將科學、技術、數學、藝術教育有機融合,故需設計思維的引領．

STEAM學習是基于現實問題的探究式教學,其本質也是深度學習,與物理探究學習有共性,符合物理課程的基本理念．基于物理核心概念和學習進階,結合真實問題情境進行整合學習,實現相關學科領域的有機融合,進而提出自己的解決問題思路,是結合STEAM教育的物理深度學習．下面以“變阻器”教學改進為例,著重闡述以設計思維引領,實施“玩、學、悟、用”的深度教學策略,培養學生解決問題和創新思維能力,促進學生核心素養的發展．

1 創設情境,在“玩”中學

創設真實而具有一定挑戰性的、像“玩”一樣的問題情境,在“玩”的過程中激活情感和思維的“燃點”,目的是激發學習動機、預熱知識經驗,這是深度教學的起點．“活動與體驗”是深度學習的核心特征,故創設的情境應具有以下特征: (1) 吸引學生注意,喚起他們的好奇心和內在興趣,促進激活持續學習的愿望; (2) 具有較明確的指向性,能引導學生發現問題、提出問題,指向特定的學習目的; (3) 真實而富有挑戰性,使學生的互動參與成為必要,在積極探索中運用高階思維、交流合作、質疑甚至批判．激活是所有學習活動都必須重視和具備的環節,我們利用學生的自主創新實驗,讓他們在“玩”中體驗,并對問題本質思考．

如，在“變阻器”課前先布置分小組的家庭作業: (1) 動手試試:用3支鉛筆芯(兩支短的長度相同,另1支更長)、兩節干電池、幾根導線、小燈泡,你如何改變燈的亮暗?比比看:誰的辦法多、且讓燈亮暗變化的范圍大．(2) 在不改變電源電壓情況下,燈的亮暗發生變化說明電路中什么物理量發生變化?這兩個問題既有體驗,又有對問題本質的思考．

學生前一節學了電阻的概念,知道電阻對電流有阻礙作用,電阻的大小與導體的材料、長度、橫截面積、溫度有關．在任務驅動下,讓他們用鉛筆芯動手實驗,既貼近生活,又熟悉好玩,要求采用不同的方法改變小燈泡的亮暗,既需要靈活應用上節課的知識,又要考慮盡量增大亮暗變化的范圍,需要一些新的知識(鉛筆芯串聯或并聯),這對學生來說是一個挑戰．同時,引導學生思考給予明確指向:燈的亮暗變化本質是由于電路中的電阻發生了變化,隱含了問題解決的辦法是要改變電阻的大小．

2 在“學”中建立聯結,深度加工

學生所學的知識是有邏輯、有體系、有結構的知識,[2]已有的知識經驗極大影響著他們對新知識的解釋和理解,影響著他們的記憶、推理、解決問題和獲取新知的能力.這種影響在課堂深度學習中的表現之一就是“聯結”．教學的關鍵是引導學生把握整體知識結構,找準新知識與舊知識、新知識與已有經驗之間的內在關聯,進行思維的深度加工,內化所學．

2.1 展示分享創意,建立聯想

課始,針對“如何用鉛筆芯來改變燈的亮暗”問題,學生用貼在黑板上的磁吸實驗器材展示和分享自己的創意．

方案1:先將兩支鉛筆芯串聯(有的組用了兩支相同長度的,有的組用了一長一短的組合),燈基本不亮,然后移動鉛筆芯上的夾子,燈變得更亮些,再拆掉一支鉛筆芯,逐漸改變夾子在鉛筆芯的位置,發現燈越來越亮,這相當于改變了電阻的長度．

方案2:改變鉛筆芯的橫截面積.先將兩支鉛筆芯并聯,燈是亮的,然后拆掉一支,發現燈變得更暗,但變化不是非常明顯．

這兩種方案都在筆者的預設中,但一組男生的方案大大出乎意料．

圖1

方案3:他先將一支鉛筆芯折斷一點,讓3支長度都不同,然后并在一塊,再用4根帶鱷魚夾導線在鉛筆芯的不同位置形成4個觸頭(如圖1所示),隨意用哪一支單根都可以實現改變長度來改變電阻,要想電阻最大,就把3支串起來,燈最暗;由于3支鉛筆芯是并在一起的,又可以采用并聯的方法改變電阻,他們居然還試過兩支串再并一支、兩支并再串一支的不同組合方法,故他們改變燈亮暗的方法就有好多種,既可以改變導體的長度,又可改變導體的橫截面積,還可以同時改變二者．不得不佩服學生們的創意,全班學生不由地給了他們熱烈的掌聲．

學生在 “玩”中聯想到決定電阻大小因素的知識并能靈活應用,在比較電阻改變誰的方法多、誰的最為簡單、誰的變化范圍大的過程中,又學會了分析評價．一方面,學生在解決問題中已應用了串并聯知識,實現了學習進階；另一方面,師生間對話和贊賞,讓他們在情感上體驗到一種成功快樂的涌流,成就感劇增．認知神經科學的研究表明,學生的大腦體驗到一種專注或沉浸其中的高度投入的狀態和學習的快樂經歷,大腦就會去追隨這種理解式的學習,他們就會有更充分的好奇心和探索欲,在后續的學校學習中,會更容易用內在動機而不是外在動機來驅動學習．[4]這樣的“玩”成功地吸引了學生的注意,喚醒了探究的內動力,有利于進入下一階段的深度學習．

2.2 設計認知沖突,深化思維

在玩實驗的基礎上,學生很快就說用改變導體的長度來改變電阻大小最為簡單且范圍大．此時,筆者拿出一根1m長航模用的碳纖維絲接入電路,移動夾子,讓學生觀察燈的亮暗變化.他們發現這么長的碳纖維導體還不如8cm長的鉛筆芯改變燈亮暗的范圍大,與前面得出的結論產生認知沖突．此時再引導聯想上節課學的不同導體材料的電阻表,學生恍然發現要想使電阻改變的范圍大些,不僅電阻線的長度要長,還應選用電阻率大的材料.這樣引導學生進一步領會科學研究的方法,學會控制實驗的條件．

2.3 以設計思維引領,頭腦風暴創想

情境學習理論告訴我們，學習的本質就是對話．在設計過程中,以設計思維引領,通過頭腦風暴進行深度對話,實現思維的深度加工,讓學習真實發生,在不斷生成問題中深度學習．

在達成“選用電阻率大的材料、使電阻線長度更長”的共識后,筆者取出一根很長的鎳鉻合金絲,開始了以問題驅動的頭腦風暴,以用戶體驗感受,邊設計、邊操作、邊對話,啟發學生自己提出解決問題的方法．例如，(1) 導線太長,實驗起來不方便,怎么辦?學生思考后觀察到桌面器材中有一根塑料圓筒,聯想到測長度用的密繞法,即將長導線用塑料圓筒繞起來,使之變短,且繞得越緊密,在有限的塑料筒上可繞的導線越長．(2) 繞的過于緊密導致導線將粘在一起,會發生什么現象?如何解決?學生聯想到會短路,必須將導線絕緣,包上絕緣皮等方法．(3) 解決了絕緣問題,移動的夾子要夾在哪呢?引導創想連續刮去絕緣線圈的同一部分,再固定大夾子．(4) 為了固定元器件,還需增加兩個支架腳．(5) 你想要把它連接入電路,還需要什么?再給它設計4個接線柱．至此,通過不斷改進、完善和優化,一個可以改變接入電路的電阻值大小的元件就設計出來了．

3 在“悟”中把握本質,建構知識

感悟是學生對所獲得的外部知識、信息的深層次內化,是在心動的基礎上,運用智慧,通過各種心理活動,在聯想、內化、創造中把握事物的本質,最終達到一種自我的覺醒和提高．在教師的引導下,根據當前的學習活動去聯想、調動、激活以往的知識和經驗,以融會貫通的方式對學習內容進行組織,從而建構出自己的知識結構．

3.1 學會定義概念,深度理解內涵

隨著滑動變阻器設計和制作的完成,學生既明白了改變電阻大小的本質——逐漸改變連入電路的電阻線的長度,也悟出滑動變阻器的原理．此階段要讓學生把自己“悟”到的東西表達出來,學會自己定義概念,并深度理解其內涵．至此,什么是變阻器?什么是滑動變阻器已水到渠成,對照滑動變阻器的實物學生自己就可以畫出其結構示意圖,啟發聯結電阻的符號,就可以畫出變阻器的符號,知識由此建構形成了．

3.2 以測試為途徑,在動態中體驗

制作的滑動變阻器能否起到變阻作用需要實驗測試．這其實是滑動變阻器如何正確使用的問題,但通過工程測試的方式呈現,將此時的探究學習變成了一個“信息輸入、加工內化、輸出分享”的綜合體驗．

圖2

滑動變阻器有4個接線柱,電路連接只需接入兩個,怎么接才能起變阻作用?教師引導學生根據數學的排列組合,思考有幾種可能的連接方法．在與數學知識建立關聯后,學生自己設計出3個系列測試連接: (1)A與C、A與D、A與B; (2)B與C、B與D; (3)C與D．然后根據實驗電路(如圖2所示)分別進行實驗．通過交流分享,對實驗現象分析比較,找出等效的情況,歸納得出有效變阻的連接方法是“一上一下”．

3.3 評價性能的優劣,在感悟中創新

教師再根據電流的走向分析讓學生進一步明確滑動變阻器的使用及注意事項．在評價其優缺點時,發現滑動變阻器可以連續改變連入電路的電阻,但不能讀出電阻值,由此又提出需要改進的新問題:滑動變阻器不能讀出阻值大小,如何改進?在改進的過程中,引出了電阻箱的學習．這樣,學生在不斷感悟中學會創新．

4 在“用”中實現學生變化和學習增值

深度學習強調遷移和應用,要求學生能把知識應用到新情境中,更強調遷移與應用的教育價值．“遷移”所解決的是間接經驗直接化的問題,“應用”則是“遷移”的表征之一,也是檢驗學習結果的最佳途徑．一方面,是認知結構進一步的擴充與完善;另一方面是把新學習的知識“應用”到類似的新情境中,通過情境讓學生內化的知識外顯化和操作化,并促進學生將所學知識轉化為綜合實踐能力．

圖3

在課的最后階段,筆者引導學生將知識與生活鏈接,以生活中的變阻器(電位器)和實際可變電阻(自動測定油箱內油面高度的裝置,如圖3所示)分析為例,讓學生學會面臨新情境解決問題的方法:(1) 判斷,對新情境進行分析和判斷,把握情境中問題的本質; (2) 提取,將情境中需要解決的問題與已有的知識經驗進行關聯,準確“提取”相關知識; (3) 運用,分析思考相應情境和應用條件,通過所提取的知識解決情境中的問題; (4) 總結,對情境的類型及應用的條件進行總結,并再次納入已有的認知結構中．在對知識的遷移與應用過程中,學生的探究能力、實踐能力、創造能力得以提升．

5 反思評價,嵌入學習的全過程

深度學習強調學習者的知識關聯結構化、情境中的策略靈活性,這些都需要大量情境中問題解決式的實踐．[4]在實踐過程中難免遇到問題和困難,教師要有同理心,容忍失敗,站在學生的角度,看他是怎么思考的,引導學生將反思評價嵌入到學習的全程,學會對所學知識及其過程進行評估,正確地對人、事和活動進行評判,關注其理性精神與價值觀的形成．在引導以設計思維進行思考時,鼓勵學生發揮想象力,考慮用戶體驗,一步步引導學生改進和完善設計,培養創新能力,發展學生核心素養．