三步教學法在物理教學中的實踐研究

錢 偉

(浙江省杭州市蕭山區金山初級中學 311200)

一、研究背景回顧

【2011年杭州中考題】在計算電動機工作時所消耗的電功率時，小杰和小施產生了不同意見.小杰利用公式P=UI計算電動機所消耗的電功率，小施利用P=I2R來計算電動機所消耗的電功率.

(已知：電動機線圈電阻為R，電動機工作時兩端的電壓為U,通過電動機的電流強度為I)

1.請你判斷這兩位同學計算電動機所消耗的電功率的方法是否正確，并說明理由.

2.求這臺電動機在時間t內，電動機線圈產生的熱量.

3.求電動機在時間t內所做的機械功.

教師的分析：(1)電動機不是純電阻電路，所以歐姆定理不成立，所以小杰是正確的，小施是錯誤的.(2)電動機消耗的電能的電能大部分轉化為機械能，還有一部分轉化為電阻消耗的熱能了，所以產生的熱量為Q=I2Rt;(3)電能轉化為機械能和內能，所以時間t內所做的機械功為W=UIt-I2Rt

我的思考：問題一，教師自身對電動機的把握或表述存在問題，電路雖然不是存電阻電路，但不表示歐姆定理不成立，P=I2R仍然可以使用，只不過此僅僅代表電動機內阻消耗的熱能，而不能表示電動機消耗的全部功率.

問題二，教師在分析試題的時候沒有進行學生錯誤情況的統計和了解，導致教師不能對癥下藥，無法在學生內心建立起理想電動機模型.

問題三，教師全程灌輸式的分析導致學生缺乏對本質的理解，原有的認知平衡無法被有效打破，新的認知平衡就無法建立，知識只能停留在短暫的記憶上.

二、概念界定

展示背景充分暴露原認知【三步教學法】“平衡——不平衡——新的平衡”三步教學法基本結構，如圖1.

圖1

三、理論依據

認知個體(兒童)就是通過同化與順應這兩種形式來達到與周圍環境的平衡：當兒童能用現有圖式去同化新信息時，他是處于一種平衡的認知狀態；而當現有圖式不能同化新信息時，平衡即被破壞，而修改或創造新圖式(即順應)的過程就是尋找新的平衡的過程.兒童的認知結構就是通過同化與順應過程逐步建構起來，并在“平衡——不平衡——新的平衡”的循環中得到不斷的豐富、提高和發展.

四、課堂實踐案例

第一步：展示背景充分暴露原認知

案例1:如圖2，電動機M的線圈電阻為0.5歐，當S斷開時，電流表讀數1安.當S閉合時，電流表讀數3安.問：

圖2

(1)電阻R為多大？

(2)電動機的機械功率為多大？

(3)電動機工作2分鐘，電動機線圈產生了多少熱量？

R機=5Ω-0.5Ω=4.5ΩP機=I2R=2A2×4.5Ω=18W

我的分析：我們從這類典型錯誤中不難發現學生已經知道電動機“合二為一”的模型需要一分為二看待，否則他也不會去計算總電阻.所以學生難以打破的平衡其實是一分為二的電動機模型，為什么獨立出來的“沒電阻的線圈”仍然需要分壓.顯然這是純電阻電路的分壓模式這一“前概念”干擾了我們的學生的分析.雖然我們的老師不停的告訴他因為轉動需要電壓，但這種灌輸式的教學只能短暫維持記憶.(此時如圖建立的電動機模型也只不過是一種記憶，而不是理解、不是建構)

我的反思：現在教師的任務很明顯是要把線圈的電阻獨立出來，剩下的線圈當作超導看待，要學生認識到這個超導部分的轉動仍然需要分壓.難就難在這是一個假象的獨立.如果電動機不轉，那就可以把線圈僅僅當作電阻看待了.我們需要想方設法打破學生這個原有的認知平衡方可真正建立起一個新的平衡.

第二步：利用實驗等手段打破平衡

圖3

手段一(實驗法)：閉合開關，燈亮、電動機轉動，然后用手捏住電動機，使之不轉動，我們會發現燈變亮了.電動機轉與不轉電流是同樣的路徑，為什么燈的亮度會改變呢？如圖3.

于是我們用電壓表分別測量了電動機轉與不轉時兩端的電壓，發現轉動時的電壓明顯大于不轉時的電壓.由此我們就需要建立新的模型加以解釋：轉子即使是超導也要分壓，將電動機看做是超導轉子與內電阻串聯.

手段二(分析法)：我們可以假設某電動機兩端電壓為6伏，內阻為1歐.如果歐姆定理成立，那么電流就是6安.此時可以問學生，電功率為多少？電阻產生的熱功率為多少？

學生會很快算出P電=36瓦，P熱=36瓦.此時教師可以繼續追問，電動機的能量是怎么轉化的？學生回答電能轉化為熱能和機械能.此時矛盾就產生了，學生迫切需要構建新的模型來解決以上矛盾.

第三步：建立新平衡，解決新問題

建立新的認知平衡以后我就可以建立如下統一的模型了(能量守恒).這種從不平衡到平衡所建立起來的模型是符合學生認知發展的，是一種牢固的、內化的新平衡.

圖4

接著我們可以利用變式解決新問題，如圖4所示.能量如何轉化？若電壓為6伏，電流為100毫安，10分鐘內產生的化學能為100焦耳，則該電解裝置兩級間的電阻為多少？

五、教學核心設計研究總結

三步教學法的核心在于第二步如何打破平衡，本人在教學實踐中已經總結出了以下幾種打破平衡的有效方法.

1.次序重組：也就是通過對幾個教學環節重新排序實現這種新型建構主義理念下的新認知平衡的建立.

案例2 ：探究小孔成像

圖5

師：如圖5，P是一張挖了一個小孔的紙板，在P的前面放一個發光體MN后，在紙板Q(光屏)上將形成怎樣一個像？請通過作圖確定這個像.

學生作圖6，得出像M′N′.

生：發光體在光屏上形成一個倒立的像.

師：事實是否真的如此，讓我們做一個實驗看看.

學生進行實驗.

以上是傳統理念下重知識的教學設計，教師先傳授了小孔成像的光學原理，再來問學生你能看到怎么樣的一個像呢？顯然這時候學生已經不需要思考就能回答，而且一定是正確的回答，至于后面的實驗觀察也就不能引發學生的好奇了.這是我們一味追求學生正確的回答的教學結果，其最終就培養不出具有能質疑的創新型人才.

我們可以把教學設計改成這樣：

師：這里有一只紙杯，杯底戳了一個小孔，杯口用拷貝紙封著.如果我點燃一根蠟燭，將杯底的小孔對著燭焰，眼 睛對著拷貝紙看，你將看到什么？

生：我將會看到燭焰......光斑......

師：這個燭焰的方向是正立的，還是倒立的，或是橫向的？

生：應該是正立的.

師：事實究竟如何？我們用實驗親眼看一看.

(學生進行實驗，結果發現看到的燭焰是倒立的，于是陷入思維的沖突.)

師：大家想知道這是什么原因嗎？

師：實驗結果和預想的并不相同.其實，用剛才學過的光的直線傳播的知識，能夠很好地解釋這一現象.為方便作圖，我們將上述裝置簡化為如圖7的模型：圖7中MN代表燭焰；P代表挖有小孔的杯底；Q代表蒙在杯口的拷貝紙.

我們的任務是要確定發光體MN射出的光通過小孔后，會落在光屏Q的哪個區域上？發光體MN上處處都會發光，我們是否需要作出所有發光點發出的光的傳播情況呢？

圖7

生：不需要.只要作出發光點M、N發出的光落在光屏上哪個位置，就能確定發光體MN發光的光落在光屏上的區域.

2.任務倒逼：也就是通過設立一個任務，在完成這個任務的過程中倒逼出新的概念或原理

案例3：密度概念的建立

我們可以先對已知體積的鋁、銅、鐵進行質量的測定(如下表所示)，然后出示任務——有一個毛澤東鋁像如圖8，已知體積為41206立方厘米.請小組合作完成對此像質量的計算(方法越多越好).

圖8

根據教學實踐研究，學生定會出現兩種思路第一種是：(41206÷10)×27克；第二種是：(27÷10)×41206克.其中用第一種思路的學生會占大多數，其思想就是數學中的整體法.用第二種思路的學生也會有30%以上的學生，而這個方法教師只要引導的好一點就可以倒逼出質量與體積的比值這個欄目，它就是密度概念的萌芽.而這種由任務倒逼出來的概念會使學生真正理解并內化.其本質是在改良第一種認知方法的基礎上建立新認知，這種平衡的建立是有意義的，我們也可稱之為意義建構.個人認為在物理概念、公式的建立上這種方法會比較行之有效.

圖9

3.創新實驗：也就是通過改進或創設實驗來建立新的認知平衡

案例4：力臂概念的引入

實驗一：為了使圖9甲中的杠桿保持平衡，則需要多大的力？(學生實驗)F1=3N.

為了使圖9乙中的杠桿保持平衡，則需要多大的力？(學生實驗)F2=2N.

(比較甲和丙，可以看出力的作用點不同而方向相同，力的作用大小不同，但力的作用效果是相同的.)

實驗二：做如圖9丙的實驗，用F3=3N的力看能否使得杠桿平衡？(學生實驗)

實驗結果：可以使杠桿平衡.

(比較甲和丙，可以看出力的大小相同，作用點和方向都改變，但力的作用效果還是相同的.)

實驗三：做如圖9丁實驗，用F4=3N的力能否使得杠桿平衡？(學生實驗)

實驗結果：依舊可以使杠桿平衡.

(比較甲和丙、丁，可以看出力的大小相同，作用點和方向改變時，力的作用效果依舊相同.)

師：作用點不同，方向也不同，為什么用相同大小的力都能達到相同的效果呢？我們來仔細研究一下這幾幅圖，看看使得杠桿保持平衡是否存在著一個共通的規律？

(生：嘗試建立每幅圖中“支點到力的作用線的垂直距離”是相同的，都是第3個同心圓的半徑)

師：我們找到了共通規律就是“支點到力的作用線的垂直距離都是相等的”，由于它是支點到力的作用線的距離，在杠桿的研究中，我們就給它一個名稱“力臂”，即支點到力的作用線的垂直距離叫力臂.

圖10

4.作圖想象：也就是用畫圖的方法展現學生原有的內心世界，這個在微觀領域的研究中會應用到比較多.

案例5：分子間有無空隙的辯論如圖10.

分子很小，是看不見的，那么分子間有沒有間隙呢？學生的內心世界又是怎么樣的呢？我們可以通過叫學生發揮想象畫圖來表達他們的原本思考.(如圖11、圖12)為了更好的體現學生的原有想象，我們以下畫圖叫學生用一個小方塊表示一個水分子.

圖11 圖12

經過教學實踐研究，我發現學生普遍會出現以下兩種作圖：(以圖11這種為多數)要畫成圖12形式的學生回答為什么這么畫的時候，學生也就是因為進行過課前預習知道了分子間是有間隙的.然而這種認識只是表面的、被迫的，其實學生的內心世界都應該類似與第一種畫法(分子緊密連接無空隙).這時候我們干脆將學生分成兩派：無空隙派和有空隙派進行辯論，大家各自拿出證據來說明自己的觀點.教師可以在這個辯論中不斷引導并通過演示實驗完善現代分子運動理論.

5.先學設計：有些課程內容可以設計先學稿.目的是為了暴露學生的前概念，方便教師能動的打破學生腦袋中原有的認知平衡.

案例6：如何增加學生說的先學設計(傳統理念下的先學設計與建構主義理念下的先學設計對照)

A.密度的定義式

根據密度的意義，可以得到密度的定義式為：____.

用符合____表示密度，____表示質量，____表示體積，則密度公式為：____.

B.密度的單位

由密度的定義式可得密度的單位是____或____，分別讀作____、____.

兩者的換算關系是：1克/立方厘米=____千克/立方米.(傳統教學理論下的應試式設計)

C.建構密度的定義式.

①根據以上發現和密度的性質，怎樣表示密度的定義式？(分別用文字和字母表示)

②密度的單位是什么？你是依據什么知道的？怎樣讀？如何進行單位換算：7.9克/立方厘米=____千克/立方米，對應的物質是：____.

六、實施反思

諾貝爾獎獲得者勞厄說過教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候所剩下來的東西.剩下來的東西毫無疑問是方法、思維、情感、價值觀.所以教師如果直接告訴學生小孔成的什么樣的像，告訴學生什么叫密度，告訴學生什么叫力臂，告訴學生分子間是有間隙的.那么若干時間以后我們苦口婆心的教育所剩下的就是一無所有.科學不僅僅是知識，更多的是發現知識，我們教師要做的就是引領我們的學生發現知識.建構主義理論要很好的與我們的課堂實踐相結合，并適應當下的時代特征還有很多值得我們去研究、去實踐.