指向深度學習的物理教學路徑探索

徐立海

(浙江省臺州附中，浙江 臺州 318020)

在學科核心素養背景下,知識似乎變得不再重要,事實上,如若沒有知識學習的過程,沒有掌握必要學科知識,核心素養就無從談起,如同無源之水,無本之木,學科核心素養就是在知識學習的過程中孕育發展的．學科核心素養并沒有淡化了對知識學習的要求,而是對知識學習提出了更高的要求,不僅僅是關注“冰山”位于水面之上占小部分的學術形態的知識(對應知識的表層意義),而更加關注隱藏在水面以下占大部分的教育形態的知識(揭示的是知識的深層意義),即蘊含在知識背后的思維方式和價值取向,如學習興趣、真實體驗、思維方式、探究能力、創新意識、價值觀念、科學與人文精神、審美情感、人文社會責任等主體性知識．如何挖掘知識的深層意義呢?深度學習是必由選擇,它是指在教師指導下,學生基于真實的主題情境,圍繞著具有挑戰性的核心問題,積極地全身心參與分析、設計、探究、論辯、互評等學習活動,從而體驗成功樂趣、獲得進階發展的有意義的學習過程．通過深度學習,知識不再是簡單的符號知識,而是已被學生感知、內化了的文化知識,是已附著了情感體驗的本我知識,已轉化成學生的智能,繼而凝練、發展成為學生的核心素養．本文就以“電容器的電容”這一課為例,從以下6個方面就指向深度學習的物理教學路徑進行探析．

1 基于學生需要,創設趣味實驗,激發探究熱情

需要是指人們缺乏某東西而產生的一種“想得到”力求獲得滿足的心理傾向．每一位學生走進物理課堂,內心都駐扎著求知、求趣、求實、求索、求成、求真、求美等心理需要．只有當講課內容、方法切合學生的這些心理需要時,才會引起學生快樂的情緒,激起學生內在強勁的學習動力．考慮到學生對電容器非常陌生,缺乏感性認識,為此筆者運用生活中很常見的金屬盆和礦泉水瓶制作“土電容”實驗,這些實驗簡易化、生活化,很容易拉近物理和生活的距離,激發學生的學習興趣,使學生深切感受到科學的真實性．具體過程設計如下.

(1) 啟發講解．這只礦泉水瓶是用作盛水的容器,那么,它是否可以用來儲存電荷呢?如果將這只瓶子稍作改變,在外面貼了一層錫箔紙,瓶子的里面盛有食鹽水,瓶子的中央插有一根金屬絲,它能裝電嗎?

(2) 實驗觀察．將感應起電機的兩個電極分別錫箔紙與金屬絲連接,搖動起電機,一段時間后停下,然后將兩電極斷開,等待一會兒后,再把金屬絲的一根引線與錫箔紙相接觸,此時聽到“啪”的放電聲響,同時看到閃光．再用兩只金屬臉盆之間隔著一層絕緣材料構成自制電容器,采用與上面相似的方法,同樣也看到了閃光、聽到了放電聲響．

(3) 提出問題．以上兩種容器都能儲存電荷,那么,在結構上,它們具有什么共同的特征呢?

以上利用生活化器具構造成的電容器,學生在視覺、觸覺體驗中感知電荷被儲存的真實,一起感受到了物理學習帶給他們的快樂．在此感性認識的基礎上再提出問題,引導學生格物致知,可以很好地激發學生的探究熱情．

2 基于問題情境,豐富物理表象,促進意義建構

建構主義學習理論認為,學習過程是人的認知思維活動的主動建構的過程．在意義建構進程中,真實情境可以為學生提供的一個完整、真實的問題背景,以及豐富的物理表象,以此為支撐促進知識的意義建構．事實表明,學習情境越真實,學生構建的知識就越可靠、越深刻,就越容易在真實的學習、生活中得到運用．物理的問題情境主要包括物理與日常生活、生產、科技聯系的情境,以及物理學術情境．只有將學生置身于真實的、復雜的、不可預測的物理情境中,才能培養學生的物理核心素養．在本課,學生還沒有深入學習過電流,電流又是抽象的,所以學生對電容器充放電過程中暫態電流的形成過程及其工作原理的理解,將會產生一定的認知困難．為此,筆者設置了兩個實驗情境,通過以下過程開展教學．

(1) 提出問題．電容器為什么能儲存電荷?是如何充上電荷的,又是如何放出電荷的?在充放電過程中,電流隨時間是如何變化的?這些問題,需要借助實驗進行分析解答．

圖1

(2) 實驗觀察．電路如圖1所示,通過小燈泡來反映短暫的充電電流和放電電流．當電鍵拔到1位置,觀察到小燈炮閃亮了一下就熄滅;然后把電鍵拔到空擋,等待一會兒;再把電鍵拔到2位置,觀察到小燈泡也閃亮了一下就熄滅．

(3) 分析推理．引導學生分析充電、儲存、放電的工作原理,如圖2所示．

圖2

(4) 模型建構．如圖3所示,使用DIS數字實驗系統實時監測電路中的電流與電壓,進一步呈現在電容器的充放電過程中,電流與電壓隨時間暫態變化的圖像,如圖4所示．由圖可知,在電容器充電時,隨著電容器儲電量的增加,電容器兩端的電壓逐漸變大,直至不變,而電流在接通瞬間即為最大,隨后逐漸減小為0;在電容器放電時,隨著電容器儲電量的減少,電容器兩端的電壓逐漸減小為0,而電流在放電瞬間即為反向最大,隨后逐漸減小為0．

圖3

圖4

以上教學中,先利用問題啟發學生思考,然后通過觀察分析小燈泡發光的淺層現象,由表及里,引導學生運用已有知識從理論上分析充電、儲存、放電的工作原理,最后通過DIS實驗深入到電流和電壓的變化圖像．這一過程非常符合學生的認知過程,從現象到本質,從科學推理到科學實證,展現知識的形成與發展,全方面、多層次地建構了充放電物理模型．

3 基于真實任務,參與具身體驗,提升探究能力

具身認知理論強調身體在認知過程中起關鍵作用,認為認知是包括大腦在內的身體的認知,身體的生理結構、活動方式、感知覺和運動體驗共同決定了我們認識世界的內容、方式和結果,可以說認知是通過身體的體驗及其活動方式塑造出來的．物理是一門以實驗為基礎、以探究為手段的學科,因此物理的學習更應該強調身心一并融入物理情境,既動腦又動手,強調身體活動與學習內容、學習需求有機的結合起來．這要求教師要引導學生在參與互動中學習,在體驗和探究中學習,在親自操作和實踐活動中學習．“如何讓電容器帶上電,如何檢驗它帶電,以及如何讓電容器儲上不等的電荷量,如何檢測帶電量的多少”對于這些問題,如若學生都沒能經歷實際的具身體驗,那么對后續關于電容器儲電性質的學習和理解就會造成一定程度上阻隔．為此,筆者設置了3個探究性任務,通過以下過程開展教學．

(1) 提出任務．給每組提供以下器材,電容器3只(兩只相同為A,另一只為B)、干電池2只、發光二極管1只、電壓表1只、導線4根．請大家完成以下3個任務： ① 讓一只電容器儲上電荷,并證明其存上了電?② 讓兩只相同的電容器A、A帶上不同的電荷量,并證明之．③ 用相同的電池給兩只不同的電容器A、B充電,并比較帶電量．

(2) 方案設計．在教師的引導下,學生形成以下方案的設計．任務1： 讓1只干電池并聯在電容器兩極一段時間后拿開,然后將電容器的兩極與發光兩極管或電壓表并聯,可以觀察到兩極管發光,電壓表指針偏轉后讀數逐漸減小．任務2： 用1節干電池和2節串連干電池分別給2只電容器充電;或是用相同的電池給2只電容充電后,將其中1只通過對電容器B或二極管放電一部分．任務3,電容器A、B充電后,分別接二極管發光,發現亮度不同,或是接電壓表偏轉,發現讀數不同．

(3) 實驗操作．每組學生按照自己的方案設計進行操作,邊做邊思．

(4) 交流評估．各組派代表匯報本組的方案設計及操作辦法．教師組織對不同的方案和操作展開交流、評價．由上述實驗可知電容器儲存的電量是由哪些因素決定的?教師基于以上實驗成果,引導學生共同分析得出,電容器儲存電量的多少是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質共同決定的．

以上通過3個任務的學習驅動,讓學生進入到具身學習的狀態中．經歷任務1的思考與操作過程,讓學生學會了如何給一個電容器充電,如何檢測電容器是否帶電．任務2和任務3可以讓學生真切感知到電容器的儲電量是由兩端電壓和電容器本身性質共同決定的．在以上操作與探究過程中,學生需要全身心投入,在不斷試錯中,反復經歷任務分析、方案設計、動手操作、提出質疑、問題解決、作出解釋、交流評估等探究活動.這樣的過程可以讓學生體會到自主探究的艱辛,在具身實踐中收獲探究能力的提升．

4 基于核心問題,引領科學探究,發展思維品質

培育學生科學探究的習慣,提升學生的思維品質,這是物理課程的核心任務,也是落實物理學科核心素養的著力點．科學探究的素養是在科學探究的實踐中形成與發展的,教師應以核心問題為導向,引領學生經歷與科學家相似的科學探究過程,學著像科學家一樣思考問題,在學習與思索中,形成對客觀事物的本質屬性、內在規律的認識與理解,將物理中蘊含的大量科學思維方法內化為自身的思維方式,在潛移默化中發展思維品質．“電容器的Q與U的具有什么定量關系?本課以此作為探究的核心問題．對于這個問題的解決,在探究方式上,學生可以同時經歷理論和實驗兩種探究方式;在科學思維上,學生可以經歷猜想、推理、設計、論證、倍增與倍減法、圖像法等思維方式．其探究活動過程設計如下.

(1) 提出問題.

既然電容器儲存的電量是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質共同決定的?那么,如何來探究這種儲電性質呢?方法是先要去探究“Q與U的定量關系”,然后在定量關系中找出隱含著的這種性質．

(2) 理論推導.

如圖5所示,由于電荷量Q與電壓U不好直接建立關系,為此引入中間量場強E作為聯接的紐帶．圖(b)中可以看出,如果電容器的帶電量從Q變成2Q,那么兩極板間的場強就從E變成2E,從而導出E∝Q;再根據U=Ed可導出U∝E;綜上兩式可得Q∝U．

圖5

(3) 實驗驗證.

自制恒流源,內部電路如圖6所示,用恒定電流對電容器進行線性充電,設計成實驗電路,如圖7所示．圖中mA表用來測量充電過程中的恒定電流,用電壓表或電壓傳感器來顯示充電過程中電容器電壓的變化．為延長充電時間,方便測量,電容器要選用大電容的．

圖6

圖7

向學生介紹實驗原理,因是恒定電流,所以Q∝t,則只要記錄下時間即可表示電容器帶電量的多少．這樣,測出電容器充到0.5 V、1.0 V、1.5 V、2.0 V…的時間,就可以得到Q、U的關系．

圖8

把班級學生分成幾個小組,每個小組學生,每人都拿著一只秒表,都負責記錄一項數據,如電壓到達1.0 V時對應的時間．采集到數據后,讓學生畫出Q-U圖像(如圖8所示),自行發現實驗規律．

(4) 質疑創新.

教師向學生提出,如果沒有恒流源,只給你提供1個6 V穩壓源、1只電壓表、4只相同的電容器、兩根導線,那么如何來證明Q與U成正比．類比庫侖實驗的思想,雖無法測出電量Q的具體數值,可以用倍減法的方法,用倍率來計量電量的大小．然后,引導學生提出實驗設想:先用穩壓源給0號電容器充電,然后0號電容器先后分別與1號、2號、3號電容器(如圖9所示)并聯一段時間后移開,這樣1號、2號、3號電容器就分別帶上了Q/2、Q/4、Q/8的電量,教師演示學生的設想,獲得成功．

圖9

上述教學中,在實驗之前,先從理論上對Q與U的關系進行科學推理,可以使學生明白知識的由來,掌握知識的來龍去脈,同時又可以促進學生分析思維能力的提升．教材上推薦的實驗,是利用放電電流的非線性圖像,根據圖線與時間軸所圍的面積來測量Q,這種方法太過復雜,對學生的認知水平要求過高,一般學生難以理解.上述教學中用恒定電流對電容器進行線性充電的實驗,就可以很好地解決這一問題,而且這個實驗設計,還可提高學習的參與度和自主性．最后,通過限定實驗條件,提出更具思維挑戰性的問題,激發質疑創新．

5 基于多維視角,引導多維論證,達成深度建構

科學知識是多維的,要理解科學概念,就必須從不同的角度,運用分析的、解構的方法才能揭示科學概念的本質．此外,從多維視角去審視、理解同一個知識概念,把新的信息與大腦中已經存儲的信息建立了多個鏈接,既強化了新知,也鞏固了舊識．基于多維視角,引導多維論證,達成深度建構,正是當前深度學習的主要觀點．深度學習提倡將新概念與已知概念和原理聯系起來,整合到原有的認知結構中,同時,將對新知識的理解遷移應用到新的不同情境中,從不同層面,不同角度加以審視,引導學生體驗知識與自身、與生活、社會、科技的關系,啟發學生深刻領會并掌握核心知識的符號意義、邏輯意義,體悟內隱于知識最深層的意義與價值．電容是一個非常抽象的概念,要使學生對其建構起深度理解,教學就必須是超越表層的符號,強調新舊知識整合,強調知識深度建構,對知識新信息予以多維加工、多維論證．關于電容的概念教學,過程如下.

(1) 比值定義.

前面,通過理論和實驗的探究已得出Q∝U,引入比例系數C把式子變成等式Q=CU．聯系之前的結論:電容器儲存電量的多少是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質共同決定的．兩者一對比,就可看出比例系數C就可以用來表示電容器本身的性質(類比電場強度E和電勢差U的比值定義)．那么比值C=Q/U反映地是電容器的什么性質呢?

(2) 類比分析.

如圖10(a)所示,兩電容器(C1

如圖10(b)所示,兩電容器(C1U2．類比兩只橫截面積不同的水容器灌上相同體積的水量,可以看出橫截面積大的水容器的水面上升得低,反映出儲水本領大．

圖10

綜上可以得出,比值C越大,電容器容納電荷的本領就越大,具體表現為相同電壓時,容納的電荷越多,儲存相同電量時,電位升得越低．

(3) 實驗論證.

展示兩個實驗用的電容器的銘牌,讀出并比較電容值,解釋擊穿電壓．為進一步增加對電容概念的感性認識,教師再用兩個電容器,用同一高壓電源進行充電,然后再放電,觀察比較放電火光和聲響的差異．

(4) 聯系實際.

先向學生演示相機閃光,并介紹閃光燈的內部結構及工作原理,指出閃光燈的電容一般是330 V的200-400 μF的高壓電容．然后向學生介紹上海使用超級電容器作新型電車的試驗,使他們知道超過1 F的電容器也是可以實現的,自進入21世紀以來,電容超過1000 F的電容器已經大規模生產,并得到廣泛應用．

在本課設計中,電容概念的形成與發展過程,就是一個知識探究的過程．在作出比值定義前,其實已經歷了兩個探究過程： (1) 通過“提出任務——方案設計——實驗操作——交流評估”探究儲電多少的決定因素； (2) 通過“提出問題——理論推導——實驗驗證——質疑創新”探究Q與U的定量關系.這兩個探究為電容概念的建構與理解提出了有力支撐.在此基礎上,再通過“比值定義——類比分析——實驗論證——聯系實際”的過程,促成了電容概念的意義建構．

6 基于價值引領,融入價值體驗,培育科學態度責任

科學態度與社會責任反映了物理學習更高層次的價值追求,凸顯物理學科培育情感態度和價值觀的目標追求．培育學生科學責任與態度是物理教學落實立德樹人目標的根本要求也是重要體現．物理知識規律的探究與發現凝結著物理學家執著探索的精神、崇尚真理的意識和刻苦艱辛的努力．物理的研究必須要嚴謹求實、尊重事實、開拓進取的,也需要面對挫折不懼艱辛、面對權威敢于質疑,這些都是科學精神、科學態度的具體表現．應用科學知識創造出科學技術,可以幫助人類改造世界、創造美好生活,而這是科學價值觀的體現．本節課通過讓學生經歷模型建構、自主實驗、理論推導、實驗驗證等科學探索過程,努力培育學生的科學精神與科學態度．通過儲電瓶和儲電盆實驗讓學生體會到“物理源于生活”,再通過對閃光燈、超級電容器的介紹,讓學生領會到“物理回饋生活”的科學價值觀念．

結語: 在信息化時代,教師應當是深度教學的踐行者,是學生核心素養的培育者.把教師外在的教學期望轉化為學生內在的學習愿望,把生硬的教學內容轉化為生動的教學材料.通過情境創設,引導學生去思考和體會情境所蘊含豐富的思想和情感內容.通過層層問題,啟發學生在學習過程中質疑、批判、深入思考,促進學生學得高效、愉快、透徹.引領學生逐步成長為有思想、有能力、有高級情感、有積極人生觀、價值觀的未來文化人．