應用PBL教學 落實核心素養培養
——以“電能的輸送”為例

吳志山

(江蘇省南通第一中學,江蘇 南通 226001)

1 問題的提出

物理課程標準要求課堂教學要更加關注育人目的,更加注重培養學生核心素養,更加強調提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力．[1]但從當前物理教學現狀來看,教師們迫于課時或分數等壓力因素,為了提高課堂“效益”,普遍直入“主題”.對一些知識點給出公式后,直接“上題”,一堂課下來,學生主要是記住了公式,會模仿代數據計算,但不知道為什么要用這個(些)公式,沒有考察它的“過去”,也不知道它的“未來”,僅僅會在“當下”.所在章節或課堂結束再過一段時間后,所學內容也就“所剩無幾”．究其原因,我們認為在這樣的課堂上,學生只是 “看客”,課堂是基于教師的“教”,而不是學生的“學”,課堂缺少師生互動、生生互動,學生看教師講著“故事”,“被迫”進行模仿,學生的學習比較消極,甚至久而久之有了厭倦的情緒．這樣的課堂怎能落實核心素養的培養?

基于問題的學習(Problem-based Learning 簡稱PBL)最早由神經病學教授巴羅斯(HowardBurrows)在加拿大的麥克馬斯特大學醫學院首創,也最先用于醫學教學,后來被廣泛用于其它學科．PBL教學模式是基于學生“學”的立場,注重學生在真實情景、結構不良的問題中的學習能力的培養,鼓勵學習者進行合作學習,在問題解決過程中提升學生關鍵能力,培養學生學科核心素養．在課堂教學中有許多聯系實際的問題,特別是章末往往有些本章內容的實際模型或應用,能讓學生結合所學知識提升解決問題的能力,在問題解決過程中的培養學生學科核心素養．筆者以“電能的輸送”為例,跟大家交流應用PBL教學在課堂中落實學科核心素養的實踐,以期拋磚引玉．

2 PBL課堂教學準備

課堂教學過程中核心素養的培養應該基于學生的學情,PBL教學的問題落點應在學生“最近發展區”,這樣才能更好地助力核心素養的培養．在課堂教學前我們要做好教材、學情和培養目標的分析和準備．

2.1 教材分析

“電能的輸送”是人教版選修3-2“交變電流”的最后一節,要求學生用所學知識解決一個實際問題——電能的輸送．重點討論在電能的輸送過程中如何減少電能的損失,了解電能輸送的技術;內容涉及電路分析與設計、閉合電路歐姆定律、電阻定律、變壓器等應用,包含多組電壓、電流、電功率等20多個物理量的關系及計算.這是一個既有理論性又有一定技術性的生活應用綜合問題,適合應用PBL教學方式,有情境、有體驗,能在問題探索解決過程中落實學科核心素養的培養．

2.2 學情分析

通過前面的學習,學生掌握了歐姆定律、電阻定律、電磁感應定律等有關規律,了解了變壓器在交流電問題中的應用,能對電路進行分析.由于本節內容中的問題來源于實際生活,需要學生具有較強的分析與建模能力,且輸電電路結構復雜,參與運算的物理量較多,適合在問題情境下學生自主學習與合作學習相結合,在共同解決問題的過程中提高學生分析推理、建模探究等關鍵能力．

2.3 確定目標

物理觀念:能用能量守恒的觀念分析問題;科學思維:積極分析推理輸電過程中能量損失的原因,抓住主要矛盾,建立輸電模型;科學探究:理論和實驗探究輸電模型的可行性,提升解決問題的關鍵能力;科學態度與責任:知道輸電電壓不是越高越好,比較交變電流與直流電輸電優勢與不足,培養全面辯證看待問題的科學態度．

3 PBL課堂教學實施

PBL一般教學流程如圖1所示,[2]結合實際課題或課堂需要可以適當調整和變通．

圖1 PBL教學的一般流程

3.1 創設情境,提出問題

問1:電能給我們的生活帶來了很大的便利,那教室里的電能來自哪里?(從真實的體驗出發來提問)

問2:電廠一般建設在哪里呢?(展示水力、風力、核電發電廠圖片,電廠在發電資源豐富的地點,大多離用電城市地點較遠)

問3:電能如何輸送到用電地區?(問題切口較大,沒有過多限定條件,這是開放的實際問題——主問題)

評析:情境創設應根據課題實際,盡量來源于學生的真實體驗的環境,這樣的情境更有帶入感;關鍵問題的提出可以比較開放,具有不良結構,讓學生自覺運用所學物理知識進行思考分析,培養學生解決問題應有的物理觀念．

3.2 合作探究,形成方案

關于電能輸送,學生根據前面所學恒定電流內容很容易提出“用兩根導線直接輸送”,學生認為這很簡單．

合作探究:先讓學生用6 V交流電源直接給額定電壓6 V的燈泡供電,發現燈泡很亮;通過很長的導線給6 V燈泡供電發現亮度下降很多;用電阻絲代替輸電導線,燈泡基本不亮,表明用戶沒得到什么能量．(實驗引發思維沖突,將問題復雜化,引導學生深入思考)

問4:怎么會有上面這樣的現象的呢?(學生容易想到導線電阻損耗了功率的原因,但學生不容易定量表達清楚.為了更進一步研究,要引導學生建立簡單輸電模型,一起畫出電路圖,并標出可能用到的物理量如圖2．)

圖2 簡單輸電電路圖

問5:怎樣減少導線上損耗的功率,讓遠距離的燈泡重新亮起來?(根據輸電模型,學生可以寫出ΔP=I2r,可以通過減小r或I來減小電能損失．)

問6:怎樣減小r呢?實際可行嗎?說出理由．(從理論走向實際,問題的解決要考慮實際的距離、成本、施工、環境等,讓學生體會STSE關系)

問7:如果發電廠的裝機容量一定,也就是電站向外輸送的電功率是一定的,如何減小輸電電流I?(對發電站輸電功率基本保持不變學生沒有預備知識,需要提醒,然后讓學生分組討論,由P=UI可得,輸送功率一定的情況下可以通過提高U來減小I)

問8:如何提高輸送電壓呢?能畫出輸電示意圖嗎?(難點的突破一定要從內部開始,請學生展開小組討論,想到用升壓變壓器升壓,更進一步討論用戶所需電壓可知還需要用到降壓變壓器,學生畫出輸電示意圖如圖3所示.)

圖3 輸電示意圖

評析:這一部分是PBL教學落實核心素養培養的重要內容之一,如果只用講授法幾分鐘就能講好,學生也許能理解,但學生就沒有經歷問題解決過程中的科學推理、聯系實際、科學建模、合作探究等核心素養培養的要素.學生只有經歷了這些過程才會認為自己是問題解決過程中重要的一份子,自己是學習的主人,在培養關鍵能力的同時,有著滿滿的成就感,可以隨時準備應對更多、更大的挑戰．

3.3 實驗探究,驗證方案

實踐是檢驗真理的標桿,帶著形成方案后的成就感請學生進入實驗探究與驗證環節．

圖4 高壓輸電實驗

合作探究:用交流電源代表發電廠,6 V燈泡代表用戶,升壓變壓器匝數比分別用1∶16與1∶4,對應降壓變壓器匝數比分別用16∶1和4∶1按圖3所示示意圖搭建實際電路如圖4,以及不用變壓器直接給小燈泡供電,比較3組實驗中小燈泡的亮度,檢驗方案的可行性．學生發現燈泡的亮度隨輸送電壓升高而變亮了,設計方案得到有效論證,學生喜悅之情溢于言表．(實驗中若不規定變壓器匝數比則更加開放,但最終輸出電壓在不同的匝數比時不同,可能超出安全電壓,所以不規定變壓器匝數比的實驗作為演示實驗可能更合適)

評析:實驗探究是物理學科核心素養的重要組成部分,新課程標準要求學生在提出問題、形成猜想和假設后能設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息,基于證據得出結論并作出解釋．PBL教學雖然沒有強調實驗探究,但基于學科特點,實驗是物理學科重要的學習途徑,也是解決問題的重要方法,在運用PBL教學法時我們當然應該適時地利用實驗培養學生的探究能力．

3.4 實際應用,解決問題

問9:用戶得到的電壓是燈泡的額定電壓6 V嗎?怎樣讓用電器工作在額定電壓呢?(通過前面的學習,學生通過分析給出了輸電電路示意圖,但實際應用中的問題許多都是嚴謹的,需要一些定量分析,所以我們要引導學生建立模型的同時要根據實際需要標出可能要用的物理量如圖5)

圖5 輸電物理量分析

問10:該輸電電路有幾個回路?回路中元件是什么連接關系?回路間有什么聯系?(理清3個回路是定量列式的基礎;抓住回路間由兩個變壓器構成的聯系是列式的關鍵;物理量和聯系公式雖然多,但學生在問題鏈的提示下自己逐個回路列式,小組交流討論后很快都能掌握)

問11:有情境例題運算(略,及時通過具體問題的數字運算可以加深對問題的理解,同時學生可以像工程師一樣能給用戶一個具體的建議,如變壓器的匝數比、用戶能得到的功率等,所學知識可以應用到實際問題的解決中)

評析:該部分也是落實核心素養的重要過程之一,由定性到定量,由概念性問題到具體問題解決,如何設計表達物理量并具體應用是該部分的難點和重點,講練式教學在講解或題目中都是給出要研究的物理量,學生能找到各物理量的關系式就能解決問題．而在實際問題中,物理量需要根據研究內容和研究需要來設置,會決定研究方向和結果,該部分也屬于學生關鍵能力的培養．

3.5 實踐反思,提出新問

展示和介紹實際輸電電路及輸電電壓值．

問12:是不是輸電電壓越高越好呢?(引導學生從理論回到實際應用,實際問題要考慮功率、距離、技術等綜合因素,依照不同的情況選擇合適的輸電電壓,培養學生全面看問題的能力)

問13:閱讀課本“科學漫步”了解“直流輸電”、“超導輸電”技術,結合實際,體會輸電技術的實際應用．(通過閱讀材料了解交流輸電帶來諸多便利的同時,因為電容電感的影響也限制了輸電功率,讓學生認識到事物的多面性;從直流輸電在實際應用中的起伏學生認識到,技術的進步可以改變問題的研究和處理方式)

問14:課后了解電網供電技術、閱讀STS材料,談談你對科學技術與社會關系的體會．(讓學生了解實際的生活中輸電應用,也許和我們課堂探究有些差距,但原理相似．讓學生回到生活也利于學生認識STSE關系,具有節約資源、保護環境、促進可持續發展的責任感)

評析:一個問題的解決往往不是結束,更有可能是一個新問題的開始.要引導學生進行反思回顧,問題分析是否全面，有沒有新的問題等.物理問題經常與科學、技術、社會、環境(STSE)等相關,要引導學生關注它們的相互作用關系,增強社會責任感,我們要站在立德樹人的高度來培養學生．

4 總結與反思

PBL教學方式對物理核心素養培養的幾個目標達成有著較好的契合度．PBL的問題來源于實際問題,對問題的認識和剖析離不開物理觀念的形成,對問題的分析和抽象建模能促進科學思維的培養,在問題的定性、定量分析探究過程中離不開科學探究,離不開方案設計、

科學證據的收集和使用等,在問題解決過程中要回歸生活、關心社會的發展,形成科學責任和態度．

在適合的問題情境中運用PBL教學更能促進核心素養的培養．PBL強調問題情境,問題對學生要有帶入感,學生能沉浸其中當然能發揮主觀能動性去學習,所以問題的選擇和情境的創設都比較重要,盡量選擇學生有生活體驗的問題創設問題情境．

PBL教學的問題鏈不同于普通的問題羅列,PBL教學的問題鏈是為解決問題服務,有一定的遞進性,或者螺旋上升性,能引導問題的解決;又因為PBL問題經常是實際問題,可能會回歸生活,會更多的關注社會發展,更多的反思也常會產生新的問題分支．