三維學(xué)習(xí)和SOI模型相結(jié)合的教學(xué)框架探索

嚴(yán)云峰 王長江 劉藝菲

摘 要：物理觀念是核心素養(yǎng)的重要組成部分，但一些教師將物理概念和規(guī)律的教學(xué)等同于物理觀念的培養(yǎng)，這就窄化了物理觀念的內(nèi)涵.為了消除誤區(qū)，文章結(jié)合“三維學(xué)習(xí)”和“SOI模型”，形成以“體驗、思辨、表達(dá)”為目標(biāo)導(dǎo)向，以“選擇、組織、整合”為教學(xué)過程的教學(xué)框架，并以“大氣壓強(qiáng)”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，以期使學(xué)生形成正確的物理觀念，發(fā)展他們的邏輯推理、概念思辨、應(yīng)用與表達(dá)等能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：SOI模式;體驗;思辨;表達(dá)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0021-04

基金項目：安徽師范大學(xué)博士啟動金項目“中學(xué)物理思維型課堂教學(xué)模式研究”（項目編號：217XJJ27）;安慶市2020年度教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的高中物理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)策略研究”（項目編號：AJKT2020-029）.

作者簡介：嚴(yán)云峰（1997- ），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究;

劉藝菲（1988- ），女，陜西咸陽人，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究、科學(xué)教學(xué)研究.

通訊作者：王長江（1972- ），男，寧夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：物理教育、教師教育研究.

1 問題提出

物理學(xué)科的核心是思維，物理教學(xué)最重要的功能和目的是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，如何在日常教學(xué)使學(xué)生明晰知識，深入了解現(xiàn)象背后的機(jī)理并能夠表達(dá)和應(yīng)用是一線教師一直在思考的問題.

在對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)時教師往往存在兩個誤區(qū)：一是用現(xiàn)象背后的規(guī)律、原理來代表整個知識，這導(dǎo)致學(xué)生在尚未明晰物理現(xiàn)象的情況下就開始學(xué)習(xí)深層次的理論，顯然不利于學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)知識，就更不用說后面的內(nèi)化與應(yīng)用了;二是知識的教學(xué)僅僅局限于知識本身，認(rèn)為懂得了知識就是學(xué)會了知識，殊不知課程目標(biāo)的重要一點就是知識的應(yīng)用與表達(dá).這兩個誤區(qū)都是因為教師沒有透徹領(lǐng)悟物理核心素養(yǎng)導(dǎo)致的.

對于我們在教學(xué)和研究中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了基于三維學(xué)習(xí)和SOI模式的教學(xué)方式.以SOI模式為教學(xué)設(shè)計的內(nèi)容基礎(chǔ)，以“體驗、思辨、表達(dá)”的三維學(xué)習(xí)為目標(biāo)導(dǎo)向，可以規(guī)避教學(xué)產(chǎn)生的誤區(qū)，使課程安排更加合理.

2 三維學(xué)習(xí)和SOI模式相結(jié)合的教學(xué)方式

2.1 三維學(xué)習(xí)

三維學(xué)習(xí)以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)思想，基于物理學(xué)科特點、發(fā)展物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)要求，張詠梅工作室豐實了其內(nèi)涵，明晰了三者關(guān)系[1].三維學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)“體驗”“思辨”與“表達(dá)”.體驗是基礎(chǔ)，它基于現(xiàn)象的觀察與感知，決定意識的產(chǎn)生;思辨是整個學(xué)習(xí)過程的核心，它導(dǎo)致知識的整合與內(nèi)化，決定知識的形成;表達(dá)是呈現(xiàn)形式，是測試手段也是學(xué)習(xí)目的，它將體驗和思辨顯性化[2].三者相互支撐，互為補充.

2.2 SOI模式

SOI模式是由理查德·E·梅耶最先提出，他認(rèn)為，教學(xué)信息是旨在促進(jìn)學(xué)習(xí)的信息[3].有意義學(xué)習(xí)必須滿足三個重要的條件，即選擇信息、組織信息、整合信息.與三維學(xué)習(xí)相同，SOI模式也是以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)思想.

如圖1所示，有意義學(xué)習(xí)的SOI理論的內(nèi)涵是： 學(xué)生在學(xué)習(xí)時主動進(jìn)行認(rèn)知加工，首先從呈現(xiàn)的文本中選擇相關(guān)的語詞，從呈現(xiàn)的插圖中選擇相關(guān)的圖像，將所選擇的圖像組織為一個連貫的圖像模型，將圖像模型和言語模型同先前的知識整合起來，就完成了有意義學(xué)習(xí)的過程[3]. S指的是選擇（Selecting），O指的是組織（Organizing），I指的是整合（Integrating）.

2.3 整合三維學(xué)習(xí)和SOI模式的教學(xué)框架

三維學(xué)習(xí)是一種目標(biāo)追求，它希望將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)合理安排在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)而不失偏頗.但是，課程目標(biāo)需要立足于課程實際，立足于課程結(jié)構(gòu)的安排和設(shè)置.只有將三維學(xué)習(xí)和 SOI模式相結(jié)合，才能達(dá)到最好的效果.整合三維學(xué)習(xí)和SOI模式的教學(xué)方式，如圖2所示.

物理觀念的教學(xué)講求從“現(xiàn)象”入手，探究“原理”并在生活中能夠“應(yīng)用”，三維學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的目的是“體驗”“思辨”“表達(dá)”.這六個維度是內(nèi)容與形式的關(guān)系：“體驗”物理現(xiàn)象，“思辨”概念和規(guī)律，“表達(dá)”物理知識的應(yīng)用.SOI模式主張學(xué)習(xí)過程要包括“選擇”“組織”“整合”，這是學(xué)習(xí)的過程，在當(dāng)中起到了橋梁和粘合劑的作用.這樣的教學(xué)方式不僅不會出現(xiàn)只注重對于物理概念和規(guī)律教學(xué)的情況，而且教師為了追求學(xué)生的體驗感和表達(dá)欲，會引入豐富的教學(xué)材料和問題案例，使得教學(xué)結(jié)構(gòu)更加完整，內(nèi)容更加充實，更加利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，先用實驗、故事乃至多媒體演示吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生沉浸在“體驗”狀態(tài)，充分刺激他們的耳朵和眼睛，讓他們形成感覺記憶.學(xué)生會從接收到的信息中選擇一部分進(jìn)入大腦匯總成語言和圖像、形成前工作記憶，經(jīng)過大腦的“思辨”，學(xué)生在大腦中建構(gòu)模型，工作記憶正式形成.接下來，原本的長時記憶會順應(yīng)、同化學(xué)生腦海中形成的工作記憶，整合成為新的認(rèn)知，新的認(rèn)知成為長時記憶并在腦海中固著下來，學(xué)生能夠?qū)⑵溥M(jìn)行“表達(dá)”.至此，整個學(xué)習(xí)過程結(jié)束.

如圖3的概念框架圖所示，在這個流程中，“選擇”過程對應(yīng)的是“體驗”行為;“組織”過程對應(yīng)的是“思辨”行為;“整合”與“表達(dá)”相互映證，表達(dá)是整合的表現(xiàn)形式.表1是三維學(xué)習(xí)和SOI模式相結(jié)合的教學(xué)思路框架.

3 基于三維學(xué)習(xí)和SOI模式的教學(xué)案例設(shè)計

3.1 選擇信息，建立聯(lián)系，親身體驗

教師活動：同學(xué)們經(jīng)常會觀看音樂噴泉的表演，可大家在教室里見過噴泉表演嗎，今天老師就讓大家在教室里現(xiàn)場觀看噴泉表演.老師手里有一個“魔杯”，現(xiàn)在導(dǎo)管沒有水涌出，但是如果老師倒進(jìn)去一小杯水會怎樣呢？

體驗一：引入 “魔杯”魔術(shù).利用虹吸原理制造的“魔杯”，裝置示意圖（如圖4所示）如下：陰影部分為黑色不透明塑料紙，將裝置包裹住，使其為一個黑箱.先在杯子中加入水至虛線位置，塑料導(dǎo)管不出水.加入一小杯水漫過導(dǎo)管頂管，水就會源源不斷流出.學(xué)生思考，為什么之前沒有水流下來，僅僅倒入一小杯水后，就會有水源源不斷流出來呢？

行為體驗：觀察、體驗“魔杯”的運作過程，必要時可以安排學(xué)生動手操作.

內(nèi)心體驗：（1）體會到魔術(shù)的神奇，對現(xiàn)象感到疑惑，激起學(xué)習(xí)本節(jié)新課的興趣.（2）這樣的現(xiàn)象用物理學(xué)知識可不可以解釋呢？欲揚先抑，在了解原理后更會感覺到科學(xué)的偉大與精妙絕倫.

教師活動：為什么之前水沒有流下來？難道是有一只無形的手堵住了小孔？我們看這個裝置處于空氣中，是不是空氣充當(dāng)了這只無形的手呢？在前面的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)知道了液體對浸入其內(nèi)部的物體有壓強(qiáng)作用.我們所處的大氣是不是類似于一片汪洋，也會對浸入其中的物體有壓強(qiáng)的作用呢？

體驗二：實驗證明大氣壓的存在.由于人們長期生活在大氣層中，對于它的壓強(qiáng)早就司空見慣，難以察覺.我們利用飲料瓶來感知大氣壓強(qiáng)的存在，往空的飲料瓶內(nèi)倒一點開水，用力搖晃，再把水倒出來.迅速密封瓶蓋，我們可以觀察到飲料瓶逐漸變癟.

行為體驗：觀察體驗飲料瓶逐漸變癟的過程，明顯看到空氣中有一個力使飲料瓶發(fā)生形變.

內(nèi)心體驗：感覺到了物理與生活的聯(lián)系之深，大氣壓強(qiáng)真的存在，而且就在我們身處的環(huán)境之中，說明我們學(xué)習(xí)的物理知識對于生活是有意義的.

體驗三：播放“馬德堡半球?qū)嶒灐钡南嚓P(guān)紀(jì)錄片.1654年，馬德堡市長格里克進(jìn)行了一項科學(xué)實驗，格里克把兩個空心的半球貼在一起，抽出球內(nèi)空氣，然后用兩隊馬向相反方向拉，兩隊馬費了九牛二虎之力終于把它拉開了.

行為體驗：觀看視頻和圖片，觀察、體驗空氣帶來的力是非常巨大的.

內(nèi)心體驗：（1）體會到空氣的壓力生活中無處不在，而且力量無窮.（2）讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，極大地調(diào)動了學(xué)生的探索欲和求知欲.

選擇—體驗環(huán)節(jié)設(shè)計說明：先利用“魔杯”實驗吸引學(xué)生的興趣，對于物理現(xiàn)象的產(chǎn)生感到疑惑，獲得探究物理規(guī)律的欲望.通過體驗飲料瓶被空氣壓癟的現(xiàn)象，學(xué)生明晰了大氣和液體一樣，對于沉浸其中的物體有壓力作用.但壓力究竟有多大，學(xué)生此時并不知道.馬德堡半球?qū)嶒灥慕榻B讓學(xué)生感受到要想拉開半球需要很大的拉力，知道大氣壓強(qiáng)是非常大的，為下一環(huán)節(jié)深入探究大氣壓強(qiáng)做準(zhǔn)備.

3.2 組織信息，建立模型，理論思辨

教師活動：模擬馬德堡半球.將兩個吸盤合到一起，擠壓出吸盤內(nèi)部空氣后用力拉吸盤，提出問題.

思辨一：（1）你覺得用多大力拉吸盤能拉開，真實操作之后和你想的一樣嗎？（2）是什么力將兩個吸盤緊緊壓在一起的？（3）如果在吸盤上扎一個小孔，它們還能吸在一起嗎？

批判質(zhì)疑：（1）對馬德堡半球?qū)嶒灲⒛Ｐ瓦M(jìn)行模擬，通過實驗證明現(xiàn)象確實會如視頻所示.（2）“事實思辨+認(rèn)知思辨”：拉不開或很難拉開吸盤的原因，對于一開始的固有想法產(chǎn)生質(zhì)疑，形成壓強(qiáng)的概念.（3）皮碗上有小孔會導(dǎo)致皮碗內(nèi)外壓強(qiáng)一致，無法吸在一起，對于壓強(qiáng)的概念有進(jìn)一步的明確.

證據(jù)推理：（1）感受大氣壓強(qiáng)的存在，吸盤周圍只有空氣，所以是空氣對它們施加了力.（2）親身行動，需要很強(qiáng)的力才能將兩個吸在一起的物體拉開，說明馬德堡半球是有充分科學(xué)依據(jù)的.

教師活動：總結(jié)大氣壓強(qiáng)的概念.大氣朝各個方向都有壓強(qiáng)，空氣對浸在里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)作用叫大氣壓強(qiáng).我們通過馬德堡半球?qū)嶒灨惺艿搅舜髿鈮旱耐Γ谴髿鈮簭?qiáng)看不見摸不著，如何才能測出它的大小呢？放置三組長度不同的玻璃管，注滿水，將管口倒置放入水中，大家觀察杯中的水柱，裝置如圖5所示.

思辨二：（1）為什么水柱沒有下落？（2）為什么即使增高了玻璃管高度，水柱還是沒有下落，難道是玻璃管有多長，水柱就有多高？（3）水柱對底面的壓力和大氣壓的關(guān)系如何？

批判質(zhì)疑：（1）“事實思辨+認(rèn)知思辨”：之所以水柱沒有下落，是因為空氣對于液面有壓力.（2）思考如何才能測量大氣壓強(qiáng)[4].

證據(jù)推理：水柱對底面的壓力和大氣對液面的壓力是相等的.

教師活動：理論推導(dǎo)水柱對底面的壓力和大氣對液面的壓力相等.示意圖如圖6所示，取同一深度的A面和B面，則A、B兩面壓強(qiáng)相等.A面壓強(qiáng)pA=ρ液g（h1+h2）;B面壓強(qiáng)pB=p氣+ρ液gh2.由于pA=pB，ρ液gh1+ρ液gh2=p氣+ρ液gh2，所以p氣=ρ液gh1.得大氣壓強(qiáng)等于其所支持高度h1對應(yīng)的液體壓強(qiáng)的數(shù)值.但是即使我們知道大氣壓強(qiáng)可以用液體高度測出來，前面的現(xiàn)象我們發(fā)現(xiàn)以水為測量液體時水面高度太高無法測量，那我們怎樣測量大氣的壓強(qiáng)呢？

學(xué)生小組討論后回答：可以選用密度更高的液體來進(jìn)行實驗.

組織—思辨環(huán)節(jié)設(shè)計說明：通過模型模擬馬德堡半球?qū)嶒灒寣W(xué)生不僅僅局限于視覺和聽覺體驗，通過模擬加深學(xué)生對于大氣壓強(qiáng)的認(rèn)識.基于批判質(zhì)疑，明確了大氣壓強(qiáng)的概念定義.通過實驗觀察和理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)水柱對底面的壓力和大氣對液面的壓力是相等的.基于證據(jù)推理，得到了測量大氣壓強(qiáng)大小的方法.學(xué)生經(jīng)過思辨和討論，發(fā)現(xiàn)可以采用密度更高的液體測壓強(qiáng)的方式規(guī)避水面高度過高的問題，自然過渡到托里拆利實驗.

3.3 整合知識，聯(lián)系實際，積極表達(dá)

教師通過錄像展示托里拆利實驗的過程，以提問的形式，檢查學(xué)生自學(xué)結(jié)果.

表達(dá)一：（1）玻璃管傾斜，水銀柱怎樣變化并說出原因.（2）在該實驗中為何使用水銀？

語言表達(dá)：（1）不管玻璃管如何變化，水銀柱高度不變的原因.（2）實驗中使用水銀的原因.

教師活動：講解托里拆利的實驗過程與原理.示意圖如圖7所示，已知水銀密度為13.6×103kg/m3，托里拆利測得管內(nèi)外水銀面的高度差為760mm.根據(jù)計算得到大氣壓強(qiáng)p0=ρgh=13.6×103kg/m3×9.8N/kg×0.76m=1.013×105Pa.

表達(dá)二：閱讀書上材料，回答：（1）生活中怎樣測量大氣壓強(qiáng)？（2）為什么不使用水銀氣壓計？（3）簡單介紹金屬盒氣壓計.（4）實際測量大氣壓強(qiáng)后，你在1樓測得的壓強(qiáng)和在30樓相等嗎？你得出了什么結(jié)論？

語言表達(dá)：（1）不同氣壓計的工作原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu).（2）大氣壓強(qiáng)不是固定不變的，會隨高度的變化而改變.

操作表達(dá)：如何使用氣壓計.

表達(dá)三：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，哪位同學(xué)能試著解釋課前那美麗的噴泉是怎么形成的？

語言表達(dá)：解釋噴泉形成的原因，和本節(jié)的知識有什么樣的聯(lián)系.

操作表達(dá)：揭秘魔術(shù)的原理，學(xué)生操作，親身實踐.運用知識形成的過程加深同學(xué)們對本節(jié)知識的理解.

整合—表達(dá)環(huán)節(jié)設(shè)計說明：在教學(xué)中，整合—表達(dá)環(huán)節(jié)是離學(xué)生生活最近的教學(xué)環(huán)節(jié)，它直接反映了整節(jié)課的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生接受新知的程度.在這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生基于前面的理論推導(dǎo)，結(jié)合托里拆利實驗的實驗數(shù)據(jù)，求得了大氣壓強(qiáng)，明晰了大氣壓強(qiáng)的大小.通過對氣壓計的學(xué)習(xí)，懂得了氣壓是如何與我們的生產(chǎn)生活相聯(lián)系的，在生活中能夠讀懂、會用氣壓計.通過實際操作，還發(fā)現(xiàn)大氣壓強(qiáng)會隨著高度的增加而減小，它反映了隨著所處地理位置不同，大氣壓強(qiáng)并不是一成不變的，這對于日常生活有著極大的啟示與幫助.最后，鼓勵學(xué)生運用本節(jié)課所學(xué)知識解釋課程開始時的魔術(shù)，首尾呼應(yīng)，也為課程增加了更多的趣味性.

4 小結(jié)

針對目前課堂教學(xué)中存在的誤區(qū)，基于三維學(xué)習(xí)和SOI模型的相關(guān)理論，提出了將二者相結(jié)合的教學(xué)框架，并且給出了教學(xué)案例設(shè)計.通過研究不僅可以加強(qiáng)物理教育工作者對于物理現(xiàn)象和表達(dá)與應(yīng)用的重視，而且可以依據(jù)三維學(xué)習(xí)使得課程目標(biāo)更加全面，SOI模式可以使課程內(nèi)容更加合理，設(shè)計出內(nèi)容明晰、主題明確、過程明顯的教學(xué)設(shè)計，以利于課程安排更加符合培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求[5].

參考文獻(xiàn)：

[1]李衛(wèi)軍.教學(xué)意義的不斷追問——“體驗、思辨、表達(dá)”三維學(xué)習(xí)在“功”教學(xué)中的應(yīng)用案例[J].中學(xué)物理，2019，37（24）：48-49.

[2]張詠梅，李衛(wèi)軍.“體驗、思辨、表達(dá)”三維學(xué)習(xí)突破學(xué)習(xí)難點——以“凸透鏡的焦距隨其厚度改變而改變”為例[J].基礎(chǔ)教育論壇，2020（03）：55-57.

[3]理查德·E·邁耶.多媒體學(xué)習(xí)[M].北京：商務(wù)印書館，2006.

[4]鄭宇晴，朱靈坤，張軼炳.基于BOPPPS教學(xué)模式的“大氣壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計[J].物理教師，2019，40（01）：7-11.

[5]梁健.初中物理教學(xué)模式和教學(xué)方法的創(chuàng)新策略研究[J].天天愛科學(xué)，2020（09）：53-54.

（收稿日期：2021-05-20）