基于CPS模型的物理翻轉課堂教學實踐①
——以“法拉第電磁感應定律”教學為例

劉江藝 李貴安 陳虹尹 余 洋

(陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

1 引言

創造性問題解決模型(Creative Problem Solving,縮寫為CPS)由美國的帕恩斯提出,經過多次修改完善,現階段使用最廣泛的為“四成分八階段”模型,通過理解挑戰(Understanding the Challenge)、生成想法(Generating Ideas)、準備行動(Preparing for Action)、規劃方法(Planning Your Approach)四個成分聚焦“創造性問題解決”,交替使用發散思維和聚斂思維,在不斷探索的過程中產生問題最優解。[1]

將CPS模型與中學物理教學相結合,可有效培育與提升學生的創新能力。但將CPS模型直接搬入傳統課堂仍存在諸多問題,如傳統課堂教學內容集中在課中階段呈現,難以提供充足時間讓學生的思維自由發散,從而大大限制了學生創造力的發揮,且由于傳統教學的限制,學生獲得信息的途徑較少,使CPS模型中“頭腦風暴”的實施效果大打折扣。CPS模型的運用需要教師有較高的課堂應變能力,若給予學生的反饋不及時、不恰當,則會極大降低課堂效率。翻轉課堂作為“課堂革命”浪潮中興起的一種基于新理念的教學模式,[2]打破了傳統課堂的時間和空間限制,將CPS模型融入翻轉課堂,有效解決了CPS模型與傳統課堂結合存在的弊端。學生可在課前通過網絡學習、自主實驗、實地考察等多種途徑充分汲取知識,提出不同尋常的問題,建立超越“正確”答案的新想法,并帶著具有創新性和獨特性的思考成果進入課堂,教師則作為學生的“引路人”,根據學生的課前反饋設定目標和問題,為學生提供發揮創造力的課堂環境。

筆者以“法拉第電磁感應定律”教學為例,將CPS模型與翻轉課堂理念相結合,探索基于CPS模型的翻轉課堂教學模式。

2 基于CPS模型的翻轉課堂教學模式

基于CPS模型的翻轉課堂教學流程如圖1所示,各教學階段的具體內容如表1所示。該教學模式將CPS模型中“理解挑戰”和“生成想法”兩個成分放在課前進行,學生課前產生創新想法后,進一步在課中“準備行動”,提出解決方法并實施,“規劃方法”則在課后進行,對課前和課中的學習內容進行反思、總結,優化提升CPS模型,從而將正式學習與非正式學習深度相融合。

表1

圖1

該模式在教學實踐過程中并不是線性的,而是動態、靈活、開放、可調節的,可根據實際情況及時調整,問題解決者可以隨時提出新的想法,回到“生成想法”和“理解挑戰”的步驟當中。每個成分既相互獨立又相互聯系,教師在實際教學過程中,可隨時優化改進。[3]該模式具有較強的適應性,運用得當可使教學過程煥發出勃勃生機。

3 “法拉第電磁感應定律”的教學案例分析

3.1 課前:理解挑戰,生成想法

3.1.1 尋找時機

教師利用網絡教學平臺提供課前學習資源:(1) 電磁爐使未接電源的LED燈發光的實驗視頻;(2) 手機無線充電設備的圖片及視頻;(3) “發光地板裝置”的演示視頻。[4]

學生觀看視頻及圖片后提出問題:(1) 為什么LED燈未接電源卻可以持續發光?(2) 為什么手機不用充電線也能充電?(3) 為什么人在“發光地板裝置”上跳動時燈泡能發光?(4) 以上三種情境中的電能是怎樣產生的?……

3.1.2 搜集資料

學生根據問題通過網絡搜集資料,觀察家里的電磁爐和無線充電裝置。教師提示、引導學生回憶楞次定律和電源電動勢的定義,將電磁爐和手機無線充電設備的內部結構作為切入點獲取相關信息,猜想“發光地板”的構造。

3.1.3 生成問題

學生通過搜集資料、復習楞次定律和電源電動勢等活動,發現上述三個情境中的共同之處:電路中有持續且穩定的電流。聯想電動勢的相關知識,判斷電路中都有電動勢的產生。由此,生成關鍵問題并發布在互動平臺上:(1) 該電動勢的大小與什么因素有關?(2) 磁通量的變化會影響該電動勢的大小嗎?(3) 如何測量該電動勢的大小?……

每個學生的問題不同,但本質上應與電動勢相關,教師要密切關注互動平臺,及時為學生提供幫助。最后,教師在互動平臺上點明該電動勢為感應電動勢,并確定最終問題:決定感應電動勢大小的因素有哪些?如何通過實驗驗證?

3.1.4 提出猜想和實驗驗證方案

學生猜想影響感應電動勢大小的因素如下:(1) 磁感應強度B;(2) 磁體運動的速度v;(3) 線圈的橫截面積S;(4) 穿過線圈橫截面的磁通量Φ;(5) 線圈匝數n;(6) 磁體通過線圈的時間Δt……

學生思考驗證猜想的實驗方案,將想法發布在互動平臺上。

評析:課前自主學習是翻轉課堂的核心,學生需要先分析三個情境中隱含的信息。在此過程中教師不能過早介入,要留給學生充足的自主探索時間,為其提供思考方向,關注學生認知發展的連續性和階段性。學生在形成猜想時,剖析、去除非本質的因素,如“發光地板”是否由于跳動產生的聲音而發光等,進而提取關鍵信息,思維在發散后聚斂,在此基礎上提出猜想和實驗驗證方案。

3.2 課中:準備行動

3.2.1 尋求方法

師生共同揭秘“發光地板裝置”的構造及原理,利用磁體、螺線管和檢流計模擬發光過程(圖2),進行演示實驗,讓學生更直觀地通過電流變化感知感應電動勢的變化。引導學生在課前猜想的基礎上,將磁感應強度B、線圈的橫截面積S兩個因素合并,歸納總結出感應電動勢的影響因素為:線圈匝數n、穿過線圈橫截面的磁通量的變化量ΔΦ、磁體通過線圈的時間Δt。

圖2

小組討論如何探究感應電動勢與n、ΔΦ、Δt之間的關系,分享課前準備的實驗方案,每位成員發表想法,通過“頭腦風暴”產生最佳實驗方案。準備實驗器材,組內分工合作,驗證實驗方案的可行性,準備課堂展示。

3.2.2 展示與評價

小組匯報并展示。

(1) 定性探究

將磁體以不同的速度插入和拔出螺線管(圖3),速度越快,回路中的電流、電動勢越大。據此得出結論:感應電動勢E與Δt成反比。將不同數量的磁體疊加在一起穿過螺線管,發現磁性越強,即磁通量的變化量越大,回路中的電流、電動勢越大。據此得出結論:感應電動勢E與ΔΦ成正比。增加螺線管線圈匝數,將磁體穿過螺線管,發現匝數越多,回路中的電流越大,線圈產生的電動勢越大。據此得出結論:感應電動勢E與n成正比。

圖3

(2) 定量探究

圖4

每組的展示結束后,教師引導其他組同學從實驗器具、實驗過程、實驗結果、實驗誤差等方面進行評價,提出質疑,展開答辯,在思維的碰撞與交鋒中獲得新認識。

教師總結法拉第電磁感應定律的內容和表達式,幫助學生梳理實驗過程,構建知識網絡。利用PPT展示法拉第電磁感應定律在現代生活中的廣泛應用,如發電機、汽車車速表、電磁感應式震動報警器等,介紹我國的磁懸浮列車曾創下最高運營時速、最低運營溫度等世界紀錄,彰顯我國的科技實力。

評析:“頭腦風暴”是CPS模型的重要步驟,學生在小組討論中生成不同實驗方案,定性探究與定量探究結合,由感性認知到定性判斷,符合學生的認知規律。在教學中有機融入課程思政元素,有利于提高學生的民族自豪感和自信心,實現中學物理課程的育人功能。

3.3 課后:規劃方法

3.3.1 評估課題

教師布置課后任務:了解磁生電的科學猜想和歷史背景,了解法拉第的科學研究方法、生平事跡和科學成就,學習法拉第堅持不懈的科學精神。學生查找資料,完成課后任務。

學生開展自我評估,教師評價學生的個體表現和小組表現,對于創造性思維能力和探究過程可從流暢性、靈活性、原創性、詳盡性四個方面進行評價。

3.3.2 總結問題解決過程

學生回顧實驗探究思路及創造性問題解決過程,反思發散和聚合思維的使用情況,繪制問題解決思路圖(圖5)。教師回顧各環節教學效果,優化教學設計,形成“閉環”教學。

圖5

評析:學生通過自我評價,培養關于問題解決過程和創造技能的元認知能力,繪制思路圖則可以使其有效審視問題解決過程,提高知識和方法的遷移能力。

4 結語

將“四成分八階段”的CPS模型與翻轉課堂的課前、課中和課后相結合,為學生提供了發揮自主學習和創新能力、發現和解決問題的平臺。這種教學模式可與時俱進,借助信息技術和網絡平臺進行教學,大力推動信息化教學改革,為中學生創新能力的培養提供新的思路。