基于問題鏈的體驗式學習促進深度理解*

葉文佳 李悅童 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

《普通高中物理課程標準(2017年修訂版)》中的基本理念強調“創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習環境,培養和發展學生的自主學習能力,增強科學探究能力和解決實際問題的能力”[1].這一理念與深度學習不謀而合,可以說,深度學習是培養學生物理學科核心素養的有效途徑.深度學習是指在理解學習的基礎上,學習者能夠批判性地學習新的思想和事實,并將它們融入原有的認知結構中,能夠在眾多思想間進行聯系,并能夠將已有的知識遷移到新的情境中,作出決策和解決問題的學習[2].可見,深度理解是推進深度學習的關鍵點之一.深度理解是理解的深層次思考和行動,是指學生對事物或知識本質、知識意義的理解,是學生對某一學習內容形成一種心智模式或圖式后,創造性思考和行動的結果[3].在物理教學中,如何促進學生達到對知識的深度理解,是值得我們探討的課題.

1 基于問題鏈的體驗式學習何以促進深度理解

所謂問題鏈,是教師為了實現一定的教學目標,根據學生的已有知識或經驗,針對學生學習過程中將要產生或可能產生的困惑,將教材知識轉換成為層次鮮明、具有系統性的一連串教學問題[4].在物理教學中,巧妙地設置有吸引力的問題鏈,能夠調動學生的學習動機,為學生提供各個環節的目標以及達到對知識意義深度理解的“腳手架”.而體驗式學習是指在學習過程中,學生從已有的實際操作經驗出發,親自經歷問題的操作、解釋與應用過程,并在此基礎上主動建構知識, 獲得學習方法[5].在物理課程中,學生的實際操作經驗包括實驗、探究活動、實踐活動等.基于問題鏈的體驗式學習以“問題鏈”為目標導向,以“體驗式學習”為學生提供經驗基礎,促使學生經歷從實驗現象到圖示模型再到其微觀解釋的逐步遞進的深度理解過程,達到對學生核心素養的培養.

2 基于問題鏈的體驗式學習促進“電荷”的深度理解

在初中階段,學生處于形象思維階段,對知識理解大多停留于淺層學習,教師在“兩種電荷”一節課的教學中,為了“省時省力”通常不會重現科學家的實驗過程,而是直接呈現教材中給出的最終結果.因此,學生對正負電荷的認識停留于記憶層面的“與絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷是正電荷,與毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷是負電荷”.高中教材中“電荷”是靜電場的第一節,是初高中電磁學的銜接.從認知角度看,高中生處于形象思維向抽象思維過渡的階段,如果還是延續初中淺層學習的方式,對學生的思維發展并不能起到正面作用.從課程角度看,電磁學部分的知識抽象性較強,“電荷”一節作為高中電磁學部分的開端,需要學生以深度學習的方式深入了解兩種電荷、3種起電方式的本質,為后續抽象性更強的電磁學知識奠定基礎,為電磁學的學習創造一個良好的開端.本節以人教版高中物理必修三第九章第1節“電荷”為例,闡述以基于問題鏈的體驗式學習促進深度理解在物理課堂中的應用,本節設置的問題鏈與目標對應圖如圖1所示.

圖1 問題鏈與目標對應圖

2.1 環節一:起步實驗回顧初中知識

【實驗1】準備2條10～15 cm的膠帶,將一端折疊起5 cm作為把手,將余下的部分粘在書桌上,將兩條膠帶從桌面拉起并使它們彼此靠近.可以觀察到兩條膠帶相互排斥,實驗現象如圖2所示.

圖2 兩條膠帶相互排斥

問題1：思考膠帶和桌子發生了什么作用?(目標:聯系初中摩擦起電)

教師講解:初中學過的摩擦起電是兩個物體相互摩擦,高中力學中提到摩擦是一種阻礙相對運動的作用,當膠帶粘在桌面上再快速拉起的過程中,由于膠帶具有黏性,實際上阻礙了膠帶的相對運動,因此膠帶發生了類似摩擦起電的作用.兩條膠帶相互排斥則說明帶同種電荷.

【實驗2】將一條膠帶粘在桌面上,把該膠帶標記為A,另一條膠帶粘在第一條的上面,標記為B,然后捏著重疊膠帶的一端并向上拉起,使兩條膠帶一起離開桌面,用手接觸膠帶使其放電,并快速地將它們分開,再使它們彼此靠近.可以觀察到兩條膠帶相互吸引,實驗現象如圖3所示.

圖3 兩條膠帶相互吸引

問題2：根據已學知識推斷一下實驗1、2中兩條膠帶相互排斥和相互吸引的原因是什么?(目標:電荷間的相互作用)

知識回顧:這是初中學習過的電荷間的相互作用,我們常用這種方法來判斷兩個物體是帶同種電荷還是異種電荷,那又如何判斷膠帶A、B分別帶什么電荷呢?

設計意圖:學生親自動手進行簡易且現象明顯的膠帶實驗,進行體驗式學習,并以問題1、2為驅動,引導學生回顧初中知識摩擦起電及電荷間的相互作用.既與原有知識相聯系,又能打破學生摩擦起電只能是玻璃棒與橡膠棒的刻板印象,激發學生的學習動機,進而進入本節課題.

2.2 環節二:探究自然界只存在兩種電荷

問題3：初中教材中正電荷和負電荷是如何定義的?(目標:正、負電荷的概念)

展開追問:(1)除了正電荷、負電荷還有其他種類的電荷嗎?(2)膠帶A、B會不會帶其他種類的電荷呢?(3)將橡膠棒與絲綢摩擦又會帶什么電荷呢?它會不會帶第三種電荷?

教師引導:同學們都有不同的意見,是否存在第三種電荷呢?我們通過實驗來探究.在實驗2中我們已經推理得到膠帶A、B帶的是異種電荷,這里就存在兩種電荷了.

問題4：如果存在第三種電荷,預測一下可能會發生怎樣的現象?(目標:提出問題,形成假設)

學生預設答案:如果存在第三種電荷,那三種電荷兩兩之間皆帶異種電荷,因此存在某一物體同時吸引膠帶A、B.

問題5：如何通過提供的實驗器材檢驗膠帶A、B帶何種電荷?如何檢驗你在問題4中的預測?寫出實驗方案.(目標:科學探究)

教師提供實驗器材有玻璃棒、橡膠棒、毛皮、絲綢、氣球、PVC管、塑料棒.

學生討論并確定方案:用不同的物體摩擦起電后靠近膠帶A、B,若與膠帶A相互排斥則該物體與膠帶A帶同種電荷,若與膠帶B排斥則該物體與膠帶B帶同種電荷;假如同時吸引兩條膠帶則說明存在與膠帶A、B所帶電荷都不相同的第三種電荷.

【實驗3】(1)將膠帶A和膠帶B的一端分別粘在桌沿上,并保持一定距離;(2)將毛皮、絲綢與橡膠棒、玻璃棒、PVC管、塑料棒等隨意組合進行摩擦,并分別靠近膠帶A、B;(3)觀察不同帶電物體對膠帶A、B的作用情況.部分實驗現象如圖4所示.

(a)與毛皮摩擦的橡膠棒

(b)與絲綢摩擦的玻璃棒

(c)與絲綢摩擦的橡膠棒

(d)與毛皮摩擦的PVC管圖4 不同帶電物體靠近膠帶的作用情況

檢驗膠帶A、B帶電種類:當與毛皮摩擦的橡膠棒靠近膠帶A、B時,排斥膠帶A,則膠帶A與其帶同種電荷,即負電荷;而與絲綢摩擦后的玻璃棒排斥膠帶B,則膠帶B帶正電荷.

檢驗與絲綢摩擦的橡膠棒帶電種類:已知膠帶A、B分別帶負電荷與正電荷,而與絲綢摩擦的橡膠棒與膠帶B相互排斥,則帶正電荷.同理,可以將膠帶A、B作為一種檢驗物體帶電種類的簡易方式,由此可以判斷表1中的第一行物體所帶電荷都是負電荷,第二行物體所帶電荷都是正電荷.

表1 不同帶電物體對膠帶A、B的作用情況

問題6：根據這些實驗現象同學們能得到什么結論?自然界存在第三種電荷嗎?(目標:科學思維,觀察現象得出結論)

學生分析推理得到結論:帶電物體總是排斥一條膠帶而吸引另一條膠帶,沒有出現同時吸引膠帶A、B的物體,即不存在其他種類的電荷.

教師總結:迄今為止,許多科學家做了類似的研究,結果與我們的發現是一樣的,無論用什么方式帶電,物體所帶電荷要么與絲綢摩擦過的玻璃棒相同,要么與毛皮摩擦過的橡膠棒相同.1746年富蘭克林規定,把用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的電荷叫做正電荷,用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的電荷叫做負電荷.這就是正負電荷定義的來源.

設計意圖:深度學習強調學生的主動建構,活動與體驗是其核心特征.學生是學習的主體而不是機械的知識接收器,需要親身經歷知識的形成與發展過程[6].本環節以問題鏈引導學生經歷科學探究的過程,達到對正負電荷定義的深度理解,而不僅僅停留于對某一固定搭配的記憶.同時讓學生認識以兩條膠帶檢驗帶電種類的簡易方法,能夠利用膠帶判斷生活中帶電物體所帶的電荷種類,促進知識的遷移與應用,也為下一環節的演示實驗奠定基礎.

2.3 環節三:探究3種起電方式的微觀機制

2.3.1 摩擦起電的微觀機制

展開追問：

(1)為什么當我們用橡膠棒與毛皮摩擦時帶負電荷,而與絲綢摩擦時則帶正電荷?

(2)同學們再仔細觀察表1還能得到什么結論呢?(多媒體演示圈出相互摩擦的PVC管與毛皮,如圖5所示.)

圖5 相互摩擦的PVC管與毛皮對膠帶的作用情況

得到結論:PVC管與毛皮相互摩擦之后,PVC管帶負電荷,而毛皮帶正電荷.

問題7：如何解釋兩個物體相互摩擦之后,一個帶正電荷而另一個帶負電荷,摩擦起電的微觀機制是什么?用圖示法畫出摩擦起電的微觀機制.(目標:摩擦起電的微觀解釋)

學生由初中原子結構模型分析可得不同物質的原子核束縛電子的本領不同.當兩個物體摩擦時,哪個物體的原子核束縛電子的本領弱,它的一些電子就會轉移到另一個物體上.失去電子的物體帶正電,得到電子的物體因為有了多余電子而帶等量的負電荷.這種起電方式我們就叫摩擦起電.PVC管與毛皮摩擦起電的圖示表征如圖6所示.

圖6 摩擦起電圖示表征

2.3.2 接觸起電的微觀機制

展開追問：(1)除了摩擦起電,還有什么方法能使物體帶電呢?(2)同學們還記得在初中我們曾用驗電器來檢驗物體帶電嗎?那驗電器的原理是什么呢?

教師講解:我們由同種電荷相互排斥可以判斷金屬箔片張開則驗電器帶電,進而判斷接觸驗電器的物體帶電,驗電器并沒有進行摩擦而帶電,則說明這是另一種帶電方式.那么驗電器所帶電荷與帶電物體有什么關系呢?

【實驗4】(1)用與毛皮摩擦后的PVC管接觸金屬球;(2)將金屬球靠近膠帶A、B.如圖7所示.

圖7 接觸起電實驗現象

問題8：當我們用帶負電荷的PVC管接觸驗電器時,驗電器也帶上了負電荷,那驗電器上的負電荷從哪里來呢?用圖示法畫出其微觀機制.(目標:接觸起電的微觀解釋)

從微觀角度解釋接觸起電：當一個物體帶電時,如果接觸另一個導體,電荷會轉移到這個導體上,使這個導體也帶電.這種起電方式就叫接觸起電,其圖示表征如圖8所示.

圖8 接觸起電圖示表征

2.3.3 感應起電的微觀機制

教師提問:不接觸驗電器能否檢驗物體是否帶電?當我們用帶電PVC靠近但不接觸驗電器的金屬片會出現什么現象呢?

【實驗5】(1)將PVC管與毛皮摩擦;(2)將摩擦后的PVC管靠近但不接觸驗電器的金屬片.實驗現象如圖9所示.

圖9 驗電器感應起電實驗現象

【實驗6】(1)在帶絕緣支架的枕形導體兩端掛上金屬片;(2)將與毛皮摩擦后的PVC管移近其中一個金屬球;(3)保持PVC管不動,將枕形導體的兩端分開;(4)將枕形導體的左端和右端分別靠近膠帶A、B.實驗現象如圖10所示.

圖10 金屬導體感應起電實驗現象

得到結論:不接觸也能使物體帶電.靠近PVC管的導體帶正電荷,與PVC管帶異種電荷;遠離PVC管的導體帶負電荷,與PVC管帶同種電荷.

問題9：如何解釋如上實驗現象,并用圖示法畫出其微觀機制.(目標:感應起電的微觀解釋)

展示金屬微觀結構模型并進行微觀解釋:當一個帶電體靠近導體時,由于電荷間相互吸引或排斥,導體中的自由電荷便會趨向或遠離帶電體,使導體靠近帶電體的一端帶異種電荷,遠離帶電體的一端帶同種電荷.像這樣由帶電體靠近導體而導致自由電子重新分布的現象,就是我們所說的靜電感應現象,利用靜電感應使金屬導體帶電的過程叫作感應起電.圖示表征如圖11所示.

圖11 金屬導體感應起電圖示表征

設計意圖:本環節學生在經歷從實驗現象到其圖示表征再到其微觀解釋的過程中,建構對3種起電方式的深度理解,區別于傳統教學中純粹進行理論分析,本環節以多個實驗創新給學生提供宏觀現象的支撐,學生從中自主建構對知識意義的理解,最終達到深度理解的程度.

2.4 環節四:總結歸納 回歸本質

問題10：總結以上3種起電方式的圖示表征,你能發現電荷的總量有何規律嗎?(目標:總結得到電荷守恒定律)

總結歸納:由3種起電方式的圖示表征我們可以得到結論——電荷既不會創生,也不會消滅,它只能從一個物體轉移到另一個物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分;在轉移過程中,電荷的總量保持不變.這個結論叫作電荷守恒定律.

設計意圖:通過總結以上3種起電方式,自然而然歸納得到電荷守恒定律.學生從大量現象認識其本質,進而達到對兩種電荷的深度理解.

3 結束語

本文旨在從深度學習的視角,通過基于問題鏈的體驗式學習,給學生提供清晰的階梯導向,打破學生淺層學習的習慣,一步一步達到對知識的深度理解.通過豐富的動手實驗與演示實驗,從微觀角度加深其對3種起電方式本質的理解,有利于學生透過現象看本質,對學生靜電部分的深度學習有一定的幫助.基于問題鏈的體驗式學習給學生提供“腳手架”自主建構知識,激發學生的創造性思考,而不是一味地灌輸,將學生當作只會記憶的知識接收器.