學習即研究：物理教學開展素養發展學習的途徑
——以“電荷”教學為例

祁紅菊 耿宜宏

(1. 江蘇省奔牛高級中學,江蘇 常州 213131;2. 江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

為達成新課標所提出的發展學生核心素養的教學目標,物理教學要從以教為中心、以知識傳輸為主要目的,向以學為中心、以素養發展為主要目的進行課堂轉型與重構.素養是人在面對復雜問題情境時,做出明智而富有創造性的判斷、決策和行動的能力與品質,素養發展學習是發展理性批判與實踐創造能力的學習,是培養學生面對真實情境發現問題和解決問題的能力和品質的學習.因此當前的物理教學,要從學科事實呈現轉變為學科本質探尋、從強化“直覺經驗”轉變為發展“理性批判”,讓學科核心觀念根植于真實的問題解決實踐中.這種素養發展學習的基本途徑本質上就是“學習即研究”觀點.[1]依據這一觀點,將所需傳授的知識轉化為學生解決新問題、創造新思想的實踐創造過程,即按照研究的邏輯、基于主體思維、開展自主實踐,才能體現素養發展的價值.本文以筆者獲得的江蘇省高中物理優課大賽一等獎“電荷”教學實踐為例,探討在物理教學中,從“學習即研究”的觀點出發,開展素養發展學習的實踐策略.

1 基于核心素養,定位教學目標,把握教學設計的整體性

依據教材內容、課程標準及教學經驗,在磨課前本節課的教學目標制訂如表1所示.

以上目標的制訂雖有一定的可取之處,但偏重知識的獲得,素養發展的訴求并沒有融合進學生學習的全過程.根據學科核心素養內涵,以素養發展為導向的教學目標的制訂應兼具統一性、完整性與探究性.學科知識的獲取、物理觀念的形成、科學思維的培養、探究能力的發展及科學態度及責任感等應有機地融為一體,以學習情境為載體,結合豐富多樣的教學活動,在潛移默化中內化為核心素養.[2]

表1 磨課前制訂的“電荷”教學目標

基于學生素養發展學習的訴求,磨課后本節課的教學目標調整如表2所示.

表2 磨課后制訂的“電荷”教學目標

教學目標從學生素養的發展出發,進行了整體性規劃,每個教學目標均包含了核心素養的單個或多個維度.選擇了具體的過程性目標行為動詞,減少了例如“知道”“了解”等低階認知水平的描述,增添了高階思維能力和素養發展水平的目標要求,將知識的傳輸有效地轉化為具體的研究任務,使得電荷本質探尋過程的學習意義遠超出了知識本身.

2 基于主體思維,優化整合教材,強調研究思路的邏輯性

在上述目標的統領下,基于主體思維,對教材內容重新進行了整合和優化,從知識發生、發展的邏輯關系出發,確立課堂教學思路.本節課,結合演示實驗的改進與創新、學習研究活動的層層遞進與深化,以問題設置為橋梁,不斷地誘發認知沖突,引導學生重走科學發現之路.從起電、驗電,再到規律,最后到本質,將教學不斷地引向深入,讓學生在親身體驗中發現和領悟起電的本質,以此培養學生思維的嚴謹性、深刻性和創新性.

本節課,基于主體思維和認知邏輯的教學思路架構如圖1所示.

圖1 “電荷”教學思路

本節內容由電荷、靜電感應、電荷守恒定律、元電荷4部分組成,教材設計的基本線索如下：首先從摩擦起電入手,介紹自然界中存在正、負兩種電荷及其特性;接著建構物質的微觀結構模型并解釋摩擦起電的原因;再介紹物體帶電的另一種方式——靜電感應;最后討論電荷在轉移過程中遵循的規律,以及電荷量的量子化特征.重點放在了對電荷守恒定律的理解上,難點則是從物質微觀結構的角度認識物體帶電的本質.由于存在邏輯鏈條的斷裂,學生對一些問題是存在困惑的,如：電荷為什么只有兩種?電荷為什么會被命名為正電荷負電荷?感應起電背后蘊藏的物理規律是電荷守恒,所有的起電現象背后蘊藏的物理規律也都是電荷守恒嗎?另外,起電的本質極其抽象,學生理解起來比較困難,如何在教學中突破這個難點?因此,需要優化和整合教材,將斷裂的邏輯鏈條連接完整,通過邏輯推理和實驗證據,讓學生體悟電荷的種類和命名的探究過程,從而突破難點,解密困惑.

3 基于認識起點,挖掘內隱關系,體現學科知識的生成性

“學習即研究”的觀點認為學習者就是研究者,學習的過程就是研究的過程,不唯結論,不按部就班,重發現中生成、生成中發展.因此,在課堂教學中,教師要以研究的視角來優化學習的過程,要善于從看似熟悉、常見的概念中挖掘出知識間內隱的邏輯關系,讓學生從感性認識,上升到理性認識.例如本節中“起電”這一環節,就體現了這樣的教學策略.

教師活動1：讓學生回憶初中時學過的起電方式有哪幾種,用何種方法可以判斷出物體帶電,并讓學生通過小組討論,設計出驗證電荷間相互作用特點的實驗方案.

學生活動1：小組討論,設計方案,根據提供的實驗器材動手實驗,得出結論——帶電物體能夠吸引輕小物體,帶電物體間的相互作用不是引力就是斥力.

教師活動2：啟發學生深入思考,實驗的現象和結論是否還暗示著什么?你是利用何種物理學的研究方法得出結論的?

學生活動2：小組集思廣益,在教師的點撥下,利用物理學實驗加推理的研究方法得出結論——暗示著自然界只存在兩種電荷.

設計意圖：感性認識是認識的起點.即便是經過了初中階段的學習,但學生對電荷的認識仍然大多處于感性階段,需要教師通過問題設計促進生成,引領學生層層剝繭,實現從感性認識到理性認識的質變.在“電荷間相互作用”這個教學環節,先后向學生拋出了兩個問題：這個實驗的現象和結論是否還暗示了什么?這里采用了物理學的什么研究方法?這兩個問題的提出,不僅能讓學生在合作交流中深入剖析實驗現象,提出相應的觀點或主張并在課堂上進行展示,凸顯學生“研究者”的主體地位,而且能從對常見實驗現象的反思和質疑中,挖掘出內隱的邏輯關系,讓探究過程具有邏輯上的完整性,體現出課堂教學的流暢性,培養學生邏輯思維的嚴謹性.

4 基于科學思維,通過推理論證,激發學生學習的能動性

物理學科強調的是科學性、嚴密性和邏輯性,力求言之有理、嚴謹合理,才能養成科學思維的習慣.另外,學生素養也不可能憑空發展,而是必須依賴于學生自身的能動活動,通過能動地參與學習活動,親身經歷學習過程.教師要善于利用教學情境,挖掘具有思維含量的問題,在合理的邏輯結構的引領下,引導學生展開嚴謹的推理活動,訓練科學思維.例如本節中“驗電”這一環節,就體現了這樣的教學策略.

教師活動3：每一個學習小組均提供玻璃瓶、銅絲、鋁箔、PVC塑料棒等相同的實驗材料,讓學生設計一個能驗電又能判斷電荷種類的儀器.

圖2 制作驗電器

學生活動3：討論并運用所學知識制作出如圖2所示的驗電器,并上臺展示.

教師活動4：提出更具有挑戰性的問題,電荷為什么會被命名為正電荷和負電荷呢?你能通過設計新的實驗來找到電荷命名的依據嗎?

學生活動4：小組猜測、討論,并設計實驗進行觀察、分析和驗證.實驗發現,同種電荷可以累加,異種電荷可以消減,和數學上的代數運算相類似,正正相加結果增多,正負相加結果消減,故而推理出正電荷和負電荷命名的依據.

教師進行總結和評價,這種特性叫電荷的累加性和中和性.任何結論的得出,都要有證據來支撐,實驗固然重要,但是邏輯思維的力量更偉大!它可以揭示事物的本質,是創新的源泉!

設計意圖：驗電這個教學環節,在引導學生制作驗電器,并學會利用驗電器判斷電荷的正負后,依據“用研究的視角來優化學習的過程”理念,向學生提出了一個具有挑戰性的、極易被忽略的問題：“電荷為什么被命名為正電荷和負電荷?”學習一定是從問題開始的,學生只有經歷問題解決過程才意味著學習真正開始,其前提是教師能把簡單的告知轉變為問題研究,能基于真實情境預設出具有探索性和思維性的問題.在實際課堂教學中,學生通過對該問題討論和分析,以及有理有據的推理,不僅知其然,而且知其所以然,有效地培養了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力.

又例如本節中“探尋規律”這一環節,也體現了這樣的教學策略.

教師活動5：在摩擦起電實驗中,“起電”過程是否創生出了電荷?請學生結合剛才的實驗現象大膽地猜想,電荷被命名為正、負電荷是否意味著物體在帶電過程中還隱藏了什么規律呢?

學生活動5：學生小組討論交流并假設猜想,電荷的代數和可能保持不變.學生設計實驗,驗證猜想.

教師活動6：提供如圖3所示自制的實驗器材,將上端的金屬球換成金屬板的驗電器(金屬板上包裹一層塑料薄膜)、一對帶有絕緣手柄的摩擦起電板(起電板的面積略小于驗電器上端金屬板的面積).

圖3 驗證電荷的代數和不變

學生活動6：手持絕緣手柄,將一對摩擦起電板摩擦后,其中一塊小板放到原來不帶電的驗電器金屬板上,驗電器金箔張開,然后將另一塊小板也跟金屬板正對著接觸,驗電器金箔閉合,即證明兩小板摩擦后帶上的是等量異種電荷.

設計意圖：學習的過程即研究的過程.故在電荷的規律這一教學環節,教師預設了一個頗具深度的問題：“正負電荷的命名,是否意味著起電過程還隱含著什么規律?”激發學生大膽猜測并提出自己的主張,最后通過實驗驗證收集相應的證據,強化了科學推理過程中的證據意識,有效提升了學生的科學探究意識和能力,真正地實現了知識的自主建構.以往的這一塊教學中,教師以講授為主,學生緊跟教師的步伐,這是一種被動的學習.本節課教師在此處設置了能產生認知沖突的問題,激發學生主動思考和解決問題,逐步形成尊重科學事實和證據、嚴謹、重邏輯的科學思維.

5 基于自主實踐,揭示本質特征,培養學生思維的深刻性

“學習即研究”的觀點認為,真實的學習就是濃縮的科學研究過程,與容易遺忘的知識與結論相比,學生在真實的自主實踐中獲得的思維能力才是刻骨銘心.引領回溯科學研究歷程,重走科學發現之路,共情于科學家認識自然之艱辛,感悟前人在科學迷霧中摸索前行之勇氣與智慧,是一種重要的學習方法和研究方法.這樣既讓學生認識到,科學探索并不是一蹴而就,而是曲折的、漫長的,也讓學生親自揭示隱藏在知識背后的規律,深刻理解科學的本質.

本節課中“本質”這一環節,就體現了這樣的教學策略.

教師活動7：起電的過程為什么電荷的代數和不變呢?要解決這個問題,必須要明晰起電的本質.先讓我們回顧一下,人類對起電本質認識的歷史進程吧.課件展示1733年法國科學家杜菲提出“雙電流質說”假說.1747年富蘭克林提出了“單電流質說”假說等.科學是一個不斷修正完善的過程.如今你知道摩擦為什么能使物體帶電嗎?

學生活動7：學生介紹原子的微觀結構,并從微觀角度分析摩擦起電的過程,從而得出結論——摩擦起電的本質是電子的轉移,且在轉移的過程中電荷的代數和保持不變.

教師活動8：跟絲綢摩擦后的玻璃棒是否一定要接觸金屬球,驗電器箔片才會張開?有沒有第3種起電方式呢?請小組兩兩合作,利用自制的驗電器設計實驗進行驗證.

圖4 靜電感應實驗

學生活動8：學生設計方案,實驗操作,匯報交流.將兩個自制的驗電器上端的金屬絲靠在一起,代替枕形導體,如圖4所示.跟絲綢摩擦后的玻璃棒靠近金屬絲時,兩個自制驗電器的金屬箔片均張開;將兩個驗電器分開,取走玻璃棒后,驗電器的金屬箔片仍張開.

教師活動9：同學們剛才觀察到的實驗現象叫靜電感應現象,這種起電方式叫感應起電.請同學們從微觀角度來解釋感應起電現象,并思考如下問題：感應起電過程電荷的代數和也是不變的嗎?如何通過實驗證明?

學生活動9：學生設計實驗,合作演示——將已經分開的兩驗電器上端的金屬絲再次接觸,箔片均閉合.從而得出結論——在感應起電過程中電荷的代數和也是不變的.

教師總結,大量的實驗表明,目前已知的所有起電方式,其本質均是電荷的轉移,并且在轉移的過程中遵循電荷守恒定律.

設計意圖：從歷史回顧,到理論分析,再到實驗驗證;從電荷正負的命名,到電荷的累加性和中和性,再到起電過程電荷的代數和不變,在歷史和實驗現象中不斷尋找證據,并逐步揭示物體帶電的本質.課堂教學過程中,學生用簡易材料自制器材,全員參與動手實驗.學生在歷史的回顧中感悟,在實驗的驗證中體悟,在合作中展示研究成果.學習者也是研究者的主體地位充分體現,實現了學習及研究的真實發生,形成了實證的科學態度和正確的電荷觀念.

6 教學反思

(1) 目標的制訂要突出素養培育.課堂教學目標支配著一節課學習和研究的方向,整個教學活動必須圍繞目標而展開.要實現知識課堂向素養課堂的轉型,只有深刻領悟物理學科核心素養內涵,從物理學科核心素養的4個要素來合理制訂教學目標、架構教學脈絡,以此為依據設計學習過程和支持教學的策略、資源等等,讓學科核心素養在一個個具體教學目標的落實中得到發展.

(2) 問題的設計要利于素養發展.學習的本質就是解決問題,沒有問題就談不上學習.因此在課堂教學中,教師要在深入研究文本的基礎上,以問題鏈的形式設置有價值的、深刻性的本源性問題,來創生思維沖突,觸發學生深入思考,讓學生主動投入學習,展開深層對話,開展深度探究,最終實現由學生自主發現規律.學生所獲得的不僅僅是結論,更重要的是領悟了知識的發生和發展過程,掌握了研究科學問題的正確方法.

(3) 學習的過程要體現研究發現.學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演,他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序.[3]所以,在物理教學中,教師應依據學生的認知結構,構建真實的探究情境和任務,讓學生去發現、去創造.在探索發現中,學生不僅獲取了知識,也領悟了科學思想方法.

總之,課堂的重構與轉型是核心素養時代的教育訴求,[4]其根本任務是為了實現從“知識積累型學習”到“素養發展型學習”的轉變,為此需從物理學科核心素養的4個要素來合理制訂教學目標、架構教學脈絡;需從“學習即研究”觀點出發,在深入研究文本的基礎上,深度挖掘內隱于知識深層的邏輯關系和人文價值,以問題鏈的形式設置有價值的、深刻性的本源性問題;需用研究的視角來優化學習的過程,精心設計自主實踐活動,步步設疑,層層剝繭,觸發學生深入思考,開展深度探究.學生從原來的知道、了解,上升為理解和領悟,且掌握了研究科學問題的正確方法,形成了嚴謹的科學態度,實現了素養的高階發展.