基于思維進階式發展的作業變式設計實踐研究
——以蘇科版初中物理“歐姆定律”作業設計為例

盧義剛

(南京市金陵中學龍湖分校,江蘇 南京 211500)

《義務教育物理課程標準》提出：“物理課程旨在促進學生核心素養的養成和發展,引導學生學會學習、學會合作、學會生活,為學生的終身發展奠定基礎.”[1]顯然,要落實物理課程標準的目標就必須從核心素養的基本要素出發,研制與之有關的相應教學策略與措施.現以物理作業設計為抓手來具體探討落實課程標準要求的教學措施.

以“生活·物理·社會”為理念,通過基礎性、拔高性、挑戰性、活動性作業的變式設計和學生對這些作業的完成,來實現物理概念建構與思維進階式發展的教學目標,有效落實物理觀念、科學思維等學科素養的培養.

1 作業變式——基于思維進階式發展的一種作業設計策略

作業是鞏固學生所學知識、訓練學生思維方法、診斷和檢驗學生學習效果的重要手段和方法,也是提高學生分析問題、解決問題能力的有效途徑.因此,作業設計是物理教學的重要環節.優秀的作業設計不僅能夠達到預期的效果和目的,也能實現“雙減”工作的要求和目標.

作業設計的本質內涵是讓學生在真實情境下利用核心概念與規律來解決相應的實際問題,從而訓練與發展學生的思維;既能考查學生對相關知識的掌握情況,又能深化學生對相關核心概念、規律的理解、提升與拓展,進而豐富學生的物理學科素養.所以,學生完成物理作業的活動過程,就是“通過體驗和經歷情境變化來完成對信息的檢索與加工,建構物理模型,并應用物理概念與規律來解決實際問題”的思維活動過程.其設計流程圖如圖1所示.

基于“發展每一個學生”的育人目標,物理作業設計要因不同學生的物理學習能力差異而進行同一情境下的差別化設計,即在依據因材施教的理念下開展作業變式設計,布置適合不同學生的基礎性作業、拔高性作業、挑戰性作業、活動性作業等.這些個性化的物理作業變式既可以減輕學生的作業負擔,又能激起學生完成作業的斗志和學習興趣,讓每個學生因作業而得到個性化發展,使作業發揮最大的學習效益.作業變式設計的水平結構如圖2所示.

圖1 作業變式設計流程圖

圖2 作業變式設計水平結構圖

2 作業變式——基于思維進階式發展的一次實踐研究案例

基于上述對作業變式設計的理解與認識,現以初中物理蘇科版“歐姆定律”的課后作業設計為例來說明作業變式設計的特點與實踐操作技巧.

2.1 作業變式設計案例的背景分析

歐姆定律(I=U/R)是初中物理電學知識中的核心規律,其涉及到電學核心概念有電流強度(I)、電壓(U)、電阻(R),以R=U/I為原理的“伏安法”測量性實驗是體現了電學實驗的核心思維方法.“歐姆定律”的課后作業設計在凸顯其核心地位和價值時,要強化在學完“歐姆定律”內容后善于利用“作業變式設計”來對相應的物理觀念、科學思維和科學探究等學科素養進行完美詮釋和彰顯.

2.2 作業變式水平1——基礎性作業

作業設計1：使用電阻箱間接測量小燈泡的電阻.閱讀電阻箱的使用說明書,了解電阻箱的特點、接法和讀數方法.[2]

(1) 將待測的小燈泡接入如圖3所示電路的M、N兩點間,閉合開關,讀出電流表的示數I.

圖3 電路實驗圖

(2) 取下該小燈泡,將電阻箱接在M、N兩點間,調節電阻箱的阻值,使電流表的示數仍為I,讀出此時電阻箱的阻值R.問：① 小燈泡的電阻值是多大?② 為什么?

試一試,將電流表換成小量程電流表,用類似的方法測出你自身的人體電阻,并和其他學生交流測量結果.

具體要求：(1) 只完成①②兩問,并通過歐姆定律推導說明此測量方法的合理性;(2) 畫出(1)(2)兩個操作步驟的電路圖;(3) 將兩個步驟中的電路圖合并為一個圖.

設計意圖1：要求(1)新授時學生已解決,在當時學生由于還未學習“歐姆定律”的相關知識,所以只能基于第14章第1節“電阻”中“活動14.1嘗試改變電路中電流大小”所總結出的電流與電壓、電阻之間的定性關系來解題,但背后“定量的理”卻不清,只是“想當然”而已;再做的目的是強調理性分析,找到背后“定量的理”——歐姆定律,形成認知閉環,并實現“格物致理”.[3]而要求(2)則體現每個學生是否能對測量電路進行建模——畫電路圖,以便對前面所找到的“定量的理”進行進一步確認與鞏固.[4]要求(3)則是讓學生評價“先后對比”與“同時對比”哪一種方式更好,為后續更進一步的等效替代法測電阻應用奠定基礎.

效能評估1： 基于學生完成的情況來看,學生能否完成要求(1),可以反映學生能否通過歐姆定律及其變形公式來正確認識電流與電壓、電阻之間的定量關系,可以幫助學生鞏固并深化對歐姆定律及其相關公式的掌握.能否完成要求(2)和(3)則可以反映出學生面對實際電路畫出其對應的電路圖的能力是否已經具備,但從實際情況來看學生根據新要求而自主設計符合新需求功能的電路能力還有些弱;從另一個側面也說明學生根據知識自主建立電路模型的能力尚欠缺,還需要教師在后續教學中逐步幫助提升.

2.3 作業變式水平2——拔高性作業

作業設計2： 若上述作業中的小燈泡上標有“0.3 A”字樣,如何在沒有電壓表的情況下測量此小燈泡正常發光時的電阻?原實驗應如何改進?請利用歐姆定律來加以說明.

設計意圖2：“歐姆定律”學完后,學生們已經知道小燈泡上所標的“0.3 A”含義即小燈泡正常發光時的電流為0.3 A以及燈泡電阻隨溫度升高而變大的特點.因此,本作業所要測量的小燈泡電阻就是當燈泡中電流為0.3 A時的電阻.可是,當小燈泡接入電路中時,燈泡中的電流一定會恰好等于0.3 A嗎?如果不等于0.3 A,又該怎么辦呢?

為了解決這兩個問題,學生需要想到利用滑動變阻器;還要想到原電路中會不會因為定值電阻R阻值過大而導致滑動變阻器無論怎樣滑動電流根本就無法達到0.3 A的可能.究竟是直接將滑動變阻器串聯接入原電路中還是利用滑動變阻器將定值電阻R替換掉?在具體操作中什么時候調節滑動變阻器、什么時候調節電阻箱?是兩個電路圖還是一圖兩用(在原基礎性作業上的進階)?學生在解決上述問題的過程中,會逐步明晰題目背后所蘊含的“理”——歐姆定律.

“利用歐姆定律加以說明”不僅僅是讓學生在應用歐姆定律解決問題的過程中深化對歐姆定律的認識和理解,也促使學生在推導過程中理解“等效替代法”的科學應用,即解決問題過程中必須要思考“誰替代誰?”及“何為等效?”等理性問題.此作業綜合應用性強,對學生的學習與思維能力要求較高,符合臨界生的學習特點,能體現選拔的目的,可以實現對“歐姆定律”學習的再提升.

效能評估2：由于之前學生較多接觸的是定值電阻的測量,其間不需要考慮溫度對電阻的影響,其阻值大小的測量也就無須在特定大小的電流下進行.因此,之前的作業不利于學生對導體的電阻這一屬性的全面深入地理解.而本作業則要求學生基于“溫度對導體電阻的影響”,設計測量其在正常工作狀態下的阻值,能更好地幫助學生理解“電阻”這一導體的物理屬性.從學生電路設計結果上來看,有沒有選擇滑動變阻器可以考查出學生是否理解“要考慮溫度對燈泡電阻的影響”,即只能在燈泡處于正常工作的電流下對其阻值進行測量;而隱藏在題目中的定值電阻R又是制約電路中的電流是否能夠調節到燈泡正常工作電流值的另一個不確定性因素,學生在設計電路時能否考慮到它的影響而直接利用滑動變阻器將其替換掉,可以考查學生運用歐姆定律對實驗情況進行預判的能力,同時也能進一步強化學生對歐姆定律的理解.

2.4 作業變式水平3——挑戰性作業

圖4 電路圖

作業設計3：如圖4是能巧測R2阻值的實驗電路.圖中R為電阻箱,R0為定值電阻(阻值未知).若僅用電阻箱讀數表達R2的阻值,請在橫線上填上適當內容,使之符合實驗要求.

① 將開關接a,調節電阻箱和滑動變阻器滑片P至適當位置,記下________; ② 將開關接b,調節_______,保持________不變,記下________;③R2=________.

設計意圖3：此項作業考查學生對等效替代法中“誰替代誰?”及“何為等效?”是否明確,對等效替代法背后的“理”即核心概念和核心思維方法是否明確,是否具備面對新情境下的思維遷移能力及解決實際問題的能力.”[5]

此作業變式的綜合性強,變化跨度大,真正能考查出學生對I=U/R的內化與遷移應用程度,還能進一步激發學生對“等效替代法”測電阻和伏安法測電阻是兩種方法還是同一種方法的深入思考.

效能評估3：本項作業與之前作業相比,最大的不同就是之前的兩次作業僅僅是利用電阻箱進行“一次”替代,而本項作業則需要利用電阻箱進行“二次”替代.但與前兩次作業相比,它們的共同之處都是通過歐姆定律可以分析出在兩次電路中電流相同的情況下,由于電源輸出電壓相同,所以兩次電路中的總電阻也是相同的;在保持兩次滑動變阻器接入電路中阻值不變的情況下,待測電阻R2就等于電阻箱兩次的阻值之差,整個電路的分析與解決的依據與之前作業的思路完全一致.此項作業可以很好的考查學生將前兩次作業的思想方法遷移應用到新情境中的能力.

2.5 作業變式水平4——活動性作業

作業設計4：在沒有微小量程電流表的情況下,利用基礎性作業情境能否測出人體兩手之間的電阻(約為1 kΩ)?請結合自己的實踐活動,說出設計理由、操作步驟及該實驗對滑動變阻器規格的選擇有什么要求等?(見基礎性作業中的“試一試”)

設計意圖4：此項作業基于“生活·物理·社會”學科理念,將基于核心概念和規律的作業設計延伸到生活中估測人體的電阻,能夠體現出物理學科的生活性、趣味性及實用性.此項作業由于是大電阻測量,可以幫助學生在實際操作中學會對實驗器材規格進行評估與選擇.通過此項實踐活動性作業,可以進一步讓學生明白測電阻背后的“理”,內化對歐姆定律的認識,形成自己的相關物理觀念.當然,此項作業也體現了“以主題為線索,構建課程結構”的課程理念,幫助學生對原有知識進行再構.

效能評估4：本項作業是在沒有給出任何限定性器材和電路的情況下,要求學生完全自主選擇器材、設計實驗方案并且進行操作的一項解決實際問題的活動性作業,實踐要求高,難度大.由于初中學生思維和學習方式的局限性,很多時候他們對實驗的設計往往是“理論上可行,而實踐卻難以操作”;故通過學生對滑動變阻器、電阻箱的阻值規格選擇可以考查出學生應用歐姆定律分析問題與解決問題的能力程度.通過學生是選擇電流表還是電壓表來進行測量可以考查出學生對測量器材精度要求的認知情況等.此項作業的完成過程均需要學生的親自參與,通過親身體驗與經歷一場科學分析、論證、實踐、評估、再分析、再論證、再實踐、再評估的過程,真正提升他們在真實情境下解決實際問題的能力,促使其學科素養真正得到培養與升華.

3 實踐研究結論

從物理作業設計的實際效果來看,教師在作業設計時通過“作業變式設計”,可以實現高效課堂與課后有效的延續.

物理教師在進行“作業變式設計”時,要依據學生的學習能力進行作業設計的難度變式,以尊重學生,因材施教,使大家“跳一跳,都能夠得著”;要依據物理核心概念與規律進行作業設計的思維變式,以激發學生的學習熱情,實現學習與思維的雙進階;要依據“題根”進行作業設計的“一題多變,九九歸一”,讓學生在熟知的作業情境中找到自己學習的“最近發展區”,從而增強學習的自信心,理解“不變與變”的物理辯證簡約之美.