基于問題解決模型的概念學習進階教學設計
——以“靜電的防止與利用”為例

周 佳

(江蘇省常熟中學,江蘇 蘇州 215500)

自2004年“學習進階”概念在教育研究領域首次正式提出以來,該理論越來越受到關注,特別是在科學教育研究領域,已成為最重要的理論之一.美國基于學習進階理論先后制定了《K-12科學教育框架》和《下一代科學課程標準》,美國國家研究理事會(NRC)將學習進階概述為“描述學生對學科知識連貫、逐漸深入的思維方式,反映學生認知水平的發展過程”.[1]在國內,隨著以培養學生核心素養為目標的教學改革不斷深入,指向學生認知發展規律及關鍵能力培養的學習進階理論也逐漸成為當前教育領域研究的熱點.

概念學習進階的研究一般包含4個部分,分別為“核心概念”的確定、“階”的構建、測量工具的開發和教學方式的選擇.[2]其中對促進學習進階過程的課堂教學方式的研究是目前學習進階理論研究的熱點內容之一.問題解決教學模型是以建構主義為理論基礎的一種教學模型,其以真實的問題情境為載體,讓學生在解決問題的過程中逐漸加深對科學概念的理解,提升學生對所學知識的遷移應用能力,有助于學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理核心素養的培養.筆者以“靜電的防止與利用”教學為例,嘗試運用問題解決模型進行概念學習進階的教學,通過“創設情境、生成問題”“提出猜想、實驗探究”“構建模型、理論論證”“得出結論、理解應用”“靈活遷移、拓展創新”5個教學環節來幫助學生完成對核心概念的學習進階,探索學習進階教學的新路徑.

1 核心概念及“階”的構建

“靜電的防止與利用”是人教版高中物理(2017年版)必修3“靜電場及其應用”中的一節內容,本節內容以“靜電平衡”為理論基礎,討論了靜電屏蔽、尖端放電等現象,因此筆者將“靜電平衡”作為學習進階的核心概念,依據科學概念理解的發展層級模型,[3]將核心概念分為經驗、映射、關聯、系統、整合5個層級,并以此作為核心概念的進階變量(如表1所示).

表1 靜電平衡核心概念進階變量

2 教學過程

環節1:創設情境、生成問題——核心概念的經驗層級.

根據情境教學理論,創設能夠吸引學生的真實情境,有助于提升學生解決問題的動機,同時也能呈現學生對情境分析后產生的迷思概念,讓教師掌握學生對核心概念的了解程度,并以此作為學習進階的起點.

問題情境:將錫紙帶放在魔術棒上,按下開關后,錫紙帶膨脹成一個錫紙球,并懸浮在空中(如圖1所示).

圖1 錫紙帶膨脹

教師表演該小魔術后,提出問題:錫紙帶為何能懸浮在空中?并讓學生閱讀關于魔術棒起電原理的文本資料,然后布置以下兩個任務.

任務1:根據示意圖構建范德格拉夫起電機的平面模型.

任務2:將文本資料中理解上有困難的內容標出.

資料背景:魔法棒的核心部件為一個小型的范德格拉夫起電機,圖2是起電機部分的示意圖.金屬球殼固定在絕緣支柱頂端,絕緣材料制成的傳送帶套在兩個轉輪上,由電動機帶動循環運轉.E和F是兩排金屬針(叫作電刷).當電刷E與幾萬伏的直流高壓電源的正極接通時,E將放電,正電荷被噴射到傳送帶上,并被傳送帶帶著向上運動.當正電荷到達電刷F附近時,F上被感應出異號電荷.由于F端放電,F上的負電荷與傳送帶上的正電荷中和,從而使傳送帶失去電荷,而F上剩下了正電荷.F上的正電荷立即傳到金屬殼的外表面.這樣,由于傳送帶的運送,正電荷不斷從直流電源傳到球殼的外表面,從而金屬殼外表面的電荷不斷積累.

圖2 起電機示意圖

本環節教師通過小魔術的表演吸引學生的注意力,引發學生對魔術棒原理的思考.學生通過閱讀文本資料及構建平面模型分析提煉有效信息,并提出相關問題,如“為何電刷E和F會放電”“為何F上的正電荷會立即傳到金屬殼的外表面”等,教師以此了解學生對核心概念的認知起點即概念的經驗層級,同時也生成了本節課所要解決的問題,即“電荷在導體上如何分布”.

環節2:提出猜想、實驗探究——核心概念的映射層級.

問題提出后,教師引導學生根據魔術棒原理的文本資料進行猜想,得到關于電荷在導體上分布的兩個猜想:(1) 電荷只能分布在導體的外表面; (2) 越尖銳的位置電荷越密集.

接著教師將學生分組,指導學生以小組合作的形式,通過“方案設計→方案論證→方案實施→得出結論”的實驗探究過程來驗證猜想.同時教師通過搭建認知支架幫助學生完成實驗探究.

認知支架1(問題鏈):選擇何種形狀的導體?→如何使導體帶電?→如何檢測電荷?→如何反映電荷分布的疏密程度?

認知支架2:現在為每個小組提供了以下器材,請大家結合器材的種類設計相關實驗來探究電荷在導體上的分布情況(如表2所示).

表2 電荷分布情況探究表

本環節學生以小組合作的形式進行實驗探究,并借助教師提供的認知支架完成實驗探究過程.該過程培養了學生科學探究的物理核心素養,同時學生通過實驗觀察到了靜電平衡條件下電荷分布在導體的外表面、越尖銳的位置電荷越密集等現象,建立起靜電平衡相關現象與靜電平衡術語間的映射關系,實現了核心概念從經驗層級到映射層級的進階.

環節3:構建模型、理論論證——核心概念的關聯層級.

在完成對猜想的實驗探究后,教師通過搭建認知支架引導學生通過構建物理模型(如圖3、圖4所示),運用已掌握的相關理論對猜想進行理論上的分析與論證.

圖3 金屬導體在場中的電子移動過程

圖4 橢圓形導體電荷分布圖

猜想1:電荷只能分布在導體的外表面.

認知支架1(問題鏈):研究何種形狀的導體?→選用何種起電方式?→導體處于何種電場中?

認知支架2(問題鏈):電場最基本的性質是什么?→金屬導體的微觀結構如何?→將金屬導體放入電場中自由電子怎樣移動?→自由電子會在什么地方積聚?→電子的積聚會出現怎樣的結果?→最終會出現怎樣的現象(如圖3)?

猜想2:越尖銳的位置電荷越密集.

認知支架3(問題鏈):研究何種形狀的導體?→選用何種起電方式?→假設電荷開始時如何分布?→選取哪個位置的電荷為研究對象?→電荷的受力是否平衡?→電荷將向哪個方向運動(如圖4)?

本環節學生基于教師搭建的認知支架,通過構建模型、理論分析、邏輯推理等過程對猜想進行論證.該過程鍛煉了學生模型建構、科學推理、科學論證等關鍵能力,培養了學生科學思維的物理核心素養,同時學生通過該過程從理論上建立起靜電平衡各特征與靜電平衡術語間的邏輯關系,完成了核心概念從映射層級至關聯層級的進階.

環節4:得出結論、理解應用——核心概念的系統層級.

在完成對猜想實驗及理論的探究論證后,教師引導學生得出靜電平衡的概念及靜電平衡時電荷分布的特點.接著教師分別演示靜電屏蔽與尖端放電實驗,并提出系列問題讓學生運用所學的知識對現象進行解釋.

演示實驗:(1) 靜電屏蔽實驗(法拉第籠)(如圖5所示).

圖5 法拉第籠

(2) 尖端放電實驗(如圖6所示).

圖6 尖端放電實驗

問題1:為何將驗電羽放入法拉第籠中后,驗電羽沒有張開?

問題2:高壓電線維護工人穿的防護服為何里面有金屬絲?

問題3:為何會產生尖端放電現象?

問題4:避雷針的工作原理是怎樣的?

本環節通過各種靜電現象的呈現,讓學生運用靜電平衡的概念對各靜電現象進行解釋與分析,加深了學生對所學知識的理解與應用能力,使學生能從系統層面整體把握靜電平衡概念中各要素的相互關系,促使核心概念從關聯層級躍遷至系統層級.

環節5:靈活遷移、拓展創新——核心概念的整合層級.

在學生能夠從理論上對各種靜電現象進行解釋后,教師進一步拓展問題:“若將魔術棒置于金屬籠中,其產生的電場會對籠外產生影響嗎?”并通過演示實驗讓學生觀察實驗現象,接著進一步提出問題:“若要屏蔽空腔內帶電體對外的影響,應當如何操作?”

演示實驗:法拉第籠中的魔術棒對籠外驗電羽的作用(如圖7所示).

圖7 魔術棒與驗電羽的相互作用

本環節在課堂核心問題解決的基礎上進一步拓展了問題,學生容易認為法拉第籠也能屏蔽內部帶電體對外的影響,但通過觀察實驗現象發現并非如此,此時產生了認知沖突,促使學生將靜電平衡、電場性質與導體的物質結構(物質觀)、運動觀、相互作用觀等物理觀念相整合,再對問題進一步深入分析,完成對原有認知結構的調整,也實現了對靜電平衡核心概念從系統層級到整合層級的進階.

3 總結與反思

本節課基于問題解決模型進行概念學習進階的教學,根據科學概念理解的發展層級模型將核心概念分為經驗、映射、關聯、系統、整合5個層級,并將問題解決模型的5個教學環節與概念的5個層級分別對應(如圖8所示),讓學生在解決問題的過程中對核心概念的理解逐步加深,實現概念學習的進階,同時學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理核心素養也得到了鍛煉與提升.

圖8 教學環節與概念層級