以问题情境搭建“脚手架”的案例分析——以“研究闭合电路”教学为例

梁淑媚 王笑君

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

1 问题的提出

根据认知理论，物理课堂教学过程应该是以不断地提出问题并解决问题的方式来获取新知识的问题性思维过程[1]．相应地，让学生通过解决问题来获得相应图式的“问题教学”模式受到广大教师的推崇，也成为了教育领域研究的热点之一．而弄清楚什么是“问题”是理解“问题教学”的前提．“问题”不等同于“发问”或“提问”，它可以指教师设置的需要学生回答或应对的难题与障碍(question)，如教师精心设计的课堂提问和习题；还可以指与教学过程相关的现实社会与生活中的真实困境(problem)，如“用电高峰时为什么灯光变暗”、“为什么加入磁场后阴极射线偏转”等源于生活和实验的学生存在疑惑的情境[2]．

符合学生认知规律的问题情境能激发学生的学习兴趣，启发学生思考．而过于频繁的“低层次”设问、知识梯度较大的提问、复杂的真实困境等，都可能打击学生的参与热情和思维的积极性．因此，问题情境的创设应该与教学梯度相结合，符合学生的认识发展，以便于为学生搭建“支架”，使学生真正“卷入”到学习活动中．

“支架式教学” 的思想源于前苏联著名心理学家维果茨基创建的“最近发展区”理论， “支架”原意为建筑行业中的“脚手架”，在这里形象地描述一种教学方式：教师按照学生智力的“最近发展区”建立概念框架，借助这种脚手架的支撑作用把学生的智力从已经达到的水平提升到潜在的可能达到的水平．因而，支架式教学实际上就是最近发展区内的教与学[3],如图1所示．

图1 “支架式教学”与“最近发展区”理论之间的关系

综上所述，教师应该事先把复杂的学习任务加以分解，为学生知识的建构提供一种概念框架．一方面，“支架”的高度要符合学生的认识发展，有利于学生逐步攀升；另一方面，在梯度较大的支架间为学生提供“攀爬工具”——恰当的问题情境，帮助学生越过学习困境．换言之，教师需要用不同层次、不同类型的问题情境帮助学生搭建学习脚手架，随着问题的提出和解决，引导学生逐步深入，达到预设的能力生成要求．

下面，以粤教版选修3-1第二章第3节“研究闭合电路”一课为例，作一介绍和说明．

2 案例背景

2.1 教材分析

在教材中，本节内容分为以下4个部分：电动势、闭合电路欧姆定律、路端电压与负载的关系、测量电源的电源和内阻．由于内容较多，分为两个课时．在此讨论第一课时，关于电动势、闭合电路欧姆定律的教学思考．

“电动势”、“闭合电路欧姆定律”是电学的核心知识，是学生对电路的认识从部分电路上升到全电路的关键．课程标准对本节课的要求是“知道电源的电动势和内阻，理解闭合电路的欧姆定律”．教材通过比较常用电源不接用电器时两极间的电压，引出描述电源特性的物理量“电动势”；利用学生学过的铜锌原电池开展探究电动势、路端电压、内电压三者关系的实验，继而结合部分电路欧姆定律理论推导出闭合电路欧姆定律．综上所述，“电动势的概念和闭合电路欧姆定律的内容”是本节课的教学重点．

2.2 教学任务分析

(1)学生原有水平及学习能力分析

知识方面：学生熟悉电学的基本规律，掌握了电场力、电势能等电场知识．

能力方面：学生具备开展和分析电学实验的能力．

认知困难：教材对电动势概念的处理过于简单，电动势与电压又有相同的单位，容易让学生产生电动势就是电压的错误认识．对于电源内阻，学生缺乏感性认识，较为抽象．

(2)学生要达到的教学目标

了解电源在电路中的作用，理解电源电动势和内阻的概念．理解闭合电路欧姆定律，能计算相关电路问题．

3 案例呈现

3.1 创设情境 引入新课

(1)学生实验：电池是否合格？

向每组学生提供一组生活中常见的电池(如干电池、叠层电池、手机电池等)，以“检查电池是否合格”为由，让学生用电压表测量部分电池两极之间的电压，帮助学生认识常用电池，活跃课堂气氛．

(2)演示实验：小灯泡为什么没有烧坏？

教师提出问题：如果用9 V叠层电池直接对图2所示的由“3.8 V，0.5 A”小灯泡组成的电路供电，将会出现什么样的情况呢？讨论中，绝大多数学生认为小灯泡很亮或者被烧坏．教师演示实验，小灯泡不但没有被烧坏，而且亮度比较低．学生惊奇：小灯泡为什么没有烧坏？难道电池提供给小灯泡的电压小于3.8 V？(注：叠层电池内阻一般在10 Ω左右)

图2 演示实验电路图

设计意图：差异性问题是指结果出乎意料之外的、与学生前概念或常识相违背的科学实验．通过演示此类实验，能引发学生强烈的认知冲突，产生认知动机，激发学生的学习兴趣．

3.2 理论推导 建立概念

3.2.1 电动势

(1)讨论：电源的作用(非静电力做功)

学生知道电源的作用是为电路提供稳定的电势差，但对其微观原理了解较少．

支架1：

1)你能用电场知识分析电源外部电路的工作原理吗？

2)为什么电源能维持稳定的电势差？

3)电源内部电路中电荷的运动情况又如何？(小组讨论)

4)在电源内部，是什么作用使正电荷实现从负极到正极的移动？

帮助学生从微观角度认识电源内部工作原理．

支架2：展示如图3所示的乒乓球模式，通过“乒乓球如何从低处移到高处”的问题启发学生对问题4)的思考．教师启发，引导学生建立“电源内部非静电力做功”的认识．

图3 通过乒乓球模式引导认识“电源内部非静电力做功”

支架3：借助flash动画模拟电源内部非静电力“搬运电荷”的情景，帮助学生建立形象的物理情景．

但“非静电力”是什么力呢？通过列举化学电池、发电机等生活实例，进一步认识“非静电力”的意义．

(2)建立概念：电动势

教师指出，物理上用物理量“电动势”来描述电源非静电力做功的本领，并引导学生对比电势差和电动势的定义式，让学生亲自发现两者的本质差异，突破难点．

设计意图:“电动势”的概念框架如图4所示．围绕电源的工作原理，利用电学与电场新旧知识的联系创设阶梯式的问题情境，搭建问题型支架，引导学生经历概念建构的思维过程．对于思维梯度较大的问题，利用类比模式、动画模拟为学生创设情境，为学生提供解决问题的模型，搭建工具支架，化抽象为具体．

图4 “电动势”概念框架图

3.2.2 内电阻

(1)学生实验：观察小灯泡的发光情况

图5 学生分组实验电路图

支架：开展学生分组实验(如图5所示)，逐个闭合开关，观察小灯泡的发光情况．当学生都努力思考现象背后的物理本质，甚至反复进行实验时，教师建议：用电压表测量小灯泡两端的电压，重复实验．

(2)讨论：为什么小灯泡亮度发生变化？

针对两次实验观察到的现象开展小组讨论，由学生总结得到：电源有电阻．在学生发现“内电阻”后，教师指出全电路的等效电路图及相关定义，帮助学生全面认识闭合电路．

设计意图:“内电阻”的概念框架如图6所示．精心设计的物理实验在带给学生惊奇、疑惑和矛盾的同时，也能激发他们强烈的求知欲望，尤其是学生分组实验．运用实验创设问题情境，搭建实验型支架，使学生形成对未知知识的需要和探索，引导学生感性认识内电阻对电路带来影响．而当学生在独立探究的过程中陷入困境时，教师恰当的建议能把学生引领到问题的关键点上，为进一步探究提供支持．此外，留给学生足够的“等待时间”，鼓励小组讨论，有利于提高课堂参与度和关注度，提高学习效果．

图6 “内电阻”的概念框架图

3.3 实验探究 发现规律

(1)实验探究：E，U外，U内三者之间有什么定量关系？

支架：分析电路中电势的升和降，引出探究问题．由此，教师与学生讨论3个物理量的测量方法，一同设计实验电路(如图7所示)，带动学生参与课堂．结合教材，本实验选用锌铜原电池，在稀硫酸中加入了高锰酸钾饱和溶液，起到稳定电压的作用．采用DIS电压传感器测量电压，数据显示在大屏幕上，提高实验可视性．

图7 探究闭合电路欧姆定律的实验

(2)实验总结：闭合电路欧姆定律

引导学生观察分析实验数据，推导出三者的关系．要求学生结合部分电路欧姆推导出电流与电动势的关系，得到闭合电路欧姆定律．使学生对电路的认识从部分电路上升到全电路，突出重点．

设计意图：“闭合电路欧姆定律”的概念框架如图8所示．利用演示实验创设情境，针对实验方案、器材选择、数据记录等方面设疑，引导学生经历实验探究的思维过程．而DIS数据采集器使实验数据可视化，使每位学生都能实时观察到示数的变化，提高课堂关注度．由实验数据直接推理出E，U外，U内三者的定量关系，直观性强，便于学生理解．由此搭建的实验型支架，为学生进一步分析推理闭合电路欧姆定律提供了可靠的事实依据．

图8 “闭合电路欧姆定律”概念框架图

3.4 总结归纳 巩固提高

巩固练习：如图2所示，电路由3个“3.8 V，0.5 A”的小灯泡并联组成，测量得9 V叠成电池的参数是“9 V，10 Ω”，请计算小灯泡两端电压．

设计意图：以计算题的形式揭秘导入实验，在熟悉闭合电路欧姆定律计算的同时，让学生亲自发现其中的奥秘，体验物理学习的乐趣．

4 反思及结语

教师通过对教材内容、教学任务的分析，确定教学的知识顺序和需要提供的教学条件，并以此建构概念框架，选择合适的支架类型．在此过程中，教师除了思考“支架”的高度，使其符合学生的认知发展规律外，还要思考与支架搭配的问题情境．如利用电学和电场新旧知识的联系，搭建问题支架，引领学生探讨电源能维持稳定电压的奥秘；利用学生分组实验创设情境，营造浓厚的研究、讨论氛围，搭建实验型支架，帮助学生感性认识内电阻．教师需要用不同层次、不同类型的问题情境帮助学生搭建学习支架，随着这些问题的解决，学生的学习也将逐渐深入．根据概念框架创设问题情境，使其成为学生学习的脚手架，能有效实现问题教学的价值．

参考文献

1 赵顺法.物理课堂教学中创设问题情境的研究.中学物理教学参考,2000(04):10～13

2 罗祖兵.教育学问题教学:涵义、价值与操作.高等教育研究,2010(03):71～75

3 王海珊.教与学的有效互动——简析支架式教学.福建师范大学学报(哲学社会科学版),2005(01):140～143