基于物理核心素养理念下的学习进阶教学设计——以“安培力的方向判断”为例

马佳宏 韩叙虹

(北京市第八十中学,北京 100102)

教育的变革与进步是赢得21世纪人才竞争的关键,当代教育变革的主题是促进学生核心素养的发展．为实现促进核心素养发展这一教育目标,作为一线教师,要学习如何根据课程和实际学情分析,系统规划教学活动,科学地引导学生核心素养的发展．在科学教育领域,学者们通过围绕大概念的整合,设计基于学习进阶的发展规划,以此来统筹学生核心素养的整合发展．以北师大的郭玉英教授及其团队提出的学习进阶层级模型,对中学物理课堂改革给出了指导性的教学建议,以此为基础的教学设计的实践和研究,正逐步在中学物理课堂中得以推广和应用．

本文以学习进阶层级模型为指导,通过对安培力一节进行系统分析,最终确定以安培力的方向判断做为知识载体,在课上开展了这样一节学习进阶的教学设计的教学实践,取得了很好的课堂教学效果．

1 学习进阶层级模型

关于面向核心概念的学习进阶方面,郭玉英教授及其团队在层级复杂度(hierarchical complexity)和知识整合(knowledge integration)等认知理论的基础上,提出了科学概念理解发展的层级模型(如表1)．以此模型中的层级为进阶变量,描述了能量、机械运动与力、电与磁等核心概念的各级表现期望,使用大样本测试的方法收集了中学阶段不同年级学生表现的数据,对预设的表现期望进行了实证检验．通过数轮的检验,调整、完善理论预设,为这些核心概念建构了契合我国学生实际的学习进阶．

表1 科学概念理解的发展层级模型

可见,什么是学习进阶?学习进阶是指“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时,依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”．基于复杂度模型,刻画学生的学习发展过程:事实经验→映射→关联→系统→整合．通过对物理学科科学核心概念和关键科学能力的进阶描述,落实对学生学习状态的准确把控,明确学生现有认知状态和期望整合的科学概念和能力,以及中间认知状态,并以此为基础进行学情分析,描绘出学习轨迹．以学习轨迹为脚本,创设情境和驱动问题,进行课堂教学,以此实现学生核心素养的发展．

以下是笔者以公开教学的一节朝阳区区级研究课“安培力”为例,重点阐释了如何开展“安培力方向判断”的进阶教学实施．

2 学习进阶视域下的“安培力方向判断”的教学设计与实践

2.1 环节1:经验

重现原有知识经验——通电直导线在磁场中会受到力的作用.

课堂小魔术:安培力演示仪(图1)随意控制铜棒运动的方向．

实验原理:利用单刀双掷开关控制电流方向,从而改变导体棒的受力方向(图2)．

图1 实验仪器图

图2 实验原理图

师:导致铜棒运动的原因?

生:受力.

师:这个力是谁施加的?

生:磁场、电流．

小结:通过初中的学习已知通电直导线在磁场中会受到力的作用，称该力为安培力．

思考:安培力的方向和什么物理量有关?老师为什么可以随意控制它的运动方向?

2.2 环节2:映射

构建映射关系——找到与安培力方向相关的物理量．

问:根据生活经验及初中知识,猜想安培力方向和什么物理量有关?

生:安培力方向可能和磁场方向、电流方向有关．

问:若磁场方向改向,受力方向会变化吗?电流方向反向,受力方向又会怎样变化?

生:受力方向均会变成反向．

演示实验:改变磁场方向和电流方向,验证猜想．

小结:实验结果显示与大家猜想的情况一致．可见,安培力的方向确实受这两个因素的制约．

图3 学生分组实验

2.3 环节3:关联

构建具体关系——通过学生实验,自己探讨安培力的方向和磁场方向以及电流方向之间的联系．

学生实验:安培力的方向和磁场方向以及电流方向之间的关系．

学生分组实验探究,实验操作如图3,采用控制变量法,通过改变磁场方向和电流方向,共得到4组实验数据,并在学案中记录电流、磁场和所受安培力的方向．尝试从自己的数据(表2)中,总结规律,得出它们之间的具体关系．

表2 实验记录表

小结:电流、磁场及所受安培力的方向,3者相互垂直．

进一步引导:再具体的关系呢?例如给定某个磁场的方向,在其中放入一根通电直导线,该如何判断直导线所受安培力的方向呢?

(学生不能很好判断)

2.4 环节4:系统

寻找共性关系——制作安培力模型,寻求电流、磁场及所受安培力3者方向间的关系．

介绍制作安培力模型:提供每个小组的器材有橡皮泥和3根火柴棒．用火柴头表示箭头代表方向,黑色的火柴表示磁场的方向,条纹的火柴表示电流的方向,原色的火柴表示安培力的方向．运用探究实验获得的实验情况,完成安培力模型的制作．

学生动手操作,根据实验结果,将火柴棒插在橡皮泥上,制作得到如图4的安培力模型．

图4 安培力模型

师:事先,我并没有检查大家前面的实验结果是否正确,现在请所有小组把你们制作的安培力模型放在一起．请告诉我,你们发现了什么?

生:所有模型完全一样．

师:你们商量过用哪组实验情况了吗?

生:没有．

师:没有商量,随机实验,而结果是所有模型却完全一样,看来安培力的方向和磁场方向以及电流方向确实存在着某种关联．现在请同学们通过观察寻找这种特殊的关联．

生:(不自觉地拿起3个手指,分别指向3个相互垂直的方向,分别代表三者之一;或者指向墙角)

师:同学们的方法非常棒!但是墙角不会转动,而磁场和电流方向是会发生变化的,这样的话,我们判断起来就不太方便,但是手是可以灵活转动的,所以想到用手的同学真的非常高明.科学家们给出了一种类似于3根手指的很形象的方法,叫“左手定则”来判断安培力的方向．

学生按照左手定则,对探究实验得到的情况逐个验证,均正确．

2.5 环节5:整合

构建科学观念、学科之间的联系——磁场整合、数学物理整合．

师:实际上,安培力的方向一定垂直于磁场的方向和电流的方向.这一规律正好符合数学中矢量叉乘的结果．而刚才同学想到的3根手指的方法,就是我们大学生中,判断叉乘结果的一个非常好的方法．具体是怎么叉乘?有兴趣的同学可以课下自己进一步去研究．大家可以看到,这是我们在磁场中第二次用到手,以后我们还会用到手来判断关于方向的问题．手在磁场这一个板块的学习中起到了非常关键的作用,希望大家都能够用好自己的手．

现在让同学们也来做做魔术师,判断一下课堂开始时实验中的铜棒会往哪边运动．

(学生实验)

3 教学启示

通过课堂教学实践,笔者深深地体会到学习进阶理论对课堂教学的指导意义,包括以下几个方面.

3.1 学习进阶有助于学生构建知识体系

国外研究者认为,以整合的知识体系为核心、围绕少数概念进行深入探究的进阶学习,能够有效改变其“广而浅”的科学学习现状,最终实现科学素养的发展．本课例围绕“安培力方向判断”这一核心知识,由简单的现象出发,从特殊到一般,深入研究,直到学生完整的归纳总结出安培力方向是如何判断的．使学生形成完整的、系统的知识脉络．不再觉得安培定则就是教师硬塞给他们的一个记忆工具．

3.2 学习进阶有助于学生跨越知识之“阶”习

教学实践表明,学生在系列概念认知发展历程中,存在着概念之“阶”现象,从而成为教学难点．对课堂中“阶”的理解以及如何设计教学以促进学生跨越“阶”最能体现教师教学智慧．学生的经验概念是学生的一种“信念”,在教学中可以看作是活动的假设,教学过程则是不断对这个信念提供证据以证实或证伪的过程．围绕“进阶”设计核心活动,有助于学生实现“阶”的跨越,也有助于教师在教学设计时找到抓手．本课例中就通过台阶引导学生自己往目的地走．不需要教师生拉硬拽,而是学生知道目的——安培力方向判断之后,发现教师搭建的台阶——安培力模型的制作过程,自己摸索着往上爬．这样获得的知识更为牢固可靠．

3.3 学习进阶有助于学生发展科学素养

科学教育应该从学生感兴趣并与他们生活相关的课题开始,逐步进展到掌握大概念．科学教育所有课程活动都应该致力于深化学生对科学概念的理解,同时应该考虑其他可能的目标．例如,科学态度和能力的培养．本课例中,学生就体会到了如何从特殊到一般,也体会到了总结归纳．从学生熟悉的事物、已有的知识经验出发,在完成对概念逐“阶”建构的同时,侧重于对学生科学思维能力的逐渐提升．构建学习进阶,能较好地呈现概念发展进程,符合学生认知发展规律,促进科学素养的连续一致发展．