应用PBL教学 落实核心素养培养——以“电能的输送”为例

吴志山

(江苏省南通第一中学,江苏 南通 226001)

1 问题的提出

物理课程标准要求课堂教学要更加关注育人目的,更加注重培养学生核心素养,更加强调提高学生综合运用知识解决实际问题的能力．[1]但从当前物理教学现状来看,教师们迫于课时或分数等压力因素,为了提高课堂“效益”,普遍直入“主题”.对一些知识点给出公式后,直接“上题”,一堂课下来,学生主要是记住了公式,会模仿代数据计算,但不知道为什么要用这个(些)公式,没有考察它的“过去”,也不知道它的“未来”,仅仅会在“当下”.所在章节或课堂结束再过一段时间后,所学内容也就“所剩无几”．究其原因,我们认为在这样的课堂上,学生只是 “看客”,课堂是基于教师的“教”,而不是学生的“学”,课堂缺少师生互动、生生互动,学生看教师讲着“故事”,“被迫”进行模仿,学生的学习比较消极,甚至久而久之有了厌倦的情绪．这样的课堂怎能落实核心素养的培养?

基于问题的学习(Problem-based Learning 简称PBL)最早由神经病学教授巴罗斯(HowardBurrows)在加拿大的麦克马斯特大学医学院首创,也最先用于医学教学,后来被广泛用于其它学科．PBL教学模式是基于学生“学”的立场,注重学生在真实情景、结构不良的问题中的学习能力的培养,鼓励学习者进行合作学习,在问题解决过程中提升学生关键能力,培养学生学科核心素养．在课堂教学中有许多联系实际的问题,特别是章末往往有些本章内容的实际模型或应用,能让学生结合所学知识提升解决问题的能力,在问题解决过程中的培养学生学科核心素养．笔者以“电能的输送”为例,跟大家交流应用PBL教学在课堂中落实学科核心素养的实践,以期抛砖引玉．

2 PBL课堂教学准备

课堂教学过程中核心素养的培养应该基于学生的学情,PBL教学的问题落点应在学生“最近发展区”,这样才能更好地助力核心素养的培养．在课堂教学前我们要做好教材、学情和培养目标的分析和准备．

2.1 教材分析

“电能的输送”是人教版选修3-2“交变电流”的最后一节,要求学生用所学知识解决一个实际问题——电能的输送．重点讨论在电能的输送过程中如何减少电能的损失,了解电能输送的技术;内容涉及电路分析与设计、闭合电路欧姆定律、电阻定律、变压器等应用,包含多组电压、电流、电功率等20多个物理量的关系及计算.这是一个既有理论性又有一定技术性的生活应用综合问题,适合应用PBL教学方式,有情境、有体验,能在问题探索解决过程中落实学科核心素养的培养．

2.2 学情分析

通过前面的学习,学生掌握了欧姆定律、电阻定律、电磁感应定律等有关规律,了解了变压器在交流电问题中的应用,能对电路进行分析.由于本节内容中的问题来源于实际生活,需要学生具有较强的分析与建模能力,且输电电路结构复杂,参与运算的物理量较多,适合在问题情境下学生自主学习与合作学习相结合,在共同解决问题的过程中提高学生分析推理、建模探究等关键能力．

2.3 确定目标

物理观念:能用能量守恒的观念分析问题;科学思维:积极分析推理输电过程中能量损失的原因,抓住主要矛盾,建立输电模型;科学探究:理论和实验探究输电模型的可行性,提升解决问题的关键能力;科学态度与责任:知道输电电压不是越高越好,比较交变电流与直流电输电优势与不足,培养全面辩证看待问题的科学态度．

3 PBL课堂教学实施

PBL一般教学流程如图1所示,[2]结合实际课题或课堂需要可以适当调整和变通．

图1 PBL教学的一般流程

3.1 创设情境,提出问题

问1:电能给我们的生活带来了很大的便利,那教室里的电能来自哪里?(从真实的体验出发来提问)

问2:电厂一般建设在哪里呢?(展示水力、风力、核电发电厂图片,电厂在发电资源丰富的地点,大多离用电城市地点较远)

问3:电能如何输送到用电地区?(问题切口较大,没有过多限定条件,这是开放的实际问题——主问题)

评析:情境创设应根据课题实际,尽量来源于学生的真实体验的环境,这样的情境更有带入感;关键问题的提出可以比较开放,具有不良结构,让学生自觉运用所学物理知识进行思考分析,培养学生解决问题应有的物理观念．

3.2 合作探究,形成方案

关于电能输送,学生根据前面所学恒定电流内容很容易提出“用两根导线直接输送”,学生认为这很简单．

合作探究:先让学生用6 V交流电源直接给额定电压6 V的灯泡供电,发现灯泡很亮;通过很长的导线给6 V灯泡供电发现亮度下降很多;用电阻丝代替输电导线,灯泡基本不亮,表明用户没得到什么能量．(实验引发思维冲突,将问题复杂化,引导学生深入思考)

问4:怎么会有上面这样的现象的呢?(学生容易想到导线电阻损耗了功率的原因,但学生不容易定量表达清楚.为了更进一步研究,要引导学生建立简单输电模型,一起画出电路图,并标出可能用到的物理量如图2．)

图2 简单输电电路图

问5:怎样减少导线上损耗的功率,让远距离的灯泡重新亮起来?(根据输电模型,学生可以写出ΔP=I2r,可以通过减小r或I来减小电能损失．)

问6:怎样减小r呢?实际可行吗?说出理由．(从理论走向实际,问题的解决要考虑实际的距离、成本、施工、环境等,让学生体会STSE关系)

问7:如果发电厂的装机容量一定,也就是电站向外输送的电功率是一定的,如何减小输电电流I?(对发电站输电功率基本保持不变学生没有预备知识,需要提醒,然后让学生分组讨论,由P=UI可得,输送功率一定的情况下可以通过提高U来减小I)

问8:如何提高输送电压呢?能画出输电示意图吗?(难点的突破一定要从内部开始,请学生展开小组讨论,想到用升压变压器升压,更进一步讨论用户所需电压可知还需要用到降压变压器,学生画出输电示意图如图3所示.)

图3 输电示意图

评析:这一部分是PBL教学落实核心素养培养的重要内容之一,如果只用讲授法几分钟就能讲好,学生也许能理解,但学生就没有经历问题解决过程中的科学推理、联系实际、科学建模、合作探究等核心素养培养的要素.学生只有经历了这些过程才会认为自己是问题解决过程中重要的一份子,自己是学习的主人,在培养关键能力的同时,有着满满的成就感,可以随时准备应对更多、更大的挑战．

3.3 实验探究,验证方案

实践是检验真理的标杆,带着形成方案后的成就感请学生进入实验探究与验证环节．

图4 高压输电实验

合作探究:用交流电源代表发电厂,6 V灯泡代表用户,升压变压器匝数比分别用1∶16与1∶4,对应降压变压器匝数比分别用16∶1和4∶1按图3所示示意图搭建实际电路如图4,以及不用变压器直接给小灯泡供电,比较3组实验中小灯泡的亮度,检验方案的可行性．学生发现灯泡的亮度随输送电压升高而变亮了,设计方案得到有效论证,学生喜悦之情溢于言表．(实验中若不规定变压器匝数比则更加开放,但最终输出电压在不同的匝数比时不同,可能超出安全电压,所以不规定变压器匝数比的实验作为演示实验可能更合适)

评析:实验探究是物理学科核心素养的重要组成部分,新课程标准要求学生在提出问题、形成猜想和假设后能设计实验与制订方案、获取和处理信息,基于证据得出结论并作出解释．PBL教学虽然没有强调实验探究,但基于学科特点,实验是物理学科重要的学习途径,也是解决问题的重要方法,在运用PBL教学法时我们当然应该适时地利用实验培养学生的探究能力．

3.4 实际应用,解决问题

问9:用户得到的电压是灯泡的额定电压6 V吗?怎样让用电器工作在额定电压呢?(通过前面的学习,学生通过分析给出了输电电路示意图,但实际应用中的问题许多都是严谨的,需要一些定量分析,所以我们要引导学生建立模型的同时要根据实际需要标出可能要用的物理量如图5)

图5 输电物理量分析

问10:该输电电路有几个回路?回路中元件是什么连接关系?回路间有什么联系?(理清3个回路是定量列式的基础;抓住回路间由两个变压器构成的联系是列式的关键;物理量和联系公式虽然多,但学生在问题链的提示下自己逐个回路列式,小组交流讨论后很快都能掌握)

问11:有情境例题运算(略,及时通过具体问题的数字运算可以加深对问题的理解,同时学生可以像工程师一样能给用户一个具体的建议,如变压器的匝数比、用户能得到的功率等,所学知识可以应用到实际问题的解决中)

评析:该部分也是落实核心素养的重要过程之一,由定性到定量,由概念性问题到具体问题解决,如何设计表达物理量并具体应用是该部分的难点和重点,讲练式教学在讲解或题目中都是给出要研究的物理量,学生能找到各物理量的关系式就能解决问题．而在实际问题中,物理量需要根据研究内容和研究需要来设置,会决定研究方向和结果,该部分也属于学生关键能力的培养．

3.5 实践反思,提出新问

展示和介绍实际输电电路及输电电压值．

问12:是不是输电电压越高越好呢?(引导学生从理论回到实际应用,实际问题要考虑功率、距离、技术等综合因素,依照不同的情况选择合适的输电电压,培养学生全面看问题的能力)

问13:阅读课本“科学漫步”了解“直流输电”、“超导输电”技术,结合实际,体会输电技术的实际应用．(通过阅读材料了解交流输电带来诸多便利的同时,因为电容电感的影响也限制了输电功率,让学生认识到事物的多面性;从直流输电在实际应用中的起伏学生认识到,技术的进步可以改变问题的研究和处理方式)

问14:课后了解电网供电技术、阅读STS材料,谈谈你对科学技术与社会关系的体会．(让学生了解实际的生活中输电应用,也许和我们课堂探究有些差距,但原理相似．让学生回到生活也利于学生认识STSE关系,具有节约资源、保护环境、促进可持续发展的责任感)

评析:一个问题的解决往往不是结束,更有可能是一个新问题的开始.要引导学生进行反思回顾,问题分析是否全面，有没有新的问题等.物理问题经常与科学、技术、社会、环境(STSE)等相关,要引导学生关注它们的相互作用关系,增强社会责任感,我们要站在立德树人的高度来培养学生．

4 总结与反思

PBL教学方式对物理核心素养培养的几个目标达成有着较好的契合度．PBL的问题来源于实际问题,对问题的认识和剖析离不开物理观念的形成,对问题的分析和抽象建模能促进科学思维的培养,在问题的定性、定量分析探究过程中离不开科学探究,离不开方案设计、

科学证据的收集和使用等,在问题解决过程中要回归生活、关心社会的发展,形成科学责任和态度．

在适合的问题情境中运用PBL教学更能促进核心素养的培养．PBL强调问题情境,问题对学生要有带入感,学生能沉浸其中当然能发挥主观能动性去学习,所以问题的选择和情境的创设都比较重要,尽量选择学生有生活体验的问题创设问题情境．

PBL教学的问题链不同于普通的问题罗列,PBL教学的问题链是为解决问题服务,有一定的递进性,或者螺旋上升性,能引导问题的解决;又因为PBL问题经常是实际问题,可能会回归生活,会更多的关注社会发展,更多的反思也常会产生新的问题分支．