科学预设 促进生成

李轩 彭朝阳 李立琛

摘   要：基于生成性学习理论，采用科学预设、促进生成的教学模式，既关注教又关注学。以“闭合电路的欧姆定律”教学设计为例，通过“情境激疑、鼓励探究、延展思维、促进迁移”等教学流程，培养学生生成性思维，继而助力学生科学思维能力的提升。

关键词：生成性学习；生成性思维；核心素养；科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）8-0073-5

１    生成性学习

１９７４年，美国学者维特罗克在《作为生成过程的学习》中写到：“学习过程是由学习者内属的个体自主建构，不是对外部信息输入过程的完全接纳；而学习活动进行的支撑是学习主体的原有认知与从外界环境中接受的感觉信息相互作用，是主动构建有意义信息的生成过程”［１］。

维特罗克理论的意义在于：第一，针对学习者所必需的主动性，需要从主动接受信息过渡到纳入信念体系，继而更好地实现信息到知识的转换；第二，需要去考虑新旧知识之间、学习内容与个体之间的关系，其主动选择的过程和建构信息意义的结果具有一定的不确定性。

将“生成”理念与学习者思维融合所形成的生成性思维，核心在于懂得运用创生、延展的思维去看待事物及其发展。让学习者承认生成性思维，就是“不在假定人、教学有预先存在的本质，而是在活动中敞开其性质”［2］，切实遵从在过程中认知，且追求学习者的内在体验。而提升科学思维能力则需要学习者懂得基于客观事实以及具有正确的逻辑思维，敢于质疑并予以检验和修正，进而提出创造性见解。由此可见，两者之间的导向一致。

２    教学策略

学生的成长过程，是由教师和学生的相互作用动态生成的［3］。要实现培养学生的核心素养、增强创新意识和实践能力等目的，利用动态“生成性”的教学策略以及“以学生为中心”的培养过程就显的尤为重要。

２．１    教学目标的定位

教学目标是促进有效教学的关键，应使其与学生的思维相对接。在物理教学中强化落实培养学生的科学思维能力，教师需要使学生具备一种“勤学好问”的质疑精神。教师要能够依据课堂实时情况，使学生主动参与教学互动，引导学生敢说、敢做、敢出错，并且能够将学生看似“不合理”的想法进行有效处理，引导学生的逻辑思维，落实教学目标。

２．２    教学流程

笔者结合生成性学习理论以及一线教学状况，设计出如图1所示的教学流程图。

该流程要求教师在教学设计中善用提问的方法“逼迫”学生对事物产生兴趣，使其产生疑问并主动求知。所以，笔者在教学流程中故意设计“预设生成”和“教师准备”两个重点步骤。

预设就是在教学中的有目的、有计划、有组织的预先设计的过程。教师要做到精于准备，在课堂教学中对学生的反馈信息进行良性捕捉，并结合课堂实时状态，有效处理学生突发问题，从而激发学生的逻辑思维。同时，还应将教学焦点明确于学生，通过新知识的学习与原有的知识经验相互作用，达到一种良好的生成学习。

３    基于生成性理念的“闭合电路的欧姆定律”教学设计

３．１    剖析学情，确立目标

经过前面电势、电路知识的学习，学生对于静电力做功与电荷量、电势差之间的关系有了较为深刻的认识，可以理解静电力做功和电势能变化之间的关系，并能够从非静电力做功的角度研究感应电动势问题，较为熟练地利用功能关系解决部分电路欧姆定律的有关电路问题。

根据新课标要求，学生要熟练掌握并运用闭合电路的欧姆定律解析电路各组成部分电学量的相互联系［4］。

３．２    创设情境，诱发质疑

本教学设计利用认知冲突以及实验引入。首先，向学生展示如图2所示装置，并说明两个电路的差别仅是所用电池不同（左侧电路安装的是新电池，右侧电路安装的则是旧电池）。

其次，闭合开关以后，发现左侧电路灯泡更亮，据此，向学生提出明暗不同的疑问，激发学生积极思考后，利用图3中的对比实验分别提出问题：

（1）小灯泡为什么能持续发光？

（2）小灯泡为什么不一样亮？

（3）小灯泡为什么会变暗？随之进入本课讲解重点——“闭合电路的欧姆定律”。

３．３    问题引领，互动探究

物理观念的形成和发展需要教师在学生原有知识的基础上，引导学生深度理解物理知识群的内部关联，并抓住其焦点，提煉其经验，自然而然形成学生自己独有的见解。

针对问题（1）：

师：以正电荷为例来描述电流形成的过程，在我们闭合开关以后，电源两端就存在电势差，正电荷在电场作用下，顺时针定向移动，形成了电流。但是，此电流是持续的吗？为什么能持续？

预设生成：

①学生认为是电源发挥一定作用，维持电路运行。

②学生认为电源起到一种类似于“搬运”的作用，在电源内部把正电荷从负极搬回到正极，但是对搬运介质定性有些模糊。

教师准备：

①若学生反馈为第一种，教师应该继续引导学生针对电源如何发挥作用进行思考，探讨其作用过程是怎样的。

②若学生反馈为第二种，教师应继续延伸学生所说的不确定的物理观念，教授专业物理内容。

焦点明确：

①电路中电流的形成：导体中的自由电荷（自由电子）在电场的作用下定向运动就形成了电流。

②正电荷从电源正极出发，顺时针到达负极，迅速中和此处负电荷，由于关键装置——电源起到了搬运作用，具体是从电源内部把正电荷搬回到了正极，所以电源两端形成了恒定的电势差。

③上述所说电源起到的搬运作用，是需要力来维持的，我们称之为“非静电力”。

教师在学生原有知识的基础上，引导学生深度理解物理知识群内部的关联，并抓住其焦点，提炼其经验，引导学生形成自己独有的见解。

３．４    延展思维，策动合作

师：不同电源中非静电力做功的本领是否相同？如何比较其做功本领大小呢？

预设生成：

①学生认为做功越多，做功的本领就越强。

②学生认为要想比较做功本领大小，可以利用水泵抽水做功来做样例，在相同质量水的条件下，谁能抽的最高，本领就最大。由此可以类比：在一定条件下，比较做功本领的强弱。

教师准备：

①若学生反馈为第一种，教师应该利用学生熟悉的样例来纠正学生已有认知，作比较时，需要统一好目标过程量。

②若学生反馈为第二种，教师应该拓展学生思维，引出用比值来定义非静电力做功的本领，随之引出关于电动势的物理概念。

焦点明确：

①在电源内部，电源移动电荷，增加电荷的电势能，在物理学中，人们常用非静电力所做的功和随其移动的电荷量之比来表征电源的这种特性——电动势。

②电动势，在数值上等于在电源内部，由负极移送１库仑的正电荷到正极非静电力所做的功。如果非静电力做功用Ｗ表示，移动电荷量用ｑ表示，则电源电动势E=W/q。

③与电势差公式U=W/q作对比：ａ．数值上，电势差等于移送单位正电荷静电力所做的功；电动势等于非静电力把单位正电荷从负极移动到正极时所做的功。ｂ．物理意义上，电势差反映将电势能转化为其他形式的能的本领；电动势反映将其他形式的能转化为电势能的本领。ｃ．决定因素上，电势差由电场本身决定，而电动势由电源本身决定。

④电动势只与非静电力自身特性有关，与外电路无关。

针对问题（2）：

师：在闭合回路中，闭合开关以后，电源将在外电路当中形成一个恒定电场，电流的方向与恒定电场的方向是一致的，正电荷将从电势高的位置流向电势低的位置。既然电源内阻是一个纯电阻，经过等效以后可知，流过内阻的电流应向左，电势向左减小，但是我们看图4的右侧图中，电源内部电场线方向向右，顺着电流方向电势在增加，这是为什么呢？

预设生成：

①学生认为，在化学上我们曾介绍过电池内部的构造，在两极处具有化学反应层，发生了化学反应，用来提升电势。

②学生认为电源两极处确实发生了化学反应而导致电势跃升，但电流流过电源时也存在电势降落。

教师准备：

①若学生反馈为第一种，教师则引导学生脱离固有思维，思考电源内部和内阻电势实际状态。

②若学生反馈为第二种，教师则继续延伸学生所想，利用图5柱体图描述闭合电路中电势的变化。

焦点明确：

①在外电路中，沿电流方向电势降低。

②图5的物理意义：在闭合电路中，电源正极电势高而电源负极电势低，电源充当一个能够将正电荷从电势能低处移动到电势能高处的载体。这个过程中正电荷需要突破势垒，让电势能突然升高，从而维持闭合电路中的稳定电流。简言之，电源内部存在电阻，沿电流方向电势降低，但总体上电势沿电流方向存在“跃升”。

针对问题（3）：

师：我们把外电路當中的用电器称为负载，负载的阻值变化会引起负载两端电压（路端电压），也就是外电压发生改变。改变的原因是由于外阻的变化会引起总电阻的变化（要注意一般情况下可认为电动势Ｅ和ｒ是保持不变的）。当外阻增大时，从I=E/（R+r），U外=IR=E-Ir，可推导出U外增大。以这个角度看待问题（3），就可继续推导出闭合开关之后，R外减小，U外减小，亮度随之变暗。

焦点明确：路端电压与负载之间的联系在于Ｒ增大时，路端电压随电流减小而增大；Ｒ减小时，路端电压随电流增大而减小。

３．５    操作可视，推动迁移

在以上基础上，引导学生探究“闭合电路电流、电源电动势以及内外电路电阻之和”三者间的关系。

师：我们可以继续将外电压用U外=Ｅ－Ｉｒ的形式来描述，Ｉｒ就是U内，U外就是路端电压，U外和Ｉ的关系是怎样的呢？我们尝试着做一下闭合电路的路端电压U外和流过电源电流Ｉ变化的图像。①在理论上U外=E-Ir应该是什么图线？②进行实际的实验操作是否与理论得出的图线相吻合？

预设生成：

①学生认为公式中的Ｅ和ｒ是不变的。

②学生认为可以写成类似于一次函数形式：U外=E-rI。

教师准备：

①若学生反馈为第一种，教师则引导学生进行跨学科的思考，利用其他学科的知识进行解释。

②若学生反馈为第二种，教师需让学生明确我们要找的是U外和Ｉ的关系，并进行线性关系的确认。

焦点明确：

①U外=E-Ir是一条倾斜直线。

②横轴截距为E/r，此时路端电压为０，也可以认为外电阻为０，经常出现在将电源两极直接用导线短路时（电源内阻特别小，短路电流比较大，我们一般需避免将电源两端直接短路，防止电流过大引起火灾）。

③纵轴截距为Ｅ，这是电路当中总电流Ｉ＝０之时，相当于开关断开时的状态——断路。

以上是通过理论得到的结果。

实际实验结论是否与理论得出的图线相吻合？

预设生成：用定值电阻代替小灯泡，如图6所示。

注意：用定值电阻代替小灯泡，一是为了减少探究中所关注的对象，突出研究主题的同时降低学生探究难度；二是由于小灯泡的阻值偏小，支路过多容易导致电流过大，从而导致数据误差可能性增大。

安装图6所示的测量电路，分小组进行实验。操作滑动变阻器划片处于不同位置，测量记录出六组有关干路电流和路端电压的数据。接着各小组使用电脑进行数据处理，得到路端电压与干路电流的线性关系，如图7所示。

焦点明确：

①数据处理：通过Ｅｘｃｅｌ软件中数据处理的显像功能，将U外，Ｉ值分别定义到平面直角坐标系Ｙ轴与Ｘ轴，并将测量数据在坐标中描点，拟合之后得出一条与坐标轴有交点的直线。进而对于闭合电路的路端电压U外和流过电源电流Ｉ的关系进行可视化探究。

②U外-Ｉ图像蕴含的物理意义：ａ．纵轴截距代表电源电动势数值（表示电路断路状态）；ｂ．横轴截距代表电源的短路电流（I=E/r）；ｃ．函数直线斜率的绝对值代表电源内阻。

４    结  论

本文案例通过创新传统教学设计，将以往的“技能—方法”持续完善地推进至“素养—思维”，在教学过程中落实了生成性理念，带动学生生成性学习的发生。

教学是需要预设的，但是在教学设计当中必须思考到设计中的变化、非线性的发展。所以，教师务必要基于了解学生学情的基础上，结合课程标准、教材内容和学生的思维习惯进行教学设计。只有进行充分、科学的预设准备，才能带动课堂的有效生成。

参考文献：

［１］谭敬德，陈清，张艳丽．维特罗克生成学习理论认识论特征分析及其对教学设计的指导意义［Ｊ］．电化教育研究，２００９（８）：２２－２５．

［2］迟艳杰．教学本体论的转换——从“思维本体论”到“生成论本体论”［Ｊ］．教育研究，２００１（５）：５７－６１．

［3］叶澜．让课堂焕发出生命活力——论中小学教学改革的深化［Ｊ］．教育研究，１９９７（９）：３－８．

［4］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准 （２０１７年版２０２０年修订）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０．

（栏目编辑    李富强）