基于问题链的体验式学习促进深度理解*

叶文佳 李悦童 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750021)

《普通高中物理课程标准(2017年修订版)》中的基本理念强调“创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习环境,培养和发展学生的自主学习能力,增强科学探究能力和解决实际问题的能力”[1].这一理念与深度学习不谋而合,可以说,深度学习是培养学生物理学科核心素养的有效途径.深度学习是指在理解学习的基础上,学习者能够批判性地学习新的思想和事实,并将它们融入原有的认知结构中,能够在众多思想间进行联系,并能够将已有的知识迁移到新的情境中,作出决策和解决问题的学习[2].可见,深度理解是推进深度学习的关键点之一.深度理解是理解的深层次思考和行动,是指学生对事物或知识本质、知识意义的理解,是学生对某一学习内容形成一种心智模式或图式后,创造性思考和行动的结果[3].在物理教学中,如何促进学生达到对知识的深度理解,是值得我们探讨的课题.

1 基于问题链的体验式学习何以促进深度理解

所谓问题链,是教师为了实现一定的教学目标,根据学生的已有知识或经验,针对学生学习过程中将要产生或可能产生的困惑,将教材知识转换成为层次鲜明、具有系统性的一连串教学问题[4].在物理教学中,巧妙地设置有吸引力的问题链,能够调动学生的学习动机,为学生提供各个环节的目标以及达到对知识意义深度理解的“脚手架”.而体验式学习是指在学习过程中,学生从已有的实际操作经验出发,亲自经历问题的操作、解释与应用过程,并在此基础上主动建构知识, 获得学习方法[5].在物理课程中,学生的实际操作经验包括实验、探究活动、实践活动等.基于问题链的体验式学习以“问题链”为目标导向,以“体验式学习”为学生提供经验基础,促使学生经历从实验现象到图示模型再到其微观解释的逐步递进的深度理解过程,达到对学生核心素养的培养.

2 基于问题链的体验式学习促进“电荷”的深度理解

在初中阶段,学生处于形象思维阶段,对知识理解大多停留于浅层学习,教师在“两种电荷”一节课的教学中,为了“省时省力”通常不会重现科学家的实验过程,而是直接呈现教材中给出的最终结果.因此,学生对正负电荷的认识停留于记忆层面的“与丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷是正电荷,与毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷是负电荷”.高中教材中“电荷”是静电场的第一节,是初高中电磁学的衔接.从认知角度看,高中生处于形象思维向抽象思维过渡的阶段,如果还是延续初中浅层学习的方式,对学生的思维发展并不能起到正面作用.从课程角度看,电磁学部分的知识抽象性较强,“电荷”一节作为高中电磁学部分的开端,需要学生以深度学习的方式深入了解两种电荷、3种起电方式的本质,为后续抽象性更强的电磁学知识奠定基础,为电磁学的学习创造一个良好的开端.本节以人教版高中物理必修三第九章第1节“电荷”为例,阐述以基于问题链的体验式学习促进深度理解在物理课堂中的应用,本节设置的问题链与目标对应图如图1所示.

图1 问题链与目标对应图

2.1 环节一:起步实验回顾初中知识

【实验1】准备2条10～15 cm的胶带,将一端折叠起5 cm作为把手,将余下的部分粘在书桌上,将两条胶带从桌面拉起并使它们彼此靠近.可以观察到两条胶带相互排斥,实验现象如图2所示.

图2 两条胶带相互排斥

问题1：思考胶带和桌子发生了什么作用?(目标:联系初中摩擦起电)

教师讲解:初中学过的摩擦起电是两个物体相互摩擦,高中力学中提到摩擦是一种阻碍相对运动的作用,当胶带粘在桌面上再快速拉起的过程中,由于胶带具有黏性,实际上阻碍了胶带的相对运动,因此胶带发生了类似摩擦起电的作用.两条胶带相互排斥则说明带同种电荷.

【实验2】将一条胶带粘在桌面上,把该胶带标记为A,另一条胶带粘在第一条的上面,标记为B,然后捏着重叠胶带的一端并向上拉起,使两条胶带一起离开桌面,用手接触胶带使其放电,并快速地将它们分开,再使它们彼此靠近.可以观察到两条胶带相互吸引,实验现象如图3所示.

图3 两条胶带相互吸引

问题2：根据已学知识推断一下实验1、2中两条胶带相互排斥和相互吸引的原因是什么?(目标:电荷间的相互作用)

知识回顾:这是初中学习过的电荷间的相互作用,我们常用这种方法来判断两个物体是带同种电荷还是异种电荷,那又如何判断胶带A、B分别带什么电荷呢?

设计意图:学生亲自动手进行简易且现象明显的胶带实验,进行体验式学习,并以问题1、2为驱动,引导学生回顾初中知识摩擦起电及电荷间的相互作用.既与原有知识相联系,又能打破学生摩擦起电只能是玻璃棒与橡胶棒的刻板印象,激发学生的学习动机,进而进入本节课题.

2.2 环节二:探究自然界只存在两种电荷

问题3：初中教材中正电荷和负电荷是如何定义的?(目标:正、负电荷的概念)

展开追问:(1)除了正电荷、负电荷还有其他种类的电荷吗?(2)胶带A、B会不会带其他种类的电荷呢?(3)将橡胶棒与丝绸摩擦又会带什么电荷呢?它会不会带第三种电荷?

教师引导:同学们都有不同的意见,是否存在第三种电荷呢?我们通过实验来探究.在实验2中我们已经推理得到胶带A、B带的是异种电荷,这里就存在两种电荷了.

问题4：如果存在第三种电荷,预测一下可能会发生怎样的现象?(目标:提出问题,形成假设)

学生预设答案:如果存在第三种电荷,那三种电荷两两之间皆带异种电荷,因此存在某一物体同时吸引胶带A、B.

问题5：如何通过提供的实验器材检验胶带A、B带何种电荷?如何检验你在问题4中的预测?写出实验方案.(目标:科学探究)

教师提供实验器材有玻璃棒、橡胶棒、毛皮、丝绸、气球、PVC管、塑料棒.

学生讨论并确定方案:用不同的物体摩擦起电后靠近胶带A、B,若与胶带A相互排斥则该物体与胶带A带同种电荷,若与胶带B排斥则该物体与胶带B带同种电荷;假如同时吸引两条胶带则说明存在与胶带A、B所带电荷都不相同的第三种电荷.

【实验3】(1)将胶带A和胶带B的一端分别粘在桌沿上,并保持一定距离;(2)将毛皮、丝绸与橡胶棒、玻璃棒、PVC管、塑料棒等随意组合进行摩擦,并分别靠近胶带A、B;(3)观察不同带电物体对胶带A、B的作用情况.部分实验现象如图4所示.

(a)与毛皮摩擦的橡胶棒

(b)与丝绸摩擦的玻璃棒

(c)与丝绸摩擦的橡胶棒

(d)与毛皮摩擦的PVC管图4 不同带电物体靠近胶带的作用情况

检验胶带A、B带电种类:当与毛皮摩擦的橡胶棒靠近胶带A、B时,排斥胶带A,则胶带A与其带同种电荷,即负电荷;而与丝绸摩擦后的玻璃棒排斥胶带B,则胶带B带正电荷.

检验与丝绸摩擦的橡胶棒带电种类:已知胶带A、B分别带负电荷与正电荷,而与丝绸摩擦的橡胶棒与胶带B相互排斥,则带正电荷.同理,可以将胶带A、B作为一种检验物体带电种类的简易方式,由此可以判断表1中的第一行物体所带电荷都是负电荷,第二行物体所带电荷都是正电荷.

表1 不同带电物体对胶带A、B的作用情况

问题6：根据这些实验现象同学们能得到什么结论?自然界存在第三种电荷吗?(目标:科学思维,观察现象得出结论)

学生分析推理得到结论:带电物体总是排斥一条胶带而吸引另一条胶带,没有出现同时吸引胶带A、B的物体,即不存在其他种类的电荷.

教师总结:迄今为止,许多科学家做了类似的研究,结果与我们的发现是一样的,无论用什么方式带电,物体所带电荷要么与丝绸摩擦过的玻璃棒相同,要么与毛皮摩擦过的橡胶棒相同.1746年富兰克林规定,把用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫做正电荷,用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫做负电荷.这就是正负电荷定义的来源.

设计意图:深度学习强调学生的主动建构,活动与体验是其核心特征.学生是学习的主体而不是机械的知识接收器,需要亲身经历知识的形成与发展过程[6].本环节以问题链引导学生经历科学探究的过程,达到对正负电荷定义的深度理解,而不仅仅停留于对某一固定搭配的记忆.同时让学生认识以两条胶带检验带电种类的简易方法,能够利用胶带判断生活中带电物体所带的电荷种类,促进知识的迁移与应用,也为下一环节的演示实验奠定基础.

2.3 环节三:探究3种起电方式的微观机制

2.3.1 摩擦起电的微观机制

展开追问：

(1)为什么当我们用橡胶棒与毛皮摩擦时带负电荷,而与丝绸摩擦时则带正电荷?

(2)同学们再仔细观察表1还能得到什么结论呢?(多媒体演示圈出相互摩擦的PVC管与毛皮,如图5所示.)

图5 相互摩擦的PVC管与毛皮对胶带的作用情况

得到结论:PVC管与毛皮相互摩擦之后,PVC管带负电荷,而毛皮带正电荷.

问题7：如何解释两个物体相互摩擦之后,一个带正电荷而另一个带负电荷,摩擦起电的微观机制是什么?用图示法画出摩擦起电的微观机制.(目标:摩擦起电的微观解释)

学生由初中原子结构模型分析可得不同物质的原子核束缚电子的本领不同.当两个物体摩擦时,哪个物体的原子核束缚电子的本领弱,它的一些电子就会转移到另一个物体上.失去电子的物体带正电,得到电子的物体因为有了多余电子而带等量的负电荷.这种起电方式我们就叫摩擦起电.PVC管与毛皮摩擦起电的图示表征如图6所示.

图6 摩擦起电图示表征

2.3.2 接触起电的微观机制

展开追问：(1)除了摩擦起电,还有什么方法能使物体带电呢?(2)同学们还记得在初中我们曾用验电器来检验物体带电吗?那验电器的原理是什么呢?

教师讲解:我们由同种电荷相互排斥可以判断金属箔片张开则验电器带电,进而判断接触验电器的物体带电,验电器并没有进行摩擦而带电,则说明这是另一种带电方式.那么验电器所带电荷与带电物体有什么关系呢?

【实验4】(1)用与毛皮摩擦后的PVC管接触金属球;(2)将金属球靠近胶带A、B.如图7所示.

图7 接触起电实验现象

问题8：当我们用带负电荷的PVC管接触验电器时,验电器也带上了负电荷,那验电器上的负电荷从哪里来呢?用图示法画出其微观机制.(目标:接触起电的微观解释)

从微观角度解释接触起电：当一个物体带电时,如果接触另一个导体,电荷会转移到这个导体上,使这个导体也带电.这种起电方式就叫接触起电,其图示表征如图8所示.

图8 接触起电图示表征

2.3.3 感应起电的微观机制

教师提问:不接触验电器能否检验物体是否带电?当我们用带电PVC靠近但不接触验电器的金属片会出现什么现象呢?

【实验5】(1)将PVC管与毛皮摩擦;(2)将摩擦后的PVC管靠近但不接触验电器的金属片.实验现象如图9所示.

图9 验电器感应起电实验现象

【实验6】(1)在带绝缘支架的枕形导体两端挂上金属片;(2)将与毛皮摩擦后的PVC管移近其中一个金属球;(3)保持PVC管不动,将枕形导体的两端分开;(4)将枕形导体的左端和右端分别靠近胶带A、B.实验现象如图10所示.

图10 金属导体感应起电实验现象

得到结论:不接触也能使物体带电.靠近PVC管的导体带正电荷,与PVC管带异种电荷;远离PVC管的导体带负电荷,与PVC管带同种电荷.

问题9：如何解释如上实验现象,并用图示法画出其微观机制.(目标:感应起电的微观解释)

展示金属微观结构模型并进行微观解释:当一个带电体靠近导体时,由于电荷间相互吸引或排斥,导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体,使导体靠近带电体的一端带异种电荷,远离带电体的一端带同种电荷.像这样由带电体靠近导体而导致自由电子重新分布的现象,就是我们所说的静电感应现象,利用静电感应使金属导体带电的过程叫作感应起电.图示表征如图11所示.

图11 金属导体感应起电图示表征

设计意图:本环节学生在经历从实验现象到其图示表征再到其微观解释的过程中,建构对3种起电方式的深度理解,区别于传统教学中纯粹进行理论分析,本环节以多个实验创新给学生提供宏观现象的支撑,学生从中自主建构对知识意义的理解,最终达到深度理解的程度.

2.4 环节四:总结归纳 回归本质

问题10：总结以上3种起电方式的图示表征,你能发现电荷的总量有何规律吗?(目标:总结得到电荷守恒定律)

总结归纳:由3种起电方式的图示表征我们可以得到结论——电荷既不会创生,也不会消灭,它只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分;在转移过程中,电荷的总量保持不变.这个结论叫作电荷守恒定律.

设计意图:通过总结以上3种起电方式,自然而然归纳得到电荷守恒定律.学生从大量现象认识其本质,进而达到对两种电荷的深度理解.

3 结束语

本文旨在从深度学习的视角,通过基于问题链的体验式学习,给学生提供清晰的阶梯导向,打破学生浅层学习的习惯,一步一步达到对知识的深度理解.通过丰富的动手实验与演示实验,从微观角度加深其对3种起电方式本质的理解,有利于学生透过现象看本质,对学生静电部分的深度学习有一定的帮助.基于问题链的体验式学习给学生提供“脚手架”自主建构知识,激发学生的创造性思考,而不是一味地灌输,将学生当作只会记忆的知识接收器.