基于问题解决模型的概念学习进阶教学设计——以“静电的防止与利用”为例

周 佳

(江苏省常熟中学,江苏 苏州 215500)

自2004年“学习进阶”概念在教育研究领域首次正式提出以来,该理论越来越受到关注,特别是在科学教育研究领域,已成为最重要的理论之一.美国基于学习进阶理论先后制定了《K-12科学教育框架》和《下一代科学课程标准》,美国国家研究理事会(NRC)将学习进阶概述为“描述学生对学科知识连贯、逐渐深入的思维方式,反映学生认知水平的发展过程”.[1]在国内,随着以培养学生核心素养为目标的教学改革不断深入,指向学生认知发展规律及关键能力培养的学习进阶理论也逐渐成为当前教育领域研究的热点.

概念学习进阶的研究一般包含4个部分,分别为“核心概念”的确定、“阶”的构建、测量工具的开发和教学方式的选择.[2]其中对促进学习进阶过程的课堂教学方式的研究是目前学习进阶理论研究的热点内容之一.问题解决教学模型是以建构主义为理论基础的一种教学模型,其以真实的问题情境为载体,让学生在解决问题的过程中逐渐加深对科学概念的理解,提升学生对所学知识的迁移应用能力,有助于学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理核心素养的培养.笔者以“静电的防止与利用”教学为例,尝试运用问题解决模型进行概念学习进阶的教学,通过“创设情境、生成问题”“提出猜想、实验探究”“构建模型、理论论证”“得出结论、理解应用”“灵活迁移、拓展创新”5个教学环节来帮助学生完成对核心概念的学习进阶,探索学习进阶教学的新路径.

1 核心概念及“阶”的构建

“静电的防止与利用”是人教版高中物理(2017年版)必修3“静电场及其应用”中的一节内容,本节内容以“静电平衡”为理论基础,讨论了静电屏蔽、尖端放电等现象,因此笔者将“静电平衡”作为学习进阶的核心概念,依据科学概念理解的发展层级模型,[3]将核心概念分为经验、映射、关联、系统、整合5个层级,并以此作为核心概念的进阶变量(如表1所示).

表1 静电平衡核心概念进阶变量

2 教学过程

环节1:创设情境、生成问题——核心概念的经验层级.

根据情境教学理论,创设能够吸引学生的真实情境,有助于提升学生解决问题的动机,同时也能呈现学生对情境分析后产生的迷思概念,让教师掌握学生对核心概念的了解程度,并以此作为学习进阶的起点.

问题情境:将锡纸带放在魔术棒上,按下开关后,锡纸带膨胀成一个锡纸球,并悬浮在空中(如图1所示).

图1 锡纸带膨胀

教师表演该小魔术后,提出问题:锡纸带为何能悬浮在空中?并让学生阅读关于魔术棒起电原理的文本资料,然后布置以下两个任务.

任务1:根据示意图构建范德格拉夫起电机的平面模型.

任务2:将文本资料中理解上有困难的内容标出.

资料背景:魔法棒的核心部件为一个小型的范德格拉夫起电机,图2是起电机部分的示意图.金属球壳固定在绝缘支柱顶端,绝缘材料制成的传送带套在两个转轮上,由电动机带动循环运转.E和F是两排金属针(叫作电刷).当电刷E与几万伏的直流高压电源的正极接通时,E将放电,正电荷被喷射到传送带上,并被传送带带着向上运动.当正电荷到达电刷F附近时,F上被感应出异号电荷.由于F端放电,F上的负电荷与传送带上的正电荷中和,从而使传送带失去电荷,而F上剩下了正电荷.F上的正电荷立即传到金属壳的外表面.这样,由于传送带的运送,正电荷不断从直流电源传到球壳的外表面,从而金属壳外表面的电荷不断积累.

图2 起电机示意图

本环节教师通过小魔术的表演吸引学生的注意力,引发学生对魔术棒原理的思考.学生通过阅读文本资料及构建平面模型分析提炼有效信息,并提出相关问题,如“为何电刷E和F会放电”“为何F上的正电荷会立即传到金属壳的外表面”等,教师以此了解学生对核心概念的认知起点即概念的经验层级,同时也生成了本节课所要解决的问题,即“电荷在导体上如何分布”.

环节2:提出猜想、实验探究——核心概念的映射层级.

问题提出后,教师引导学生根据魔术棒原理的文本资料进行猜想,得到关于电荷在导体上分布的两个猜想:(1) 电荷只能分布在导体的外表面; (2) 越尖锐的位置电荷越密集.

接着教师将学生分组,指导学生以小组合作的形式,通过“方案设计→方案论证→方案实施→得出结论”的实验探究过程来验证猜想.同时教师通过搭建认知支架帮助学生完成实验探究.

认知支架1(问题链):选择何种形状的导体?→如何使导体带电?→如何检测电荷?→如何反映电荷分布的疏密程度?

认知支架2:现在为每个小组提供了以下器材,请大家结合器材的种类设计相关实验来探究电荷在导体上的分布情况(如表2所示).

表2 电荷分布情况探究表

本环节学生以小组合作的形式进行实验探究,并借助教师提供的认知支架完成实验探究过程.该过程培养了学生科学探究的物理核心素养,同时学生通过实验观察到了静电平衡条件下电荷分布在导体的外表面、越尖锐的位置电荷越密集等现象,建立起静电平衡相关现象与静电平衡术语间的映射关系,实现了核心概念从经验层级到映射层级的进阶.

环节3:构建模型、理论论证——核心概念的关联层级.

在完成对猜想的实验探究后,教师通过搭建认知支架引导学生通过构建物理模型(如图3、图4所示),运用已掌握的相关理论对猜想进行理论上的分析与论证.

图3 金属导体在场中的电子移动过程

图4 椭圆形导体电荷分布图

猜想1:电荷只能分布在导体的外表面.

认知支架1(问题链):研究何种形状的导体?→选用何种起电方式?→导体处于何种电场中?

认知支架2(问题链):电场最基本的性质是什么?→金属导体的微观结构如何?→将金属导体放入电场中自由电子怎样移动?→自由电子会在什么地方积聚?→电子的积聚会出现怎样的结果?→最终会出现怎样的现象(如图3)?

猜想2:越尖锐的位置电荷越密集.

认知支架3(问题链):研究何种形状的导体?→选用何种起电方式?→假设电荷开始时如何分布?→选取哪个位置的电荷为研究对象?→电荷的受力是否平衡?→电荷将向哪个方向运动(如图4)?

本环节学生基于教师搭建的认知支架,通过构建模型、理论分析、逻辑推理等过程对猜想进行论证.该过程锻炼了学生模型建构、科学推理、科学论证等关键能力,培养了学生科学思维的物理核心素养,同时学生通过该过程从理论上建立起静电平衡各特征与静电平衡术语间的逻辑关系,完成了核心概念从映射层级至关联层级的进阶.

环节4:得出结论、理解应用——核心概念的系统层级.

在完成对猜想实验及理论的探究论证后,教师引导学生得出静电平衡的概念及静电平衡时电荷分布的特点.接着教师分别演示静电屏蔽与尖端放电实验,并提出系列问题让学生运用所学的知识对现象进行解释.

演示实验:(1) 静电屏蔽实验(法拉第笼)(如图5所示).

图5 法拉第笼

(2) 尖端放电实验(如图6所示).

图6 尖端放电实验

问题1:为何将验电羽放入法拉第笼中后,验电羽没有张开?

问题2:高压电线维护工人穿的防护服为何里面有金属丝?

问题3:为何会产生尖端放电现象?

问题4:避雷针的工作原理是怎样的?

本环节通过各种静电现象的呈现,让学生运用静电平衡的概念对各静电现象进行解释与分析,加深了学生对所学知识的理解与应用能力,使学生能从系统层面整体把握静电平衡概念中各要素的相互关系,促使核心概念从关联层级跃迁至系统层级.

环节5:灵活迁移、拓展创新——核心概念的整合层级.

在学生能够从理论上对各种静电现象进行解释后,教师进一步拓展问题:“若将魔术棒置于金属笼中,其产生的电场会对笼外产生影响吗?”并通过演示实验让学生观察实验现象,接着进一步提出问题:“若要屏蔽空腔内带电体对外的影响,应当如何操作?”

演示实验:法拉第笼中的魔术棒对笼外验电羽的作用(如图7所示).

图7 魔术棒与验电羽的相互作用

本环节在课堂核心问题解决的基础上进一步拓展了问题,学生容易认为法拉第笼也能屏蔽内部带电体对外的影响,但通过观察实验现象发现并非如此,此时产生了认知冲突,促使学生将静电平衡、电场性质与导体的物质结构(物质观)、运动观、相互作用观等物理观念相整合,再对问题进一步深入分析,完成对原有认知结构的调整,也实现了对静电平衡核心概念从系统层级到整合层级的进阶.

3 总结与反思

本节课基于问题解决模型进行概念学习进阶的教学,根据科学概念理解的发展层级模型将核心概念分为经验、映射、关联、系统、整合5个层级,并将问题解决模型的5个教学环节与概念的5个层级分别对应(如图8所示),让学生在解决问题的过程中对核心概念的理解逐步加深,实现概念学习的进阶,同时学生的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理核心素养也得到了锻炼与提升.

图8 教学环节与概念层级