巧设实验模型主线 凸显思维的“有效进阶”——“测定电源的电动势和内阻”复习课回眸

曹 会

(江苏省外国语学校,江苏 苏州 215104)

巧设实验模型主线凸显思维的“有效进阶”
——“测定电源的电动势和内阻”复习课回眸

曹 会

(江苏省外国语学校,江苏 苏州 215104)

针对习题课教学中思维如何得到有效进阶,依托“专题复习”尝试“四主”教学模式,以“测定电源的电动势和内阻”教学为例,巧设实验方案主线,搭建清晰的“模型之阶”,让学生“拾阶而上”,在观点分享中实现“思维进阶”,实现学生思维方式的连续且不断地精致化,即实现学习的有效进阶,发展学生物理学科的核心素养.

实验模型;“四主”教学模式;思维进阶;电源的电动势和内阻

1 问题提出

美国教育家布卢姆按照认知的复杂程度,将思维过程具体化为6个教学目标,由低到高包括记忆、理解、应用、分析、综合、评价.前3个通常被称为低阶思维,后3个通常被称为高阶思维.其后高阶思维又被修订为分析、评价和创造.这一分类,为教师在教学实践中将高阶思维能力的发展与具体的课程和教学有效整合起来提供了一种便利的图式.[1]

美国国家研究理事会(NRC)将学习进阶定义为:“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述.在一个适当的时间跨度下,学生学习和探究某一重要知识或实践领域时,思维方式逐渐进阶.”[2]这一理论的现有研究成果表明,构建层次清晰的知识结构,然后根据学生认知思维发展“进阶”的特点,构建基于学生视角的、清晰的“阶”是课堂设计的关键.

从布卢姆对思维过程的分类及NRC对学习进阶的定义可以发现“思维进阶”应是课堂教学的核心价值取向.这也符合当下物理核心素养目标的诉求.笔者近些年尝试在专题复习课中整合变式的习题资源,巧设主线搭建台阶,汲取鲜活的课堂思维资源,让学生拾阶而上自主建构,试图构建以“核心素养为主旨,学生为主体,教师为主导,情境演进为主线”的“四主”教学模式.笔者执教的“测定电源的电动势和内阻”专题复习课在江苏省“教学新时空·名师课堂”进行了“四主”教学模式一次尝试.结合专家及在线老师的讨论意见特整理成文与各位分享.

2 案例呈现及评估

2.1 运用熟悉的实验模型 唤醒学生的再现性思维

情景1.(情景原形:2014年北京高考第21题)如图1,我们测1节干电池的电路图是用甲图还是乙图?

图1 方案1实验模型

学生:甲图.

教师:乙图可以吗?

学生:不行.

教师:原因是什么?

学生:用乙图误差会比较大,(干电池内阻较小)电流表分压明显.

教师:难道甲图就没有误差了吗?

学生:甲图的误差是电压表分流造成的,(电压表内阻较大)误差会小一点.

教师:其实你思考的依据是不是E=U+Ir(是的),这里的U和I分别代表怎样的物理意义?

学生:路端电压和干路电流.

教师:再来看甲图和乙图就可以发现,甲图电流表测的不是干路电流,乙图电压表测的不是路端电压.

教师:若要进一步进行数据处理,我们选用公式法还是图像法(图像法)?画哪两个物理量之间的图像?是什么关系?

学生:U-I间关系图像,一次函数关系,也就是线性关系(线性表达式为U=E-rI).

教师:通过这个线性图像如何得到电源电动势和内阻?

学生:纵截距等于电动势,斜率的绝对值等于电源的内阻.

情景2.(情景原形:2012年重庆高考第22题)某中学生课外科技活动小组利用铜片、锌片和家乡盛产的柑橙做了果汁电池,他们测量这种电池的电动势E和内阻r,并探究电极间距对E和r的影响.实验电路如图2所示.请你根据图像(如图3中d图线)求该间距时实验所对应的电源电动势和内阻.

图2 果汁电池测量电路

学生:电动势是0.98 V,内阻是1000 Ω.

教师:如图3是该小组依次减小极板间距进行实验描绘出的图像,根据图像你能够得到怎样的实验结论?

图3 果汁电池外特性曲线

学生:减小极板间距,电源电动势不变,而内阻变大.

环节评估.再现性思维(重复性思维),是沿用过去在类似的情境中,自己或他人曾经使用过的方法进行思考,即是沿用过去已有的思维方法.[3]再现性思维是创造性思维的基础,习题课最大的特点之一是学生对教学内容已经有了了解和记忆,已初步形成了一定的思维定势,对知识和思维方法或许有些生疏和遗忘,所以唤醒再现性思维是习题课必要的教学环节及教学设计技巧.

本环节不仅要唤醒“是什么(记忆性知识)”、还要唤醒“为什么(再现性思维)”.以熟悉的实验模型为载体,通过一对一、一对多的师生对话方式,唤醒基本知识(实验模型、误差分析、数据处理方法),明晰思维内核(原理表达式及其中U和I的物理意义),形成问题解决的策略路径(电路图-原理式-线性式-图像法).变换新的情景让学生对唤醒的知识和定势思维进行简单应用,通过生生互评暴露问题所在,锻炼思维的严谨性和深刻性.

2.2 运用变式的实验模型 分享学生的差异性思维

问题:是否还可以设计其他实验方案来测量果汁电池的电动势和内阻呢?

学生:讨论、板演(方案2如图4、方案3如图5).

图4 方案2电路图 图5 方案3电路图

教师:请你们写出两种方案的原理表达式并说出其中主要符号的物理意义,分别需要测量哪些物理量?

学生A(方案2):原理式为E=I(R+r),其中R即为电阻箱的电阻,代表外电路总电阻,这种方案只需要测量电阻R及电流表电流I.

图6 水果电池实验

情景3.(情景原形:猕猴桃水果电池实验)如图6,你们看一看教师用的是哪一种实验方案啊?

学生:方案2.

教师:是的,我测得的实验数据如表1所示,这种方案如何运用图像法求电源电动势及内阻,画哪两个物理量之间的图像呢?

表1 猕猴桃水果电池实验实验数据

学生A:可以画I-R关系,是反比例关系.

教师:(教师辅助展示Excel数据处理的图像如图7所示)是曲线,根据原理表达式看看是反比例关系吗?根据图像能直接求出电动势和内阻吗?

图7 方案2的I-R图像

学生A:从原理式角度来看,这个图线并不是反比例关系图线,也不能直接求出电动势及内阻.

教师:的确不是反比例关系,但如果利用数学拟合软件进行公式拟合的话,还是可以求出电动势和内阻,但我们高中阶段尽量尝试找出线性关系,是否可以化曲为直呢?

教师:(教师进一步展示运用Excel数据处理的图像分别如图8、9所示)对比这两种线性关系数据处理关系方案,从简单方便的角度考虑,哪一种方案更好些呢?

学生B:我的方案(如图8)更好,根据这种线性关系直接可以得到E(斜率)和r(截距),另外一种还需要进一步换算.

教师:说得好,另外一种方案(如图9)需要进一步换算,的确有点烦,我们物理人追求简单.

……

图8 方案2的R-1/I图像

图9 方案2的1/I-R图像

环节评估.差异性思维,是相对于单一性思维而言的,是对同一个问题或事物存在多种不同的思维方式或看法,可能是对错差异、优劣差异、粗糙与精致差异,还可能是不同视角所带来的认知差异.差异性思维具有客观性、普遍性及互补性等特点,是班级课堂教学形式下宝贵的生成性课程资源.教师选择代表性的差异性思维资源,组织学生分享、讨论,在分享中实现差异性思维的碰撞,点燃学生思维的火花,在同伴欣赏的目光中呈现或培育学生亮点思维,在讨论中力图学生的思维由粗糙走向精致,从不全面、不完善甚至错误的思维逐步走向全面、完善和正确的思维,从而生成精彩而有效的教学片段.

本环节通过方案设计的形式进一步唤醒另外两种常见方案的再现性思维(方案2、3).接着运用原始实验情景激发学生探究的欲望,学生在思考数据处理方案的过程中,教师巡视中寻找典型的差异性思维资源,基于学生思维呈现3种不同的数据处理方法,组织成学生思维进阶序列,运用说题、计算机拟合、板演等技术手段分享学生的差异性思维并实现对比分析评价,最优的数据处理方案自然地浮出水面.

2.3 运用异化的实验模型 点亮学生的创造性思维

情景4.(情景原形:近些年高考实验模型)如图10,2015年江苏高考电学实验(以下简称年份+地名)相当于方案1的实验模型,只不过外电路中串联了一个保护电阻,2010年上海相当于……方案3的实验模型,只不过把原来的电压表换成了电压传感器,2009年北京就是……方案2的实验模型.

教师:2009年重庆相当于第几种方案呢?

学生:方案3、方案1……

图10 多变归一

教师:等效为方案1更有道理,但我们没有必要继续等效下去,关键是要找到它的原理表达式是什么?

教师:能继续整理出线性表达式吗?又如何求出电动势和内阻?

教师:按照这种思路,2014年福建及2010江苏也可以根据原理表达式写出线性表达式并进一步根据图像求出电源电动势及内阻,请你们分别给出这两个实验模型的线性表达式,试试看.

教师:这么多的实验方案经过梳理,我们会发现无论分析方案、设计方案、数据处理还是误差分析,都应该追溯到最简单的原理表达式……

学生:E=U+Ir，E=IR+Ir.

教师:哪一个更原始?

学生:第一个.

教师:其实第二个更原始,第一个是第二个从能量关系推导出来的.第二个表达式又是由谁(宗)推出来的?

环节评估.创造性思维是相对于再现性思维(重复性思维)而言的,从功能上看就是指具有创新功能的思维活动,从结果上看就是指产生创造性新成果的思维活动,即指达到前所未有的新认知水平的思维活动.这种思维是对已有思维的扬弃,只有可供借鉴的思维程序与方法,而没有完全能照搬套用的现成的思维程序与方法,对所要解决的问题靠重复、模仿等都无济于事.[4]创造性思维是发散思维和收敛思维的辩证统一,是创造想象和现实的有机结合,是抽象思维和灵感思维的对立统一.通过创造性思维,不仅可以揭示客观事物的本质和规律,还可以促成具有新颖性、独特的、非重复性、超越性及价值性等特点的思维成果的出现.

本环节教学话题从上一环节“变式模型”进一步演化为“异化模型”,诱使思维也逐渐由“差异性思维”演进为“创造性思维”,思维逐步从发散走向收敛,直指变式及异化模型的思维原点——闭合电路欧姆定律,凸显变式问题处理的核心思想方法:抓住问题本质,从基本规律出发,少记模型,少记二级三级结论,同时体验“万变不离其宗”的物理简洁美.在此过程中异化模型的等效及方法的迁移是创造性思维,从复杂的异化模型中提炼出简单的前所未有的思维方法是创造性思维,创造思维的培育运用了图示比较、类比迁移、集中性整理、抽象综合等技术手段,摒弃靠直觉经验判断、想当然推理的简单思维模式.运用思维地图工具组织思维活动,实践证明能够使碎片知识系统化,系统知识结构化,结构知识图示化,更便于创造性(高阶)思维能力的培养.

3 教学反思

物理习题教学是一种重要的实践活动,作为专题复习课更要从课程观高度认识,注重课程四要素:目标、内容、实施、评价.课程目标定位上回避机械应试,注重知识和方法的归纳整理,注重物理模型的构建及类比,注重高阶思维能力的培育及学科素养的养成;课程内容上回避高考题目的简单堆积,要巧设情境演进的主线,教学内容有序进阶,要有选材(根据考纲及学生认知基础等)、加工(稀释还原:习题问题化,问题情景化等)、整合(变式、衔接等)必要的习题课备课程序;课程实施上回避题海战术,要真正做到学生为主体,在课堂上积极地呈现学生思维,特别注重学生再现性思维的唤醒,错误思维的纠正,差异思维的思辨,亮点思维的培育;课程评价上回避简单粗暴,注重课堂的即时反馈,注重生生互评,注重发展性评价.在四要素中合理发挥教师的主导作用.本次习题教学的实践研究仅是对“四主”教学模式的一次尝试.这种教学模式的构建仍需从教学题材的广度、认知科学的理论深度及教学实践的效度上进一步系统地深入研究.

1 王帅. 国外高阶思维及其教学方式[J]. 上海教育科研,2011(9):31-34.

2 曹会,牛振华. 巧设实验主线 凸显学习的“有效进阶”[J].中学物理教学参考,2016(8):24-28.

3 宁鸿彬.创造性思维能力训练举隅[J].语文教学通讯,1987(10):4-7.

4 孔庆新,孔宪毅. 试论创造性思维的定义、特点、分类、规律[J]. 科学技术与辩证法,2008(4):25-31.

江苏省“十三五”教育规划立项课题“基于认知科学的高中物理‘四主’教学模式的构建及研究”(C-c/2016/02/106)； 江苏省“十三五”教育规划重点课题“课题研究课范式建构的实践研究”(B-b/2016/02/126).

2017-06-30)