SNP教学模式融入高中物理课堂教学的思考与实践——以“库仑定律”一节教学为例

丁 珂 钱长炎

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002)

模型建构和科学论证是近年来国外科学教育相关领域研究学者的关注热题.而随着我国新一轮高中物理课程标准的颁布,提出的物理学科核心素养也将模型建构和科学论证纳入了科学思维方面.毫无疑问这将对我国高中物理课堂教学的实施产生巨大的影响.[1]但现阶段由于对模型建构和科学论证教学缺少切实可行、行之有效的指导方案和评价方案使得物理教学在该方面的进展缓慢.鉴于此,本文结合国外相关文献,提出将SNP(Science Negotiation Pedagogy)教学模式融入高中物理课堂教学,并且以“库仑定律”一节为例作更为深入和具体的讨论,希望可以为广大物理教学研究人员带来一些启示和帮助.

1 SNP教学模式及其融入高中物理课堂教学的思考

SNP教学模式是国外学者Chen等人在生物课堂中致力于将建模活动纳入论证语境开发的教学模式.[2]该模式的理论框架如图1所示,此框架以大概念为核心指导,这里的大概念指的是组织整合某个学科内容的少数关键核心概念.[3]在大概念的指导下师生协商共同提出一个有代表性的问题以引领该核心概念的深入探究,在大概念和具体问题的引导下学生开始初步建构模型,使该模型既能表征大概念又能解决所提出的问题.学生随后根据各自建构的模型开展论证,主要是通过对原始资料进行推理加工使其成为证据,支持自己对某一核心概念的主张,并能对上述提出的问题做出合理的解答.

图1 SNP教学模式理论框架

SNP教学模式不仅能够有效促进学生的模型建构能力、逻辑推理能力和批判思维能力,而且还能培养学生的小组合作能力和语言表达能力,在很大程度上有助于学生综合能力素质的提高.令人庆幸的是,笔者发现该种模式在高中物理课堂教学中也能得到较好的适用.首先,物理学科有着丰富的模型与建模资源,其次该学科的发展本身就是经过无数次的争论演变而成.由此看来,这些条件为SNP教学模式的实施奠定了良好的基础.需要指出的是该模式的使用并非“拿来主义”,而是需结合相关课题的内容特点和学情,如是否有模型资源、建模的必要或开展论证的知识储备等问题.下面,笔者将以“库仑定律”一节为例,详细阐述SNP教学模式融入该课题教学的具体实施情况,希望对相关物理教学研究者带来有益的启示.

2 SNP教学模式融入“库仑定律”课堂教学的实践探索

根据上述有关模型与论证整合的理论框架,可制定SNP教学模式在课堂中的具体展开流程,如图2所示.从中可以看出该种教学模式更加注重学生建构知识的过程.对此,我们考虑将“库仑定律”一节中有关“电荷间相互作用力大小影响因素的探究”和“库仑定律历史实验的相关研究”合理地融入其中.通过引导学生利用橡胶棒建立模型探究驱动问题、口头论证主张合理性、查阅库仑扭秤和电摆相关史学材料以及反思写作来完成该节课的学习.

图2 SNP教学模式在课堂中的展开流程

2.1 设立驱动问题 引领探究活动

在理解自然现象时,识别问题是开展探究的第一步.在传统的物理课堂中,教师往往通过设置一系列问题来引导学生思考,推动课堂教学,但这种方式可能难以使学生聚焦一节课的重点.因此,SNP教学模式提出使用单一、具体且明确的“驱动问题”作为探究活动开展的核心关键,既表征该单元的主题,又引领整节课的学习.

为了在“库仑定律”教学中生成一个良好的驱动问题,教师可以提前准备相关实验材料,要求学生演示简单的小实验如摩擦气球使其隔空推动空易拉罐滚动,[4]或根据生活经验表达他们对电荷间相互作用的初步认识.教师在此基础上通过提出“电荷间的相互作用力是否有大小之分”引导学生深入思考,并且激发探究兴趣.最终,师生共同讨论和商量确定该节课的驱动问题为“电荷间的相互作用力与哪些因素有关,有什么关系”.

2.2 分组建构模型 探究驱动问题

该阶段的主要目的是引导学生小组合作建构一个可以探究驱动问题的物理模型.教师首先将学生分组,并且发给每小组一个资料包,该资料包中有此节课堂活动的指导讲义与相关实验器材,如表1所示.在指导讲义里通过点明物理观念、声明驱动问题,指出学习目标和强调安全注意事项来实现对该模式教学的引导.如此一来,学生既能在相互作用观的引领下认识宏观主题内容,又能通过模型建构的方式基于微观视角开展探究学习.

表1 “库仑定律”课堂指导讲义

在此过程中由于学生首次建构模型可能会发觉现象并不符合预期,甚至不符合科学解释,此时教师需及时发挥引导作用,即通过对学生展现的模型表示疑问来促进其模型的改善,如“我发现所有模型都利用了悬线将橡胶棒或玻璃棒悬起,虽然悬挂的方向不同,但这样做的目的是什么呢?”待学生回答是为了“利用橡胶棒或玻璃棒的转动表征力的作用大小”之后,教师进一步引导“怎样才能使力的大小更加明显地体现出来呢”……通过类似的表述促进学生进一步修改和完善他们的模型.

2.3 完成书面论证 构建初阶论点

这一阶段旨在让学生利用各小组建构的模型作为工具,开展由主张、资料和推理组成的书面论证.教师此时只需鼓励和引导学生利用他们所建构的模型生成相应的定性描述或推论并作出恰当的解释即可.表2是教师为学生提前准备的书面论证指南,学生可根据论证指南中有关主张和证据的提示构建初阶论证观点.

表2 书面论证写作指南

在此过程中,教师可通过询问一些问题来探测学生的进程,例如“你们的模型中哪些证据证明了电荷间相互作用力与距离、电荷量有关?且根据你们的证据能说出他们之间的(定量)关系么”.由于第二个问题有一定难度,教师此时需要引导学生将电荷之间的相互作用与行星之间的作用类比,强调“类比”的思维方法,促使学生根据万有引力定律做出相关定量假设.总之,在这一阶段,教师的主要任务是确保学生建立的模型、证据与主张之间的统一性,以便能够有效地在班级里开展口头论证环节.

2.4 展开口头论证 彼此交互模型

论证是科学发展的必经之路.因此,教师需要营造一个论证环境,使学生在其中分享、辩论、说服与合作.各小组在此阶段向全班学生展示自己的模型和论点,经过质疑与批判,进一步修正和完善各自的模型与论点.与此同时,教师也是组成该论证活动的一部分,其引导水平与学生的论证水平共同决定着该种模式在课堂中的开展效果.对此,可通过表3所示的测评表对教师和学生的课堂论证水平进行评价和监控.

表3 基于SNP教学模式的课堂论证水平评价标准

图3 “库仑定律”一节模型演化示意图

2.5 咨询请教“专家” 了解“库仑定律”

库仑定律相关实验及建立过程蕴藏着丰富的模型、方法以及科学精神,对学生科学思维的培养、科学本质的认识都能起到促进作用.教师首先展示库仑扭称实验模型,如图4(a)所示,[6]介绍其精密的仪器构造和巧妙的设计构想,随后展示其核心组件构成的模型,如图4(b)所示,在学生将自己的模型与库仑扭秤对比,发现库仑是利用金属小球做的实验之后,教师进一步类比力学中的“质点”指出“点电荷”模型在探讨电荷间相互作用时的重要意义,以此强化理想模型在物理学科中的应用.此外,教师进一步扩展库仑在当时没有电荷量单位的情况下如何利用“对称”的方法探究电荷量对电荷间作用力的影响,使得在显化方法的教学过程中,加强对学生的思维教育.

图4 库仑扭秤及其模型示意图

图5 库仑电摆示意图

2.6 反思写作 总结经验 提高认识

最后通过写作这一过程来帮助学生思考和总结“库仑定律”一节内容.在该阶段学生可以通过回想建立模型和形成论点过程中思想产生的变化,并深入思考是什么经历和原因促使了这些变化的产生,以及他们对核心概念的理解又有了怎样进一步的认识等.总的来说这个过程是学生通过对自己整节课的巩固、反思以形成对知识的总结与升华.表4为写作评价标准,用于评判和提高学生在课堂中反思性写作的水平.

表4 科学课程中的写作评价标准

在“库仑定律”一节课中,实施这一评价标准不仅可以帮助学生理解什么是具有良好结构的主张,以及什么构成了较高质量的论证活动,而且教师可以通过学生的写作了解其对该节知识的认识水平和层次,从而有针对性的提供帮助以促进学生对知识的深入理解.

3 小结与启示

通过上述对SNP教学模式融入我国高中物理课堂教学的深入思考与实践分析,笔者认为该模式为我国高中物理教学提供了一种新的教学思路.学生通过在核心概念的引导下建构模型、书面论证、口头论证,“咨询专家”验证自己的模型和论点,并且进行反思性写作以实现对整节课堂的总结.这种模式在很大程度上以思维的训练带动了物理观念、科学探究和科学态度与责任的培养,对于物理学科核心素养整体目标的落实起到了促进作用.

在对SNP教学模式进行理论分析和应用摸索的过程中,笔者深深地感受到在我国基础教育物理课程基本理念趋于转型的重要时期,选择合适恰当的教学模式和方式方法落实课程目标无疑是当务之急.这既关乎学生学习方式的转变,又涉及课程与教学改革的有效推进,既是物理课程与教学相关研究者的重要责任也是伟大使命.