三步教学法在物理教学中的实践研究

钱 伟

(浙江省杭州市萧山区金山初级中学 311200)

一、研究背景回顾

【2011年杭州中考题】在计算电动机工作时所消耗的电功率时，小杰和小施产生了不同意见.小杰利用公式P=UI计算电动机所消耗的电功率，小施利用P=I2R来计算电动机所消耗的电功率.

(已知：电动机线圈电阻为R，电动机工作时两端的电压为U,通过电动机的电流强度为I)

1.请你判断这两位同学计算电动机所消耗的电功率的方法是否正确，并说明理由.

2.求这台电动机在时间t内，电动机线圈产生的热量.

3.求电动机在时间t内所做的机械功.

教师的分析：(1)电动机不是纯电阻电路，所以欧姆定理不成立，所以小杰是正确的，小施是错误的.(2)电动机消耗的电能的电能大部分转化为机械能，还有一部分转化为电阻消耗的热能了，所以产生的热量为Q=I2Rt;(3)电能转化为机械能和内能，所以时间t内所做的机械功为W=UIt-I2Rt

我的思考：问题一，教师自身对电动机的把握或表述存在问题，电路虽然不是存电阻电路，但不表示欧姆定理不成立，P=I2R仍然可以使用，只不过此仅仅代表电动机内阻消耗的热能，而不能表示电动机消耗的全部功率.

问题二，教师在分析试题的时候没有进行学生错误情况的统计和了解，导致教师不能对症下药，无法在学生内心建立起理想电动机模型.

问题三，教师全程灌输式的分析导致学生缺乏对本质的理解，原有的认知平衡无法被有效打破，新的认知平衡就无法建立，知识只能停留在短暂的记忆上.

二、概念界定

展示背景充分暴露原认知【三步教学法】“平衡——不平衡——新的平衡”三步教学法基本结构，如图1.

图1

三、理论依据

认知个体(儿童)就是通过同化与顺应这两种形式来达到与周围环境的平衡：当儿童能用现有图式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认知状态；而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造新图式(即顺应)的过程就是寻找新的平衡的过程.儿童的认知结构就是通过同化与顺应过程逐步建构起来，并在“平衡——不平衡——新的平衡”的循环中得到不断的丰富、提高和发展.

四、课堂实践案例

第一步：展示背景充分暴露原认知

案例1:如图2，电动机M的线圈电阻为0.5欧，当S断开时，电流表读数1安.当S闭合时，电流表读数3安.问：

图2

(1)电阻R为多大？

(2)电动机的机械功率为多大？

(3)电动机工作2分钟，电动机线圈产生了多少热量？

R机=5Ω-0.5Ω=4.5ΩP机=I2R=2A2×4.5Ω=18W

我的分析：我们从这类典型错误中不难发现学生已经知道电动机“合二为一”的模型需要一分为二看待，否则他也不会去计算总电阻.所以学生难以打破的平衡其实是一分为二的电动机模型，为什么独立出来的“没电阻的线圈”仍然需要分压.显然这是纯电阻电路的分压模式这一“前概念”干扰了我们的学生的分析.虽然我们的老师不停的告诉他因为转动需要电压，但这种灌输式的教学只能短暂维持记忆.(此时如图建立的电动机模型也只不过是一种记忆，而不是理解、不是建构)

我的反思：现在教师的任务很明显是要把线圈的电阻独立出来，剩下的线圈当作超导看待，要学生认识到这个超导部分的转动仍然需要分压.难就难在这是一个假象的独立.如果电动机不转，那就可以把线圈仅仅当作电阻看待了.我们需要想方设法打破学生这个原有的认知平衡方可真正建立起一个新的平衡.

第二步：利用实验等手段打破平衡

图3

手段一(实验法)：闭合开关，灯亮、电动机转动，然后用手捏住电动机，使之不转动，我们会发现灯变亮了.电动机转与不转电流是同样的路径，为什么灯的亮度会改变呢？如图3.

于是我们用电压表分别测量了电动机转与不转时两端的电压，发现转动时的电压明显大于不转时的电压.由此我们就需要建立新的模型加以解释：转子即使是超导也要分压，将电动机看做是超导转子与内电阻串联.

手段二(分析法)：我们可以假设某电动机两端电压为6伏，内阻为1欧.如果欧姆定理成立，那么电流就是6安.此时可以问学生，电功率为多少？电阻产生的热功率为多少？

学生会很快算出P电=36瓦，P热=36瓦.此时教师可以继续追问，电动机的能量是怎么转化的？学生回答电能转化为热能和机械能.此时矛盾就产生了，学生迫切需要构建新的模型来解决以上矛盾.

第三步：建立新平衡，解决新问题

建立新的认知平衡以后我就可以建立如下统一的模型了(能量守恒).这种从不平衡到平衡所建立起来的模型是符合学生认知发展的，是一种牢固的、内化的新平衡.

图4

接着我们可以利用变式解决新问题，如图4所示.能量如何转化？若电压为6伏，电流为100毫安，10分钟内产生的化学能为100焦耳，则该电解装置两级间的电阻为多少？

五、教学核心设计研究总结

三步教学法的核心在于第二步如何打破平衡，本人在教学实践中已经总结出了以下几种打破平衡的有效方法.

1.次序重组：也就是通过对几个教学环节重新排序实现这种新型建构主义理念下的新认知平衡的建立.

案例2 ：探究小孔成像

图5

师：如图5，P是一张挖了一个小孔的纸板，在P的前面放一个发光体MN后，在纸板Q(光屏)上将形成怎样一个像？请通过作图确定这个像.

学生作图6，得出像M′N′.

生：发光体在光屏上形成一个倒立的像.

师：事实是否真的如此，让我们做一个实验看看.

学生进行实验.

以上是传统理念下重知识的教学设计，教师先传授了小孔成像的光学原理，再来问学生你能看到怎么样的一个像呢？显然这时候学生已经不需要思考就能回答，而且一定是正确的回答，至于后面的实验观察也就不能引发学生的好奇了.这是我们一味追求学生正确的回答的教学结果，其最终就培养不出具有能质疑的创新型人才.

我们可以把教学设计改成这样：

师：这里有一只纸杯，杯底戳了一个小孔，杯口用拷贝纸封着.如果我点燃一根蜡烛，将杯底的小孔对着烛焰，眼 睛对着拷贝纸看，你将看到什么？

生：我将会看到烛焰......光斑......

师：这个烛焰的方向是正立的，还是倒立的，或是横向的？

生：应该是正立的.

师：事实究竟如何？我们用实验亲眼看一看.

(学生进行实验，结果发现看到的烛焰是倒立的，于是陷入思维的冲突.)

师：大家想知道这是什么原因吗？

师：实验结果和预想的并不相同.其实，用刚才学过的光的直线传播的知识，能够很好地解释这一现象.为方便作图，我们将上述装置简化为如图7的模型：图7中MN代表烛焰；P代表挖有小孔的杯底；Q代表蒙在杯口的拷贝纸.

我们的任务是要确定发光体MN射出的光通过小孔后，会落在光屏Q的哪个区域上？发光体MN上处处都会发光，我们是否需要作出所有发光点发出的光的传播情况呢？

图7

生：不需要.只要作出发光点M、N发出的光落在光屏上哪个位置，就能确定发光体MN发光的光落在光屏上的区域.

2.任务倒逼：也就是通过设立一个任务，在完成这个任务的过程中倒逼出新的概念或原理

案例3：密度概念的建立

我们可以先对已知体积的铝、铜、铁进行质量的测定(如下表所示)，然后出示任务——有一个毛泽东铝像如图8，已知体积为41206立方厘米.请小组合作完成对此像质量的计算(方法越多越好).

图8

根据教学实践研究，学生定会出现两种思路第一种是：(41206÷10)×27克；第二种是：(27÷10)×41206克.其中用第一种思路的学生会占大多数，其思想就是数学中的整体法.用第二种思路的学生也会有30%以上的学生，而这个方法教师只要引导的好一点就可以倒逼出质量与体积的比值这个栏目，它就是密度概念的萌芽.而这种由任务倒逼出来的概念会使学生真正理解并内化.其本质是在改良第一种认知方法的基础上建立新认知，这种平衡的建立是有意义的，我们也可称之为意义建构.个人认为在物理概念、公式的建立上这种方法会比较行之有效.

图9

3.创新实验：也就是通过改进或创设实验来建立新的认知平衡

案例4：力臂概念的引入

实验一：为了使图9甲中的杠杆保持平衡，则需要多大的力？(学生实验)F1=3N.

为了使图9乙中的杠杆保持平衡，则需要多大的力？(学生实验)F2=2N.

(比较甲和丙，可以看出力的作用点不同而方向相同，力的作用大小不同，但力的作用效果是相同的.)

实验二：做如图9丙的实验，用F3=3N的力看能否使得杠杆平衡？(学生实验)

实验结果：可以使杠杆平衡.

(比较甲和丙，可以看出力的大小相同，作用点和方向都改变，但力的作用效果还是相同的.)

实验三：做如图9丁实验，用F4=3N的力能否使得杠杆平衡？(学生实验)

实验结果：依旧可以使杠杆平衡.

(比较甲和丙、丁，可以看出力的大小相同，作用点和方向改变时，力的作用效果依旧相同.)

师：作用点不同，方向也不同，为什么用相同大小的力都能达到相同的效果呢？我们来仔细研究一下这几幅图，看看使得杠杆保持平衡是否存在着一个共通的规律？

(生：尝试建立每幅图中“支点到力的作用线的垂直距离”是相同的，都是第3个同心圆的半径)

师：我们找到了共通规律就是“支点到力的作用线的垂直距离都是相等的”，由于它是支点到力的作用线的距离，在杠杆的研究中，我们就给它一个名称“力臂”，即支点到力的作用线的垂直距离叫力臂.

图10

4.作图想象：也就是用画图的方法展现学生原有的内心世界，这个在微观领域的研究中会应用到比较多.

案例5：分子间有无空隙的辩论如图10.

分子很小，是看不见的，那么分子间有没有间隙呢？学生的内心世界又是怎么样的呢？我们可以通过叫学生发挥想象画图来表达他们的原本思考.(如图11、图12)为了更好的体现学生的原有想象，我们以下画图叫学生用一个小方块表示一个水分子.

图11 图12

经过教学实践研究，我发现学生普遍会出现以下两种作图：(以图11这种为多数)要画成图12形式的学生回答为什么这么画的时候，学生也就是因为进行过课前预习知道了分子间是有间隙的.然而这种认识只是表面的、被迫的，其实学生的内心世界都应该类似与第一种画法(分子紧密连接无空隙).这时候我们干脆将学生分成两派：无空隙派和有空隙派进行辩论，大家各自拿出证据来说明自己的观点.教师可以在这个辩论中不断引导并通过演示实验完善现代分子运动理论.

5.先学设计：有些课程内容可以设计先学稿.目的是为了暴露学生的前概念，方便教师能动的打破学生脑袋中原有的认知平衡.

案例6：如何增加学生说的先学设计(传统理念下的先学设计与建构主义理念下的先学设计对照)

A.密度的定义式

根据密度的意义，可以得到密度的定义式为：____.

用符合____表示密度，____表示质量，____表示体积，则密度公式为：____.

B.密度的单位

由密度的定义式可得密度的单位是____或____，分别读作____、____.

两者的换算关系是：1克/立方厘米=____千克/立方米.(传统教学理论下的应试式设计)

C.建构密度的定义式.

①根据以上发现和密度的性质，怎样表示密度的定义式？(分别用文字和字母表示)

②密度的单位是什么？你是依据什么知道的？怎样读？如何进行单位换算：7.9克/立方厘米=____千克/立方米，对应的物质是：____.

六、实施反思

诺贝尔奖获得者劳厄说过教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下来的东西.剩下来的东西毫无疑问是方法、思维、情感、价值观.所以教师如果直接告诉学生小孔成的什么样的像，告诉学生什么叫密度，告诉学生什么叫力臂，告诉学生分子间是有间隙的.那么若干时间以后我们苦口婆心的教育所剩下的就是一无所有.科学不仅仅是知识，更多的是发现知识，我们教师要做的就是引领我们的学生发现知识.建构主义理论要很好的与我们的课堂实践相结合，并适应当下的时代特征还有很多值得我们去研究、去实践.