知识整合取向设计在初中物理“6E”教学模式探索环节的尝试

林自强

摘   要：针对初中物理STEAM教学“6E”教学模式探索环节，提出知识整合取向教学设计的理论依据，归纳一教学流程。介绍了该流程在初中物理“6E”教学模式中的实践。同时从学生科学思维形成等角度介绍了教学感悟。

关键词：STEAM教学;“6E”教学模式;知识整合

知识整合（KI）取向的教学模式在国外物理课堂方兴未艾。笔者尝试将这种观念引入初中物理STEAM教学“6E”模式中，结合本人实验教学的长项，取得一些实证研究成果。本文将浅议KI取向在初中物理“6E” 教学模式探索环节应用的理论依据、教学实践以及教学感悟。

1  理论依据

关于STEAM教学，美国教育学家提出“6E”教学模式。其基本环节分别为引入（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、设计（Engineer）、拓展（Enrich）和评价（Evaluate）[ 1 ]。其中探索（Explore）环节在初中物理教学中要注重发挥学生实验对物理概念形成的作用。知识整合（KI）取向的一般模式包含四个过程：析出观念、添加观念、辨分观念和反思观念[ 2 ]。该取向强调尊重学生观念以及据此而进行的推理过程，鼓励学生开阔视野，让学生把相似的观念提炼成一个更为一致性的观点，并在更大的范围中检验他们[ 2 ]。笔者强调用知识整合（KI）取向的教学设计来完成探索（Explore）环节，总结出以下教学流程和对应设计意图。第一，学生实验，为添加新观念做物化准备。第二，让学生对实验结果预测说理，要求用语言或图形来表达，目的是析出旧观念。第三，小组评议方案，迅速总结形成实验评价标准。第四，教师设计关键环节，学生实验添加新观念。关键环节要能形成鲜明的对比，提供反馈支持规范的形成，使概念或规律得以表达。第五，引导学生反思结果是否支持预测，辨分观念，选择最佳科学观念。第六，应用，检验一致性观点。笔者借“自制电磁起重机”案例介绍KI取向的教学设计在初中物理STEAM教学探索环节的实践成果。

2  “自制电磁起重机”教学设计

2.1  引入（Engage）

教师运用多媒体演示神奇“大力士”——电磁起重机工作视频，引入课题“自制起重机”。

设计意图：生活实例创设情境，激发学生兴趣。通过对比分析养成观察、推理能力。

2.2  探索（Explore）

2.2.1  设计

教师演示奥斯特实验，引导学生思考提高通电导体周围磁场强度的方法，引入通电螺线管并提问“通电螺线管周围磁场磁极由哪些因素决定？”引发学生运用类比推理进行猜想。引导学生围绕实验目的选择器材、运用控制变量法设计电路。

2.2.2  学生实验

学生分组实验亲历前三个电路图的探究过程（如图1）。引导学生汇报实验结果，分析总结。

师：对比实验1与实验2，可以得到什么结论？

生：结论2通电螺线管周围磁场磁极极性与电流方向有关。

师：对比实验1与实验3，可以得到什么结论？

生：结论3通电螺线管周围磁场磁极极性还与导线环绕方式有关。

2.2.3  预测说理（析出旧观念）

引导学生在做实验4之前运用旧观念预测结果并说理。

师：实验1和实验4电路有哪些不同？你预测实验4中磁极极性分布情况？

生：电流方向不同、导线环绕方式也不同。实验4可能与实验1相同。

师：你的依据是什么？能不能上讲台来画图说明下。

学生代表上台展示。根据结论2，实验4中磁极极性与实验3中相反后成为左N右S。或者根据结论3，实验4中磁极极性与实验2中相反后成为左N右S。

2.2.4  小组评判

要求小组派代表谈谈实验过程新发现，形成实验方案的一致性观点。例如：①小磁针在螺线管两端沿轴线方向现象明显，与轴线偏离一个角度，N极指向也会有一定偏离;②不通电，小磁针静止时N极也有固定指向（地磁场）。如果螺线管轴线摆成南北走向，不利于辨分结果，可改成东西走向;③电路中电流越大，小磁针摆动越剧烈，可能磁性得到了增强，大电流可增强实验效果;④电路中電流太大，滑动变阻器线圈有明显升温现象，要关注安全用电;……教师把这些观点罗列进一张大表格，形成下一步实验的评价标准。

2.2.5  添加新观念

学生分组实验探究第四个电路图，验证猜想。教师引导学生等效找等量，形成新观念。

师：实验4的结果与预测一致吗？说明了什么？

生：一致。说明通电螺线管周围磁场磁极极性与电流方向有关，与导线环绕方式也有关！

师：对比四次实验结果，实验4和实验1结果相同。这说明在实验4和1中存在着一个相同的量，这个量与电流方向和导线环绕方式都有关。这个量可以代替这两因素共同作用，决定通电螺线管周围磁场磁极极性。大家想想，电流在什么上绕行？在任务单上描出实验1、4导线中电流的环绕方向，看看有什么发现？

生：实验1、4导线中电流的环绕方向相同！

2.2.6  反思、选择最佳科学观念

要求学生描出实验2、3导线中电流的环绕方向，并通过对比验证猜想。明确电流环绕方向才是通电螺线管周围磁场磁极极性的决定因素;加强辨分观念电流环绕方向由导线环绕方式和电源极性共同决定。通过Flash动画演示右手螺旋定则判断过程，完成规律建立。

2.2.7  应用

当堂反馈引导学生归纳解题思路，提出新问“如何增强通电螺线管周围磁场磁极磁性？”

设计意图： KI取向设计探索环节，析出、添加、辨分、反思观念后建构规律，为后续改进活动提供事实和理论依据，体现Science（科学）思想。

2.3  解释（Explain）

教师介绍安培分子电流假说，帮助学生建构磁化模型。从增加两端有序排列分子电流数目的角度，引导学生明确增强磁性方案——把铁芯放入通电螺线管中空部分。

设计意图：通过建模启发学生改进思路，使后續设计活动明确化、具体化，体现Science（科学）思想和Engineering（工程设计）思想。

2.4  设计（Engineer）

教师提供电池盒、电池、导线、开关、多匝线圈、滑动变阻器、铁钉、铁棒、大头针等器材，要求学生运用通电螺线管磁场特点和磁化现象，自选器材设计并自制一个电磁起重机来吸引大头针。各小组比一比谁的自制起重机能吸引起较多的大头针！

设计意图：迁移实验方法，改造探究电路来自制起重机，体现Engineering（工程设计）思想。

2.5  拓展（Enrich）

各小组展示自制电磁起重机工作过程，全班对比观察，改进自制电磁起重机。

师：如果你是工程师，会设计什么形状的铁芯呢？要用电磁起重机吊起铁制品，铁芯、线圈要和重物一起被举高。为了提高效率、增加稳度，铁芯适合做得太高吗？可以怎么改？

生：铁芯横截面要大、充满螺线管内部;可以降低重心，把铁芯“变矮变胖”;可以把铁芯拗成U形……

师：看看生活中电磁起重机常用的电磁吸盘，和大家的设计一样吗？科学有效的作品往往也很优美！

设计意图：结合数学几何知识、物体重心与稳度知识，完善设计实现从科学探究走向工程技术应用、从物理走向社会，体现Mathematics（数学）和Technology（技术）的思想。

2.6  评价（Evaluate）

教师评价学生在各个环节的表现与学习成果。既要重视各环节学科知识与技能落实程度，也要渗透工程设计对科学、美学的追求。

设计意图：关注学生对控制变量法、转换法等物理学研究方法内化程度。鼓励学生创新设计、渗透美学教育，体现Art（艺术）的思想。

3  教学感悟

物理学科核心素养中科学思维是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质[ 3 ]。基于STEAM教学的“6E”模式能够增强人的创造性，跨学科培养人的素养。KI取向设计探索环节，善于运用学生在各阶段对现象的解释而形成的观念库。把猜测的理据可视化表达出来，使得后续的对比更为鲜明，也提供了添加新观念的物化基础。坚持KI取向设计探索环节，会使学生思维发生几种变化：其一，重视假设在科学探究中的作用;其二，坚持通过实验或观察产生的数据作为事实概念化的依据;其三，重视实验细节，用批判性眼光看待实验结果。

参考文献：

[1]Burke B N. The ITEEA 6E Learning ByDesignTM Model： Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J]. Technology & Engineering Teacher，2014：73.

[2]马西娅·西·林 巴特—舍瓦·艾伦. 学科学和教科学[M].裴新宁，刘新阳译.上海：华东师范大学出版社，2015：10-12.

[3]朱晓安，张凤英. 比较教学：防治知识负迁移促进核心素养提升[J]. 中学物理教学参考，2018（6）：46.