指向深度学习的物理教学路径探索
2020-06-06徐立海
徐立海
(浙江省台州附中，浙江 台州 318020)
在学科核心素养背景下,知识似乎变得不再重要,事实上,如若没有知识学习的过程,没有掌握必要学科知识,核心素养就无从谈起,如同无源之水,无本之木,学科核心素养就是在知识学习的过程中孕育发展的．学科核心素养并没有淡化了对知识学习的要求,而是对知识学习提出了更高的要求,不仅仅是关注“冰山”位于水面之上占小部分的学术形态的知识(对应知识的表层意义),而更加关注隐藏在水面以下占大部分的教育形态的知识(揭示的是知识的深层意义),即蕴含在知识背后的思维方式和价值取向,如学习兴趣、真实体验、思维方式、探究能力、创新意识、价值观念、科学与人文精神、审美情感、人文社会责任等主体性知识．如何挖掘知识的深层意义呢?深度学习是必由选择,它是指在教师指导下,学生基于真实的主题情境,围绕着具有挑战性的核心问题,积极地全身心参与分析、设计、探究、论辩、互评等学习活动,从而体验成功乐趣、获得进阶发展的有意义的学习过程．通过深度学习,知识不再是简单的符号知识,而是已被学生感知、内化了的文化知识,是已附着了情感体验的本我知识,已转化成学生的智能,继而凝练、发展成为学生的核心素养．本文就以“电容器的电容”这一课为例,从以下6个方面就指向深度学习的物理教学路径进行探析．
1 基于学生需要,创设趣味实验,激发探究热情
需要是指人们缺乏某东西而产生的一种“想得到”力求获得满足的心理倾向．每一位学生走进物理课堂,内心都驻扎着求知、求趣、求实、求索、求成、求真、求美等心理需要．只有当讲课内容、方法切合学生的这些心理需要时,才会引起学生快乐的情绪,激起学生内在强劲的学习动力．考虑到学生对电容器非常陌生,缺乏感性认识,为此笔者运用生活中很常见的金属盆和矿泉水瓶制作“土电容”实验,这些实验简易化、生活化,很容易拉近物理和生活的距离,激发学生的学习兴趣,使学生深切感受到科学的真实性．具体过程设计如下.
(1) 启发讲解．这只矿泉水瓶是用作盛水的容器,那么,它是否可以用来储存电荷呢?如果将这只瓶子稍作改变,在外面贴了一层锡箔纸,瓶子的里面盛有食盐水,瓶子的中央插有一根金属丝,它能装电吗?
(2) 实验观察．将感应起电机的两个电极分别锡箔纸与金属丝连接,摇动起电机,一段时间后停下,然后将两电极断开,等待一会儿后,再把金属丝的一根引线与锡箔纸相接触,此时听到“啪”的放电声响,同时看到闪光．再用两只金属脸盆之间隔着一层绝缘材料构成自制电容器,采用与上面相似的方法,同样也看到了闪光、听到了放电声响．
(3) 提出问题．以上两种容器都能储存电荷,那么,在结构上,它们具有什么共同的特征呢?
以上利用生活化器具构造成的电容器,学生在视觉、触觉体验中感知电荷被储存的真实,一起感受到了物理学习带给他们的快乐．在此感性认识的基础上再提出问题,引导学生格物致知,可以很好地激发学生的探究热情．
2 基于问题情境,丰富物理表象,促进意义建构
建构主义学习理论认为,学习过程是人的认知思维活动的主动建构的过程．在意义建构进程中,真实情境可以为学生提供的一个完整、真实的问题背景,以及丰富的物理表象,以此为支撑促进知识的意义建构．事实表明,学习情境越真实,学生构建的知识就越可靠、越深刻,就越容易在真实的学习、生活中得到运用．物理的问题情境主要包括物理与日常生活、生产、科技联系的情境,以及物理学术情境．只有将学生置身于真实的、复杂的、不可预测的物理情境中,才能培养学生的物理核心素养．在本课,学生还没有深入学习过电流,电流又是抽象的,所以学生对电容器充放电过程中暂态电流的形成过程及其工作原理的理解,将会产生一定的认知困难．为此,笔者设置了两个实验情境,通过以下过程开展教学．
(1) 提出问题．电容器为什么能储存电荷?是如何充上电荷的,又是如何放出电荷的?在充放电过程中,电流随时间是如何变化的?这些问题,需要借助实验进行分析解答．
图1
(2) 实验观察．电路如图1所示,通过小灯泡来反映短暂的充电电流和放电电流．当电键拔到1位置,观察到小灯炮闪亮了一下就熄灭;然后把电键拔到空挡,等待一会儿;再把电键拔到2位置,观察到小灯泡也闪亮了一下就熄灭．
(3) 分析推理．引导学生分析充电、储存、放电的工作原理,如图2所示．
图2
(4) 模型建构．如图3所示,使用DIS数字实验系统实时监测电路中的电流与电压,进一步呈现在电容器的充放电过程中,电流与电压随时间暂态变化的图像,如图4所示．由图可知,在电容器充电时,随着电容器储电量的增加,电容器两端的电压逐渐变大,直至不变,而电流在接通瞬间即为最大,随后逐渐减小为0;在电容器放电时,随着电容器储电量的减少,电容器两端的电压逐渐减小为0,而电流在放电瞬间即为反向最大,随后逐渐减小为0．
图3
图4
以上教学中,先利用问题启发学生思考,然后通过观察分析小灯泡发光的浅层现象,由表及里,引导学生运用已有知识从理论上分析充电、储存、放电的工作原理,最后通过DIS实验深入到电流和电压的变化图像．这一过程非常符合学生的认知过程,从现象到本质,从科学推理到科学实证,展现知识的形成与发展,全方面、多层次地建构了充放电物理模型．
3 基于真实任务,参与具身体验,提升探究能力
具身认知理论强调身体在认知过程中起关键作用,认为认知是包括大脑在内的身体的认知,身体的生理结构、活动方式、感知觉和运动体验共同决定了我们认识世界的内容、方式和结果,可以说认知是通过身体的体验及其活动方式塑造出来的．物理是一门以实验为基础、以探究为手段的学科,因此物理的学习更应该强调身心一并融入物理情境,既动脑又动手,强调身体活动与学习内容、学习需求有机的结合起来．这要求教师要引导学生在参与互动中学习,在体验和探究中学习,在亲自操作和实践活动中学习．“如何让电容器带上电,如何检验它带电,以及如何让电容器储上不等的电荷量,如何检测带电量的多少”对于这些问题,如若学生都没能经历实际的具身体验,那么对后续关于电容器储电性质的学习和理解就会造成一定程度上阻隔．为此,笔者设置了3个探究性任务,通过以下过程开展教学．
(1) 提出任务．给每组提供以下器材,电容器3只(两只相同为A,另一只为B)、干电池2只、发光二极管1只、电压表1只、导线4根．请大家完成以下3个任务： ① 让一只电容器储上电荷,并证明其存上了电?② 让两只相同的电容器A、A带上不同的电荷量,并证明之．③ 用相同的电池给两只不同的电容器A、B充电,并比较带电量．
(2) 方案设计．在教师的引导下,学生形成以下方案的设计．任务1： 让1只干电池并联在电容器两极一段时间后拿开,然后将电容器的两极与发光两极管或电压表并联,可以观察到两极管发光,电压表指针偏转后读数逐渐减小．任务2： 用1节干电池和2节串连干电池分别给2只电容器充电;或是用相同的电池给2只电容充电后,将其中1只通过对电容器B或二极管放电一部分．任务3,电容器A、B充电后,分别接二极管发光,发现亮度不同,或是接电压表偏转,发现读数不同．
(3) 实验操作．每组学生按照自己的方案设计进行操作,边做边思．
(4) 交流评估．各组派代表汇报本组的方案设计及操作办法．教师组织对不同的方案和操作展开交流、评价．由上述实验可知电容器储存的电量是由哪些因素决定的?教师基于以上实验成果,引导学生共同分析得出,电容器储存电量的多少是由电容器两端电压U和电容器本身某性质共同决定的．
以上通过3个任务的学习驱动,让学生进入到具身学习的状态中．经历任务1的思考与操作过程,让学生学会了如何给一个电容器充电,如何检测电容器是否带电．任务2和任务3可以让学生真切感知到电容器的储电量是由两端电压和电容器本身性质共同决定的．在以上操作与探究过程中,学生需要全身心投入,在不断试错中,反复经历任务分析、方案设计、动手操作、提出质疑、问题解决、作出解释、交流评估等探究活动.这样的过程可以让学生体会到自主探究的艰辛,在具身实践中收获探究能力的提升．
4 基于核心问题,引领科学探究,发展思维品质
培育学生科学探究的习惯,提升学生的思维品质,这是物理课程的核心任务,也是落实物理学科核心素养的着力点．科学探究的素养是在科学探究的实践中形成与发展的,教师应以核心问题为导向,引领学生经历与科学家相似的科学探究过程,学着像科学家一样思考问题,在学习与思索中,形成对客观事物的本质属性、内在规律的认识与理解,将物理中蕴含的大量科学思维方法内化为自身的思维方式,在潜移默化中发展思维品质．“电容器的Q与U的具有什么定量关系?本课以此作为探究的核心问题．对于这个问题的解决,在探究方式上,学生可以同时经历理论和实验两种探究方式;在科学思维上,学生可以经历猜想、推理、设计、论证、倍增与倍减法、图像法等思维方式．其探究活动过程设计如下.
(1) 提出问题.
既然电容器储存的电量是由电容器两端电压U和电容器本身某性质共同决定的?那么,如何来探究这种储电性质呢?方法是先要去探究“Q与U的定量关系”,然后在定量关系中找出隐含着的这种性质．
(2) 理论推导.
如图5所示,由于电荷量Q与电压U不好直接建立关系,为此引入中间量场强E作为联接的纽带．图(b)中可以看出,如果电容器的带电量从Q变成2Q,那么两极板间的场强就从E变成2E,从而导出E∝Q;再根据U=Ed可导出U∝E;综上两式可得Q∝U．
图5
(3) 实验验证.
自制恒流源,内部电路如图6所示,用恒定电流对电容器进行线性充电,设计成实验电路,如图7所示．图中mA表用来测量充电过程中的恒定电流,用电压表或电压传感器来显示充电过程中电容器电压的变化．为延长充电时间,方便测量,电容器要选用大电容的．
图6
图7
向学生介绍实验原理,因是恒定电流,所以Q∝t,则只要记录下时间即可表示电容器带电量的多少．这样,测出电容器充到0.5 V、1.0 V、1.5 V、2.0 V…的时间,就可以得到Q、U的关系．
图8
把班级学生分成几个小组,每个小组学生,每人都拿着一只秒表,都负责记录一项数据,如电压到达1.0 V时对应的时间．采集到数据后,让学生画出Q-U图像(如图8所示),自行发现实验规律．
(4) 质疑创新.
教师向学生提出,如果没有恒流源,只给你提供1个6 V稳压源、1只电压表、4只相同的电容器、两根导线,那么如何来证明Q与U成正比．类比库仑实验的思想,虽无法测出电量Q的具体数值,可以用倍减法的方法,用倍率来计量电量的大小．然后,引导学生提出实验设想:先用稳压源给0号电容器充电,然后0号电容器先后分别与1号、2号、3号电容器(如图9所示)并联一段时间后移开,这样1号、2号、3号电容器就分别带上了Q/2、Q/4、Q/8的电量,教师演示学生的设想,获得成功．
图9
上述教学中,在实验之前,先从理论上对Q与U的关系进行科学推理,可以使学生明白知识的由来,掌握知识的来龙去脉,同时又可以促进学生分析思维能力的提升．教材上推荐的实验,是利用放电电流的非线性图像,根据图线与时间轴所围的面积来测量Q,这种方法太过复杂,对学生的认知水平要求过高,一般学生难以理解.上述教学中用恒定电流对电容器进行线性充电的实验,就可以很好地解决这一问题,而且这个实验设计,还可提高学习的参与度和自主性．最后,通过限定实验条件,提出更具思维挑战性的问题,激发质疑创新．
5 基于多维视角,引导多维论证,达成深度建构
科学知识是多维的,要理解科学概念,就必须从不同的角度,运用分析的、解构的方法才能揭示科学概念的本质．此外,从多维视角去审视、理解同一个知识概念,把新的信息与大脑中已经存储的信息建立了多个链接,既强化了新知,也巩固了旧识．基于多维视角,引导多维论证,达成深度建构,正是当前深度学习的主要观点．深度学习提倡将新概念与已知概念和原理联系起来,整合到原有的认知结构中,同时,将对新知识的理解迁移应用到新的不同情境中,从不同层面,不同角度加以审视,引导学生体验知识与自身、与生活、社会、科技的关系,启发学生深刻领会并掌握核心知识的符号意义、逻辑意义,体悟内隐于知识最深层的意义与价值．电容是一个非常抽象的概念,要使学生对其建构起深度理解,教学就必须是超越表层的符号,强调新旧知识整合,强调知识深度建构,对知识新信息予以多维加工、多维论证．关于电容的概念教学,过程如下.
(1) 比值定义.
前面,通过理论和实验的探究已得出Q∝U,引入比例系数C把式子变成等式Q=CU．联系之前的结论:电容器储存电量的多少是由电容器两端电压U和电容器本身某性质共同决定的．两者一对比,就可看出比例系数C就可以用来表示电容器本身的性质(类比电场强度E和电势差U的比值定义)．那么比值C=Q/U反映地是电容器的什么性质呢?
(2) 类比分析.
如图10(a)所示,两电容器(C1 如图10(b)所示,两电容器(C1 图10 综上可以得出,比值C越大,电容器容纳电荷的本领就越大,具体表现为相同电压时,容纳的电荷越多,储存相同电量时,电位升得越低． (3) 实验论证. 展示两个实验用的电容器的铭牌,读出并比较电容值,解释击穿电压．为进一步增加对电容概念的感性认识,教师再用两个电容器,用同一高压电源进行充电,然后再放电,观察比较放电火光和声响的差异． (4) 联系实际. 先向学生演示相机闪光,并介绍闪光灯的内部结构及工作原理,指出闪光灯的电容一般是330 V的200-400 μF的高压电容．然后向学生介绍上海使用超级电容器作新型电车的试验,使他们知道超过1 F的电容器也是可以实现的,自进入21世纪以来,电容超过1000 F的电容器已经大规模生产,并得到广泛应用． 在本课设计中,电容概念的形成与发展过程,就是一个知识探究的过程．在作出比值定义前,其实已经历了两个探究过程： (1) 通过“提出任务——方案设计——实验操作——交流评估”探究储电多少的决定因素； (2) 通过“提出问题——理论推导——实验验证——质疑创新”探究Q与U的定量关系.这两个探究为电容概念的建构与理解提出了有力支撑.在此基础上,再通过“比值定义——类比分析——实验论证——联系实际”的过程,促成了电容概念的意义建构． 科学态度与社会责任反映了物理学习更高层次的价值追求,凸显物理学科培育情感态度和价值观的目标追求．培育学生科学责任与态度是物理教学落实立德树人目标的根本要求也是重要体现．物理知识规律的探究与发现凝结着物理学家执着探索的精神、崇尚真理的意识和刻苦艰辛的努力．物理的研究必须要严谨求实、尊重事实、开拓进取的,也需要面对挫折不惧艰辛、面对权威敢于质疑,这些都是科学精神、科学态度的具体表现．应用科学知识创造出科学技术,可以帮助人类改造世界、创造美好生活,而这是科学价值观的体现．本节课通过让学生经历模型建构、自主实验、理论推导、实验验证等科学探索过程,努力培育学生的科学精神与科学态度．通过储电瓶和储电盆实验让学生体会到“物理源于生活”,再通过对闪光灯、超级电容器的介绍,让学生领会到“物理回馈生活”的科学价值观念． 结语: 在信息化时代,教师应当是深度教学的践行者,是学生核心素养的培育者.把教师外在的教学期望转化为学生内在的学习愿望,把生硬的教学内容转化为生动的教学材料.通过情境创设,引导学生去思考和体会情境所蕴含丰富的思想和情感内容.通过层层问题,启发学生在学习过程中质疑、批判、深入思考,促进学生学得高效、愉快、透彻.引领学生逐步成长为有思想、有能力、有高级情感、有积极人生观、价值观的未来文化人．
6 基于价值引领,融入价值体验,培育科学态度责任
