初中《科学》课程中认知进阶式复习课堂研究——以“探秘小彩灯”为例

郭浩佳

(衢州华茂外国语学校 浙江 衢州 324000)

科学教育的目标不是获取一堆由事实和理论堆砌的知识，而应是实现一个趋向于核心概念的进展过程.核心概念，即位于学科中心的概念性知识，包括一些基本理解和解释，如重要概念、原理和理论等学科结构性的主干部分[1].学习进阶是对学生一系列学科知识的、连续的、逐步深入的思维活动进行描述的工具，旨在刻画学生科学认知水平的发展过程.布鲁姆将认知目标分类为：记忆、理解、应用、分析、综合、创造，这6个目标的设定符合学习进阶的理念，从低阶逐渐走向高阶.在实际教学中，可侧重研究核心概念的学习进阶，以期达成学生的高阶认知.

电学知识覆盖小学、初高中多个学段，属于核心概念的范畴.从小学的初识电路到初中的探究电路，从八年级的电路连接到九年级的电能转化，学生对于电学概念的建构领悟贯穿不同时期，即使在同一章节的新授课和复习课阶段，也需要实现学习进阶.本文尝试在八年级科学“电路探秘”的章节复习课上，创设“探秘小彩灯”的情境，使探究环环相扣，逐步达成高阶认知目标，意在探寻基于学习进阶模式来推动认知发展的可能.

1 基于学习进阶的认知目标预设

依据学习进阶理论，核心概念学习一般要经历经验感受、映射感知、关联处理、系统构建、整合应用5个发展阶段[2].新课建构概念时，前3个阶段将经验转化为概念，后两个阶段是应用领悟概念.阶段性复习时，则应侧重呈现后两个阶段，系统构建是探寻事实经验的本质特征，整合应用是全面理解概念本质，建立核心概念间的相互联系.结合布鲁姆的认知目标层级，本节课的预设目标如表1所示.

表1 “探秘小彩灯”的认知进阶目标

2 基于学习进阶的认知发展设计

2.1 新情境中应用已有旧知

环节一：探究小彩灯的连接方式

教师展示：开关闭合或断开时，一串小彩灯能实现同时亮暗.

师：小彩灯是串联电路还是并联电路？

生(异口同声)：串联电路.

生(少个别)：也可能是并联电路，只要开关在干路上.

师：如何证明是否是串联电路？

生：可以取下一个灯泡，闭合开关，观察其他灯泡是否还能发光.

演示：取下一个灯泡后，其他小彩灯都不发光.

结论：小彩灯是串联的.

进阶评测：应用的特征是初步将科学知识运用于新情境中.学生已具备电路连接的知识，只是“纸上谈兵”较多，多为判断电路图的连接方式，本课创设小彩灯同时亮暗的生活情境，引发学生不同判断，培养学生实证意识，达成对两种电路差异的正确理解：各用电器间是否相互影响，而非能否同时工作.

2.2 未知现象中分析工作原理

环节二：探究小彩灯“闪烁”的原因

师：有些小彩灯能一亮一暗，不停闪烁，怎样才能实现这样的效果？

生：可以不断闭合及断开开关.

师：理论上可以，实际操作不可行，请观察这个特殊灯泡——“跳泡”(图1).

图1 “跳泡”

演示：将一个灯泡换成 “跳泡”后，整串小彩灯能实现闪烁的效果.

学生活动1：将一个 “跳泡”连接在5节干电池(约7.5 V)两端，观察其工作特点.

现象：“跳泡”亮暗交替.

学生活动2：增大“跳泡”两端的电压，观察“跳泡”的工作特点.

现象：“跳泡”的亮暗交替加快，即闪烁加快.

学生活动3：观察已除去玻璃外壳的“跳泡” 的内部结构，尝试标出其工作时的电流路径.

交流：电流依次流经灯泡内的倒“L”形金属、金属片和灯丝.

师：通电时，“跳泡”中哪个金属片可能会发生变化？该金属怎样实现电路的通断？

生：(提出猜测)

师：你们的猜测是否合理，需要实验来验证.

实验视频(图2)：加热前，中间金属片同时接触倒“L”形金属片和灯丝，加热时，中间金属片会脱离倒“L”形金属片，弯曲向灯丝，撤去加热后，中间金属片又会恢复与倒“L”形金属片及灯丝的接触.

图2 实验视频截图

师：请根据实验现象，解释跳泡能自主实现亮暗交替的原因？

生：通电时，随着温度不断上升，中间金属片向灯丝弯曲，与倒“L”形金属片脱离，电路断开，“跳泡”熄灭；中间金属片的温度随之下降，恢复原状，又与倒“L”形金属片接触，电路接通，“跳泡”发光，如此不断反复，则观察到“跳泡”闪烁.

进阶评测：分析是把事物分解成不同部分进行研究的思维方法，有助于全面深刻地把握事物特征.小彩灯闪烁的原理是电路中有个自动开关——“跳泡”，学生从未接触过该器材，需要将原理探究进行分解，便于有效分析：一是探究“跳泡”的工作特点，操作简单，现象可见，为后续探究打下坚实基础；二是观察“跳泡”的内部结构，预测其工作时的电流路径，用手拨动中间金属片易于弯曲，有利于猜测它的功能；三是探究中间金属片(双层金属片)受热弯曲的特点，学生缺乏双层金属片的前概念，设计方案难免困难，可采用演示实验的方式；四是学生表述“跳泡”亮暗交替的原理，培养学生科学解释的能力.经历分析“跳泡”的工作特点、内部构造和工作原理的过程，使学生在认识新型电路元件的同时，增强解决实际问题的能力.

2.3 意外现象中综合解决“故障”

环节三：探究“跳泡”的电阻

师：能否利用电学实验盒(学生自备)中的小灯泡(3.8 V,0.3 A)和“跳泡”来实现小灯泡闪烁的效果.

演示：将一个小灯泡(3.8 V,0.3 A)和一个“跳泡”串联入电路，现象是“跳泡”能闪烁，而小灯泡不能发光.

师：与“跳泡”串联的小灯泡不能发光的原因可能是什么？

生：可能是“跳泡”电阻明显比小灯泡大，则小灯泡两端分配的电压太小.

师：已知“跳泡”的额定电压是12 V，能否测量出“跳泡”正常工作时的电阻？

学生活动4：画出伏安法测电阻的电路图(图3)，然后测量“跳泡”正常工作时的电阻.

图3 伏安法测电阻电路图

师：正常工作时，通过“跳泡”的电流多大？“跳泡”的电阻是多少？

生：“跳泡”两端电压达到12 V时，通过它的电流是0.12 A，计算得“跳泡”正常工作时的电阻为100 Ω.

师：能否解释与“跳泡”串联的小灯泡不发光的原因？

生：根据小灯泡的规格算出其正常工作时电阻约为12 Ω，电阻明显小于“跳泡”，分配的电压明显小于其额定电压，所以不能发光.

师：测量过程中是否存在困难？

生：难以读数.当“跳泡”两端电压达到12 V时，“跳泡”闪烁较快，即“跳泡”通电的时间过短，难以看清电流表的示数.

师：你们是如何解决这个问题的？

生：“跳泡”闪烁过快时，断开开关，再次闭合开关后，在“跳泡”开始闪烁之前就读出两电表的示数.

师：实验时，你们是否关注过电压表和电流表的指针偏转情况？有何不同？

生：电压表和电流表的指针偏转方向相反，当“跳泡”熄灭时，电流表示数变小到零，电压表的示数增大，如图4所示.

图4 “跳泡”熄灭时，电压表和电流表的示数变化

师：请对照电路图分析，“跳泡”熄灭时，电流表无示数和电压表示数增大的原因？

生：“跳泡”熄灭时，电路断路，则电路中没有电流，电流表无示数. “跳泡”与滑动变阻器串联分压，当“跳泡”工作时，电压表测量的是“跳泡”两端的电压，小于电源电压，当“跳泡”熄灭时，电压表测量的是电源电压，所以电压表的示数增大.

进阶评测：综合以分析为基础，全面加工各要素并重新组合成整体，以便创造性地解决问题.本环节中的综合体现在3个方面：

一是在分析得出“跳泡”的功能后，将其与学生熟悉的小灯泡组合起来，以达成自制小彩灯的目的，创设综合进阶的情境.

二是伏安法测可变的“跳泡”电阻时，移动滑片不为多次测量求平均值，而是保证“跳泡”在额定电压下工作，以测量其正常工作电流，可视为学生在新情境中创造性地解决问题.

三是由于“跳泡”工作的特殊性，实现了正常测量和“故障现象”的综合，即“跳泡”熄灭时，出现电压表和电流表示数的反常变化.

检测故障是一类较难的电学问题，不少学生难以厘清，借助实验现象中的意外，能引发学生的主动思考，促进学生对电路故障的深度理解.

2.4 实用主义下的创造性整合

环节四：探究小彩灯的内部构造

师：一串小彩灯，如果其中一个被烧坏了，其他还能工作吗？为什么？

生：不能工作，因为串联电路只有一条电流路径，一处断开，则无法工作.

师：因为一个灯泡，整串小彩灯都不能工作还真可惜，实用性不强，有无改进方法？

演示：换上一个烧断灯丝的小彩灯，闭合开关，其他小彩灯都能发光.(生很惊诧)

师：烧坏的小彩灯处是否断路？此处接通但是灯泡不亮有可能是什么情况？

生：其他串联灯泡能发光说明烧坏的小彩灯处是接通的，有可能灯泡内发生短路.

师：灯丝烧断了，电流还可以通过灯泡内的金属丝，那么灯丝和金属丝该如何连接呢？

学生活动5：观察小彩灯内部灯丝和金属丝的连接方式(图5)

图5 小彩灯内部灯丝和金属丝连接方式

师：小彩灯内部的灯丝和金属丝是并联的，那么彩灯正常工作时，灯丝为什么不会被金属丝短路？

生：有可能金属丝的电阻很大，相当于断路，正常工作时，电流只通过灯丝，若灯丝烧断，则电流会通过金属丝.

师：若金属丝电阻比灯丝电阻大很多，根据串联电路分压的特点，请你推测其他小彩灯的发光情况？

生：串联电路中金属丝的电阻很大，则金属丝两端分到的电压很大，其他小彩灯分到的电压很小，则小彩灯的亮度明显变暗.

师：然而小彩灯烧断后其他小彩灯并没有变暗，可见金属丝的电阻不能比灯丝大，要实现工作时电流不通过金属丝，还有个巧妙的方法，在金属丝的表面涂上绝缘层，当灯丝烧断时，金属丝两端的电压很大，瞬间击穿绝缘层，连通金属丝和金属杆，则电流通过金属丝，使其他小灯泡继续发光.

进阶评测：创造是对知识材料进行深度加工，理性深刻地对事物本质作出判断，并发展出新知识的过程，属于最高阶的认知目标.串联电路某处断开，则整个电路不通电，是本课伊始判断彩灯连接方式的依据，而实际情况往往比较复杂，需要突破常规思维，才能有所创新.怎样在串联电路中实现灯泡间的互不干扰，这需要学生创造性思维的参与.一是整合思维：将灯丝和金属丝并联，保证有备用路径；使短路和断路共存，实现电路畅通；二是批判思维：思考金属丝在灯丝正常与烧断时如何工作，依据猜测推导出与事实矛盾的现象，旨在鼓励质疑和反思；三是发散思维：学生受经验水平所限，难以提出金属丝表面涂绝缘层的方法，可直接告知以拓展学生视野，启迪多角度思考的意识，以达成深刻理解构造本质.

3 基于学习进阶的认知发展课堂反思

本节课的实施情况是：各个环节清晰，层层递进；活动有序开展，难度逐步升级；课堂生动活泼，时有惊叹感慨；学生热情高涨，探究意识浓厚.可见，相比常规复习课堂，无论是知识回顾式或练习讲评式，认知目标进阶式的课堂都更胜一筹.递进式的任务型课堂，能有效激发学生的主观能动性，有效推动学生的认知发展.

复习课上明晰的探究主线，进阶的学习任务，得益于精心创设的情境，本课使用小彩灯作为探究对象，原因有二：一是学生困惑于作业中的“小彩灯烧断不影响串联的其他灯工作”;二是恰逢新年，小彩灯正是常见装饰物.确定探究对象后，需根据知识序列和认知目标，充分挖掘探究要点，如彩灯连接方式、彩灯闪烁原理等，由易到难逐级排列，促使探究不断走向深入，促使认知不断走向高阶.