基于PISA2015科学素养测评框架的物理复习课设计——以“电与磁”为例

蔡呈腾 黄京河

(浙江省温州市第二外国语学校，浙江 温州 325000)

1 引言

PISA2015科学素养测评框架以能力为中心，在真实情境(个人的、地区/国家的、全球的)中展现能力，以科学知识(内容性知识、程序性知识、认知性知识)和科学态度(兴趣、方法对探究的作用、环保意识等)影响能力的发展，[1]包括科学地解释现象、设计和评价科学探究、科学地阐释数据和证据等能力要素。

初中物理复习可按照PISA2015科学素养测评框架进行教学设计，浙教版八年级下册第1章第1～3节的内容包括:指南针为什么能指方向、电生磁以及电磁铁的应用，主要内容为磁现象、电流的磁效应以及电磁继电器的应用，三者可作为一个单元进行复习。笔者基于PISA2015科学素养测评框架，利用“干簧管”创设复习课的情境，设计教学任务，达成PISA2015科学素养测评框架中能力要素的培养目标，具体教学流程如图1所示。

图1

PISA2015科学素养测评框架重视能力要素在真实情境中的培养，把教学情境当成影响个体心理和行为活动的客观环境条件，从而强调情境的行为激发或促进功能，认为情境是促成个体具体行动的客观条件。[2]本复习课以魔术师表演“缘分灯”的神奇场面作为情境引入课题，整节课围绕“缘分灯”中的干簧管，解释科学现象、阐释数据和证据、评价和设计有关干簧管的拓展应用电路。

2 科学地解释“缘分灯”工作原理

2.1 教学任务规划

本环节总体的教学任务规划如表1所示。

表1

2.2 教学过程

2.2.1 视频展示

魔术师拿出一个“缘分灯”,让观众用手指接触“缘分灯”，灯泡不发光；魔术师用自己的手指接触“缘分灯”，此时灯泡亮了。

2.2.2 尝试画图

根据“缘分灯”的现象，请学生推测其电路结构，并说明其工作原理。

此环节是基于科学现象进行识别、使用和建构模型，并尝试表达出来。此环节具有开放性，学生的答案多种多样，能体现出学生的创造性思维能力，非常值得开展。

在评价和交流学生的设计成果时，最终通过归纳与总结，说明“缘分灯”由一个基本电路构成，其原理如图2所示，介绍电路中的干簧管的“开关”功能(图3)。

图2

图3

2.2.3 揭秘魔术

干簧管中有两只软铁簧片密封在玻璃管内，玻璃管内充满惰性气体，两片软铁簧片呈重叠状并且中间有一小空隙，外加磁场将会使两只软铁簧片接触。

(1)提出问题：如果你是魔术师，可以怎样让灯泡发光？

引导学生基于原理进行推测式解释，提出假设。

(2)揭示答案：魔术师手指戴磁戒，通过控制磁戒与“缘分灯”的距离来控制干簧管的通断(图4)。

图4

2.2.4 工作原理和思维流程

教师提出问题：为什么磁体靠近干簧管，会使干簧管的两只软铁簧片相互接触？

学生以小组为单位进行讨论与交流，鼓励他们以图文并茂的形式来解释现象。各小组汇报、交流干簧管的工作原理，如图5所示，当磁体(魔术师手指上的磁戒)靠近干簧管时，干簧管里的两片软铁簧片被磁化，由于异名磁极相互吸引，故两片软铁簧片相互接触。

图5

可用流程图展示学生的思维过程，说明磁体靠近干簧管时灯泡亮起的原理(图6)。

图6

2.3 复习知识框架

本环节主要复习磁现象知识，可顺便指出：磁体(磁戒)是通过磁场使干簧管软铁簧片磁化的，复习时呈现出的具体知识框架如图7所示。

图7

2.4 PISA2015能力培养

本环节主要是通过展示“缘分灯”中的干簧管，以磁现象知识来解释魔术师神奇的表演。要求学生能够在给定的“缘分灯”情境下回忆磁现象和磁场的知识，并运用它们解释灯的工作原理。此环节的精彩之处在于学生在教学前并没有接触过干簧管，通过任务驱动他们能够根据已有的磁现象等知识提出假设，用来解释干簧管的工作原理，要求学生能够利用“磁化”模型提出假设，预测、解释干簧管的工作原理。

3 科学地阐释“干簧管”的事实证据

3.1 教学任务规划

本环节总体的教学任务规划如表2所示，需要说明的是此环节中的能力少了“科学地阐述数据”，主要是由于利用干簧管时没有数据可用。

表2

3.2 教学过程

(1)说出能使软铁簧片发生磁化的其他方式。此环节围绕通过电流磁效应来使软铁簧片发生磁化，一是利用奥斯特实验效应，二是利用通电螺线管，三是利用电磁铁，三者磁化干簧管中软铁簧片的逻辑关系如图8所示。

图8

(2)运用电磁铁来控制干簧管的通断。如图9所示，滑动变阻器的滑片从最上端开始缓慢滑到某个位置时，原来不发光的小灯泡亮了，请解释此现象。

图9

学生通过讨论与交流，得出结论，其思维过程如图10所示。

图10

3.3 知识复习框架

本环节主要复习电流的磁效应，包括通电直导线、通电螺线管和电磁铁周围的磁场，三者产生磁场的特征如表3所示。

表3

3.4 PISA2015能力培养

本环节通过对科学现象(小灯泡发光)进行论证(干簧管簧片被磁化而相吸)，提取有效的事实证据(观察干簧管簧片的状态)，同样需要一定的科学知识(电流的磁效应)为基础才能完成。这种科学地阐释事实证据的能力，就是“能够面向特定人群，用他们可以听得懂的语言解读科学证据的意义及其启示；能够评估科学信息的可信度与准确性，基于科学证据形成或评估论点与结论；运用证据评估其他可能的结论，使用程序性知识或认识论知识有理有据地支持或反对某一结论，能够发现达成结论过程中隐藏的假设”。[3]

4 设计和评价“干簧管”拓展应用电路

4.1 教学任务规划

本环节的教学任务总体规划如表4所示。

表4

4.2 教学过程

(1)利用如图11所示的器材控制灯泡的亮暗，画出电路图，并说明工作原理。通过小组交流与合作，展示学生的成果(图12)。

图11

(2)对图12电路的解释与评价可通过如图13所示的思维流程来体现。

图12

图13

4.3 知识复习框架

在设计电路时用干簧管代替了电磁继电器，顺带复习了电磁继电器的知识(图14)。

图14

4.4 PISA2015能力培养

在此环节中评估与设计科学探究的能力体现在：

(1)学生能够认识到干簧管可替代电磁继电器作为工作电路的“智能开关”；

(2)能够总结出干簧管与电磁继电器在工作电路中功能的异同；

(3)能够在给定的利用干簧管的具体情境下，知道干簧管代替电磁继电器的现实意义。与电磁继电器类似的是：并非在控制电路中有电流时，干簧管中的软铁簧片就能吸合，只有当电磁铁的磁性达到一定强度时，才可使磁化的软铁簧片吸合。

5 结语

基于PISA2015科学素养测评框架的物理复习课以陈述性知识、程序性知识为载体，创设真实的现实情境，引导学生通过合作、交流的形式进行形成性评价，培养学生的创造能力，提高学生的科学素养。