凸显源于学生生活经验的思维主线——“电能表和电功”的教学实践与思考

何秀敏

(山东省菏泽市开发区广州路中学,山东 菏泽 274300)

美国教育心理学家奥苏贝尔说:“假如让我们把全部教育心理学仅归结为一条原理的话,那么我将一言以蔽之:影响学习唯一因素就是学习者已经知道了什么”.建构主义教学论认为，“应当把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点,引导学习者从原有的知识经验中生长新的知识经验”.真正的理解学习是基于自己的经验背景而建构起来的,所以说学生既有的生活经验就是我们教学的基础,只有拓展和丰富学生的生活经验,学生才能真正主动建构知识的意义,而主动建构的知识必将成为他们未来学习的支架.本节课的设计采用了基于学生生活经验的“原点认知——主动建构”的教学设计,以电能为核心,以电能的利用——电能的测量——电能转化的实质(电功)为思维主线展开,对人教版和苏科版教材进行了融合,以学生为中心,以生活经验为基础,强调了学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识的主动建构.

1 激活生活储备,自主形成能量转化观(电能)

生活情境再现.

(1) 展现流光溢彩的城市夜景.电能有哪些来源?是由什么形式的能量转化而来的?

电能来源形式多样,火力发电、水力发电、风力发电、核能发电以及各种各样的电池,学生有着丰富的生活经验,所以在这样一个自由谈的环节中,学生充分调动了已有的生活认知,从不同的方面感知了电能来源于其他形式的能量.

(2) 展示各种常见用电器.生活中常用的用电器把电能转化为哪些形式的能量被我们利用?

用电器的种类繁多,学生的生活认知非常充分,但了解的广度和深度又不尽相同,采用小组合作的方式进行分析汇总,充分调动了学生的交流兴趣,并主动进行了梳理归类,发现用电器主要将电能转化为机械能、内能、化学能、电磁能等其他形式的能量.

分析:在电能的认识中,从学生的知识经验开始学习,用真实问题引发学生从生活到理论的主动归纳.不同的学生生活认知有所不同,通过协作交流便可以将各种不同的发电方式归结为其他形式的能转化为电能;同样可以将电能的利用归结为电能转化为其他形式的能,这个过程符合大脑认知系统的工作原理,从问题信息的发出到学生将已有生活认知进行整合归纳,信息沟通渠道流畅,完成了电能转化的主动建构.同时在这个能量转化观念形成的过程中,教师引领学生对发电机、电池和各种用电器的发明和改进对于推动社会文明与进步的意义进行升华,使学生更深刻地领悟了科学的精神和魅力.

2 启动生活调查,主动探索电能的测量(电能表的认识)

通过课前班级调查发现,只有极个别学生见过家中的电能表,几乎所有的学生对于电能表没有什么了解.鉴于这种情况,教师安排了课前的生活调查(见表1).

(1) 生活情境再现.电能是商品,电力部门是通过什么方式计量我们消耗电能的多少?又是如何计量的呢?

表1

分析:学生在生活中已经知道消耗电能的多少是用电能表测量的,但对电能表的参数、计量方式等等均不够了解,所以教师安排了课前的生活调查,引发学生主动观察家中电能表仪表参数和探究电能表工作状态的兴趣.学生们进行了现场拍摄、资料查阅、家长问询等多种方式,深层次地了解电能表的技术参数和使用方法.整个过程中学生主动去搜集并分析有关的信息和资料,对所调查的问题提出各种假设并努力加以验证,真正诠释了知识融入生活才能体现价值的理念.

(2) 调查信息课堂交互.对于课前调查了解到的电能表的参数、读数方法、计量方式等进行协作交流,然后进行展示讲解.

经过实践发现,由于课前经过了充分的调查,课堂分享交流氛围热烈,学生的展示如预期一样精彩.特别是在如何计量一段时间消耗的电能的问题上,学生既可以展示出电能表表盘示数之差的计量方法,还提出了可以通过脉冲指示灯闪烁次数与电能表常数之间的关系来计算消耗电能的方法,而这些发现都在教师的预设之外,真正体现出学生主动发现和思考的价值所在.在电能表的这部分学习中,教师只点拨了电流规格中的标定电流和最大额定电流的意义.

分析:协作交流是推进主动学习进程的重要手段,通过小组交流互助的形式,学生们将自己从不同渠道获得的资料进行整合分析,提炼归纳,小组成员共享了自己的想法同时获得了他人的指导和帮助.学生们以调查内容为自己的经验基础,通过交流对话,对这些信息重新认识和整理,建构了自己的知识体系,主动完成了电能表学习的自我反馈和评价,取得了比较好的学习效果.

选择常用的物种多样性测度指标，如物种丰富度指数、物种多样性指数、物种优势度以及物种均匀度指数等［3］。

3 激活已有认知,科学探究电能转化实质(电功)

(1) 教师进行功能关系的讲解引领.做功的过程总是伴随着能量的转化,例如电风扇工作将电能转化为机械能,这个能量转化的过程正是通过电流做功实现的,所以有多少电能转化为其他形式的能量,我们就说电流做了多少功,电流所做的功叫做电功.

图1

(2) 实验情境再现.展示已连接好的电动机电路(电路如图1).

① 电流在一定时间通过电动机做功多少可以通过什么现象反映出来?

② 如果要使电流做更多的功,你有哪些方法?

创设情境的功能不仅仅在于引起学生好奇心,还应该是有助于学生从情境中提出问题,并就此展开思考.[1]本实验情境的设置和问题的提出都是基于学生的电学基础,有效的情境和问题引领降低了学生的认知负荷,避免了科学探究中的盲目猜想.学生提出电流做功的多少可以通过电动机转速反映,要使电流做更多的功,可以增加工作的时间,或者同样时间采用增大电流或者提高电压的方法来增加电动机转速.在学生回答的基础上,教师进行化归引领:在力学功的理解中,通过力和物体在力的方向上移动距离的大小反映功的大小,在这个实验中,能不能更直观地看到电流做功的变化呢?这时学生就可以提出可以通过电动机来提升物体来反映电流做功的大小.这样一种化归思想的运用,背后的隐形知识指向了做功的本质问题,为以后学习电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功的理解做好了铺垫.[2]

分析:科学猜想是科学探究中的一项重要步骤,是利用已有经验,在实际观察或理论推理基础上对事物的变化趋势进行预测的结果,所以本实验为科学的猜想提供了有效依据,同时为影响电功大小因素的实验探究做好了准备.从另一个角度看,电功这个概念是抽象的,基于初中生的认知水平,电流通过电动机提升物体来反映电功的大小起到了从机械功到电功的认知桥梁的作用.在此基础上再拓展到电能与其他形式的能的转化,当学生猜测并验证电动机消耗电能多少跟什么因素有关之后,教师及时引导他们深入思考这样的猜想对另外类型的用电器是否适用.学生将经历一种由此及彼的类比思维过程.类比是由特殊到特殊或者由一般到一般的推理,是根据两个(或两类)对象之间在某些方面的相同或相似,推出它们在其他方面也可能相同或相似的推理方法.[3]这个过程可以有效促进学生深刻全面地从能量转化的角度理解电功概念.

(3) 利用控制变量的思想,要具体探究电功与电压、电功与电流的关系,在现有电路的基础之上,可以将电路怎样进行改进?怎样连接电路控制变量?电流做功多少可通过什么现象反映?(提示:可增加用电器和电学仪表)

图2

图3

在前面电路图的基础上进行电路的设计改进,设计目的明确.学生非常好地应用了控制变量的思想进行了串联电动机控制电流相同来探究电功与电压的关系(图4)；并联电动机控制电压相等探究电功与电流的关系(图5).科学的、多层次的引领将学生思维逐渐引向深入,调动了学生探究的主观能动性,从器材的添加、变量的控制到实验现象的预设等等都为影响电功大小因素的实验探究打下了良好的基础,通过实践验证,取得了非常好的实验效果.

图4

图5

分析:关于影响电功大小的探究实验一般采用两种方式,一是通过一个电动机提升物体,合并增大电压同时增大电流的方式进行同步研究.但是因为影响电功大小的因素是多个物理量(3个以上),按研究物理规律的一般方法选用控制变量法,该实验研究中,物理方法没得到充分体现.虽然该实验具有特殊性,电压和电流的变大或变小具有同步性,可看作一个参量去控制,[4]但是基于初中学生的认知和理解,控制变量逐个探究更为合理.二是通过规格不同的灯泡发光比较亮度的方式进行探究,这个实验主要弊端是灯泡的亮度区别不大的时候区分比较困难,另外用灯泡的亮度反映电功的大小,极易使学生产生电功影响灯泡亮度的观点,对以后实际电功率决定灯泡亮度的学习产生负面的前认知风险.所以本探究引领学生对实验进行改进设计，较好地规避了常见的电功影响因素的探究实验的弊端.[5]

4 科技改变生活,开放思维应用迁移

(1) 在电池容量一定的情况下,如果要想缩短充电时间,实现快速充电,你有哪些方法?

(2) 用电热水壶烧开一壶水,会消耗多少电能?请想出尽可能多的测量方案.

依托手机电池快速充电为问题情境,贴近学生生活,又容易引发学生的探究兴趣.课堂实践发现,学生思维由电功的公式进行发散,提出可以增大电流、提高电压或者同时增大电流和电压的方法.此时教师介绍实际手机快充技术也正是基于这样的3种方式来进行研发,学生顿时感受到了强烈的自我设计的成就感.电热水壶烧水消耗多少电能的问题解决更加凸显了物理学习的生活应用,同时综合了本节课电能表电功的相关知识,学生站在不同角度进行了测量方案的设计,例如利用电能表的示数之差,脉冲指示灯闪烁的次数,测量出实际电压U、实际电流I和工作时间t,运用W=UIt进行计算等等不同的方案.在肯定学生的方案的基础上教师介绍计量插座,可实时显示电压、电流、工作时间支持学生测量的方案的实际价值,同时指出计量插座也可直接计量消耗电能的多少,整个拓展应用的环节充满了探究、质疑、创新的气息.

分析:拓展应用的环节,摒弃了过去简单的习题运算的方式,让知识应用紧跟时代发展,与学生的生活紧密联系,关注知识的来龙更关注知识的去脉,应用设计注重了学习积极性的激发,注重了对实践和创新意识的培养,注重了科学思维习惯的形成,从而保持了学生对物理学习持续的兴趣和提升学生研究解决问题的能力.

所有学习的发生必然来源于学生的生活经验,通过创设符合教学内容要求的真实情境和提炼新旧知识之间联系的思维主线,启发诱导学生主动去发现探索,在这个源于生活经验的思维主线的学习过程中,可有效增强学生的实践意识,养成良好的思维习惯,提升探究能力,激发和保持学习兴趣.教师的任务就是找到学生的学习原点,基于生活经验唤醒学习欲望,创设真实的情境,提出适当的问题,引领学生沿思维主线学习,帮助学生建构当前所学知识的意义.整个学习过程中,唤醒是学习兴趣线,矫正是学习修补线,而建构则是学习的增效线.