让创新实验成为深度学习的“助推器”——以观摩一节省评优课“内能 热传递”教学为例

方友浩 胡世龙 汤玉敏

(1. 连云港市新海实验中学,江苏 连云港 222000; 2. 连云港市柘汪中学,江苏 连云港 222113;3. 镇江市宜城中学,江苏 镇江 212000)

1 物理教学中的深度学习意义

物理学是一门自然科学,其内容涵盖了大量的物理概念和物理规律,对于抽象逻辑思维刚开始由经验型水平向理论型水平转化的初中生,若只采用传统的注入式教学方式,会使他们感到学习枯燥无味,影响对物理概念、物理规律的深层次理解,因此,探索新的教学方法,科学运用符合学生心理特征和认知规律的教学策略,通过进阶式创新实验教学,引导学生进行深度学习,助推学生提升学科核心素养,是有益的尝试.

深度学习是一种基于理解的学习,是指学习者以高阶思维发展和实际问题的解决为目标,以整合的知识为内容,积极主动且批判性地学习新知识,并将它们融入原有的认知结构中,能将已有的知识迁移到新的情境中的一种学习.[1]引导学生学会深度学习,从真实的、复杂的探究情境,运用已有的科学的或日常的知识与经验,通过常规思维与非常规思维、自主探究与交流合作,对观测或调查的感知信息与数据进行深加工、精加工和多维加工,实现科学知识、科学规律的自主建构,从而探索科学规律、掌握科学知识和领会科学方法与范式,对于物理教学具有重要意义．[2]

2 发掘教材资源,设计学生深度学习的进阶式创新实验

物理教材是物理知识的重要载体,也是教师进行教学设计的主要文本资源.每一次精彩的课堂展示,都离不开对课标的精准把握和对教材深度研究．要想建立清晰的物理概念,厘清各个知识点之间的内在联系,需要选择合适教学方法对物理知识进行科学建构.在2018年11月江苏省优课评比活动中,汤玉敏老师执教了“12.2 内能 热传递”示范课,通过设计7个进阶式创新实验,并设置了一系列问题链条,从内能概念、内能大小影响因素、用热传递方式改变物体的内能等3个方面导引学生进行深度学习,解决了本节课教学重点和难点的内能、热量两个物理概念的建构水到渠成地达成了教学目标.具体教学流程设计如图1所示.

3 实现学生深度学习的进阶式创新实验案例

在汤玉敏老师的示范课中,创新实验活动贯穿了整节课堂教学每一个环节,使学生在充满灵动、活跃的氛围中轻松愉快的完成学习任务.现以这节课的教学设计为例,探讨如何借助创新实验活动促进学生深度学习的基本方法.

3.1 通过“魔术”实验,导入物理情境

认知心理学认为:人的学习动机可以分为外在的学习动机和内在的学习动机两种形式,而内部学习动机是进行深度学习的“动力源泉”.只有当学生的内在动机被充分调动起来,才能发生有意义的学习,学生才能主动进行建构知识、丰富及改变认知结构.[3]然而,在面对教材中抽象逻辑思维要求较高的知识内容,创新实验便是克难解惑最佳的选择,它为学生搭建思维阶梯,实现真正意义上的学习进阶.为了顺利导入新课并点燃学生探究新知的欲望,汤老师像魔术师一样快速搓手十余次,并将手掌紧贴热能发电模型的发电面板上,当学生观察到发光二极管亮起来时,他们的学习兴趣立刻被激发起来,这时候汤老师适时地抛出了符合学生认知层次的两个问题,“通过搓手方式可以产生什么能量?”、“二极管发光的原因是什么?产生的光能是由什么能转化而来的?”,为下一步的新课教学做好铺垫.

图1 “内能 热传递”教学流程图

图2 热能发电板模型

3.2 通过“阶梯”实验,构建物理概念

任何事情的发生、发展都存在必然的关联,人们对事物的认知思维同样存在着逻辑性.在进行物理概念教学时,教师为学生搭建认知思维阶梯尤为重要.教师除了采用问题链条导引之外,创新实验活动则是智慧型物理教师首选的教学策略之一,因为它不仅能激发学生的探究欲望,更能让学生在思维高度交流过程中完成抽象知识的自我建构,实现深度学习的最终目的.

3.2.1 利用创新实验,导引探究方向

图3 自制“斯特林发动机”

科学探究学习方式是提高学生科学素养的一种有效的途径,猜想与假设是实施科学探究重要要素之一,直接决定了科学探究活动的开展是否具有实际意义.因此,科学猜想需要做到猜想有依、假设有据.在教学中,汤老师利用自制的“斯特林发动机”,让酒精燃烧所释放能量使发动机“飞轮”运转,引导学生直观的观察到发动机工作时的“动力源泉”,进而分析推测影响“飞轮”转速大小的因素,为内能概念的建构提供了事实依据.

3.2.2 优化实验方案,体现探究魅力

图4 扩散现象演示装置

物理概念的建构,离不开证据的支撑,而实验现象便是最直观的、最有说服力的证据.在充分研究教材实验资源的基础上,依据学生的认知特点和心理特征进行创造性的“二次开发”,为物理知识的有效建构搭建脚手架,降低学生对抽象概念内化的思维难度,实现教学目标的顺利达成.在教学中,汤老师对教材实验装置和方案进行了创新设计,直观显示不同温度下红墨水扩散的快慢,如图4所示．实验时,汤老师没有按照教材实验方案直接告知哪杯是冷水、哪杯是热水,而是先引导学生结合所观察红墨水的扩散现象进行猜想与假设,再指导学生通过感触玻璃管外壁的冷热程度判断自己的猜想是否正确,从而分析归纳出物体内能大小与温度的关系．因此,对教材中的实验适当创新设计,将验证性实验巧妙转变成探究性活动,更符合学生的知识经验和认知规律,有利于学生对物理概念的科学建构.

3.2.3 利用自制教具,浅显深奥道理

图5 分子相互作用力模型

我国物理教育界泰斗朱正元先生曾经说过：“千言万语说不清,实验一做就分明.”可见,物理实验在教学中发挥着重要的作用.为了帮助学生理解分子势能概念的内涵,汤老师利用了图5所示的自制分子作用力模型．她将两个空壳金属球比作两个分子,金属球之间弹簧伸长时对两球拉力比作分子间吸引力,弹簧压缩时对两球排斥力比作分子间的排斥力,巧妙的利用类比法帮助学生建立表象,降低了学生在理解分子势能概念的思维难度,这也充分展示了创新实验在知识建构中的特殊功能.

3.3 通过可视化实验,深化物理内涵

物理概念是物理现象及过程的高度抽象和概括,是物理知识体系的基石,但同时也是逻辑思维处于初级阶段初中生学习物理的最大障碍,而知识可视化是一种视觉化的表征方式,可以使抽象知识转化为具体的、可视的物理模型,这也与深度学习中的精加工理论高度契合.选择合适的可视化视觉表征工具,对初中物理概念教学方式加以改善,有利于促进学生深度学习. 在“12.2 内能 热传递”教学时,热传递和热量两个概念既是教学的重点,也是教学的难点.若只是浅显的据本施教,只能让学生浅层的了解热传递发生条件.这样的课堂教学,尽管也有着明晰的教学过程,但很难激发学生高阶思维的开展,学生只是在教师设计好的流程中,完成识记与浅层理解的低阶思维活动,[4]不能属于真正意义上深度学习活动.

为了帮助学生更好地理解热传递发生的条件,汤老师巧妙地设计了“加热铜棒”实验、“观察水的沸腾现象”实验,使抽象的物理概念“可视化”,实现深层次的理解式教学,完成深度学习活动．

3.3.1 “热传递发生条件”可视化实验创新设计

图6 热传递原理演示装置

为了帮助学生更好地理解热传递发生的条件是因为物体之间存在着温度差异,汤老师巧妙地设计了“加热铜棒”实验,如图6所示.实验前,先将铜棒两端分别固定在两个铁架台上,并在铜棒的不同位置用蜡烛油固定四支棉签,用与电脑连接的两支温度传感器置于铜棒不同位置．实验时,用酒精灯加热铜棒距棉签较远的一端,指导学生通过观察温度传感器的示数比较两个不同位置的温度高低,进而通过观察棉签倒落的先后次序判断热传递的方向．实验巧妙地将较为抽象的物理概念通过创新实验实现可视化,让学生深度学习真实发生,符合学生的知识经验和认知特点,能够帮助学生深层次的理解热传递发生条件及实质,实现了教学目标的顺利达成．

3.3.2 “热传递终止条件”可视化实验创新设计

图7 观察水的沸腾现象

对于热传递终止条件的教学,大多数老师采用直接告知的方式生硬地强加给学生,不符合学生对科学知识建构的认知规律．为了解决这一难点,汤老师对“观察水的沸腾现象”实验装置进行了改进,利用温度传感器替代常规温度计、用电热水器替代酒精灯作为热源,实验装置如图7所示．加热一段时间后,学生便会观察到玻璃水壶水沸腾了,但试管中水却始终没有沸腾,而此时试管内外水温相同且都达到了水的沸点,再引导学生结合水沸腾的条件加以分析,这样很容易帮助学生破解试管内的水不会沸腾的疑惑,实现了对物理知识的深度进阶.

4 结语

综上所述,合理借助创新实验开展物理教学活动是促进学生深度学习的重要方法,尤其是面对高度抽象的物理概念、物理规律教学时,更能彰显出创新实验的独特魅力.作为一名物理学科教师,我们更应该具备较强的实验创新意识和能力,利用创新实验不断增进物理教学,引导学生进行深度学习,助推学生提升学科核心素养.