三维学习和SOI模型相结合的教学框架探索

严云峰 王长江 刘艺菲

摘 要：物理观念是核心素养的重要组成部分，但一些教师将物理概念和规律的教学等同于物理观念的培养，这就窄化了物理观念的内涵.为了消除误区，文章结合“三维学习”和“SOI模型”，形成以“体验、思辨、表达”为目标导向，以“选择、组织、整合”为教学过程的教学框架，并以“大气压强”为例进行教学设计，以期使学生形成正确的物理观念，发展他们的逻辑推理、概念思辨、应用与表达等能力，培养学生的核心素养.

关键词：SOI模式;体验;思辨;表达

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0021-04

基金项目：安徽师范大学博士启动金项目“中学物理思维型课堂教学模式研究”（项目编号：217XJJ27）;安庆市2020年度教育科学规划课题“基于核心素养的高中物理翻转课堂教学策略研究”（项目编号：AJKT2020-029）.

作者简介：严云峰（1997- ），男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学研究;

刘艺菲（1988- ），女，陕西咸阳人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理教学研究、科学教学研究.

通讯作者：王长江（1972- ），男，宁夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：物理教育、教师教育研究.

1 问题提出

物理学科的核心是思维，物理教学最重要的功能和目的是培养学生的思维能力，如何在日常教学使学生明晰知识，深入了解现象背后的机理并能够表达和应用是一线教师一直在思考的问题.

在对学生进行教学时教师往往存在两个误区：一是用现象背后的规律、原理来代表整个知识，这导致学生在尚未明晰物理现象的情况下就开始学习深层次的理论，显然不利于学生系统地学习知识，就更不用说后面的内化与应用了;二是知识的教学仅仅局限于知识本身，认为懂得了知识就是学会了知识，殊不知课程目标的重要一点就是知识的应用与表达.这两个误区都是因为教师没有透彻领悟物理核心素养导致的.

对于我们在教学和研究中发现的问题，提出了基于三维学习和SOI模式的教学方式.以SOI模式为教学设计的内容基础，以“体验、思辨、表达”的三维学习为目标导向，可以规避教学产生的误区，使课程安排更加合理.

2 三维学习和SOI模式相结合的教学方式

2.1 三维学习

三维学习以建构主义理论为指导思想，基于物理学科特点、发展物理核心素养的目标要求，张咏梅工作室丰实了其内涵，明晰了三者关系[1].三维学习强调“体验”“思辨”与“表达”.体验是基础，它基于现象的观察与感知，决定意识的产生;思辨是整个学习过程的核心，它导致知识的整合与内化，决定知识的形成;表达是呈现形式，是测试手段也是学习目的，它将体验和思辨显性化[2].三者相互支撑，互为补充.

2.2 SOI模式

SOI模式是由理查德·E·梅耶最先提出，他认为，教学信息是旨在促进学习的信息[3].有意义学习必须满足三个重要的条件，即选择信息、组织信息、整合信息.与三维学习相同，SOI模式也是以建构主义理论为指导思想.

如图1所示，有意义学习的SOI理论的内涵是： 学生在学习时主动进行认知加工，首先从呈现的文本中选择相关的语词，从呈现的插图中选择相关的图像，将所选择的图像组织为一个连贯的图像模型，将图像模型和言语模型同先前的知识整合起来，就完成了有意义学习的过程[3]. S指的是选择（Selecting），O指的是组织（Organizing），I指的是整合（Integrating）.

2.3 整合三维学习和SOI模式的教学框架

三维学习是一种目标追求，它希望将核心素养的培养目标合理安排在教学的各个环节而不失偏颇.但是，课程目标需要立足于课程实际，立足于课程结构的安排和设置.只有将三维学习和 SOI模式相结合，才能达到最好的效果.整合三维学习和SOI模式的教学方式，如图2所示.

物理觀念的教学讲求从“现象”入手，探究“原理”并在生活中能够“应用”，三维学习强调学习的目的是“体验”“思辨”“表达”.这六个维度是内容与形式的关系：“体验”物理现象，“思辨”概念和规律，“表达”物理知识的应用.SOI模式主张学习过程要包括“选择”“组织”“整合”，这是学习的过程，在当中起到了桥梁和粘合剂的作用.这样的教学方式不仅不会出现只注重对于物理概念和规律教学的情况，而且教师为了追求学生的体验感和表达欲，会引入丰富的教学材料和问题案例，使得教学结构更加完整，内容更加充实，更加利于学生核心素养的培养.

在教学环节中，先用实验、故事乃至多媒体演示吸引学生的学习兴趣，让学生沉浸在“体验”状态，充分刺激他们的耳朵和眼睛，让他们形成感觉记忆.学生会从接收到的信息中选择一部分进入大脑汇总成语言和图像、形成前工作记忆，经过大脑的“思辨”，学生在大脑中建构模型，工作记忆正式形成.接下来，原本的长时记忆会顺应、同化学生脑海中形成的工作记忆，整合成为新的认知，新的认知成为长时记忆并在脑海中固着下来，学生能够将其进行“表达”.至此，整个学习过程结束.

如图3的概念框架图所示，在这个流程中，“选择”过程对应的是“体验”行为;“组织”过程对应的是“思辨”行为;“整合”与“表达”相互映证，表达是整合的表现形式.表1是三维学习和SOI模式相结合的教学思路框架.

3 基于三维学习和SOI模式的教学案例设计

3.1 选择信息，建立联系，亲身体验

教师活动：同学们经常会观看音乐喷泉的表演，可大家在教室里见过喷泉表演吗，今天老师就让大家在教室里现场观看喷泉表演.老师手里有一个“魔杯”，现在导管没有水涌出，但是如果老师倒进去一小杯水会怎样呢？

体验一：引入 “魔杯”魔术.利用虹吸原理制造的“魔杯”，装置示意图（如图4所示）如下：阴影部分为黑色不透明塑料纸，将装置包裹住，使其为一个黑箱.先在杯子中加入水至虚线位置，塑料导管不出水.加入一小杯水漫过导管顶管，水就会源源不断流出.学生思考，为什么之前没有水流下来，仅仅倒入一小杯水后，就会有水源源不断流出来呢？

行为体验：观察、体验“魔杯”的运作过程，必要时可以安排学生动手操作.

内心体验：（1）体会到魔术的神奇，对现象感到疑惑，激起学习本节新课的兴趣.（2）这样的现象用物理学知识可不可以解释呢？欲扬先抑，在了解原理后更会感觉到科学的伟大与精妙绝伦.

教师活动：为什么之前水没有流下来？难道是有一只无形的手堵住了小孔？我们看这个装置处于空气中，是不是空气充当了这只无形的手呢？在前面的学习中，我们已经知道了液体对浸入其内部的物体有压强作用.我们所处的大气是不是类似于一片汪洋，也会对浸入其中的物体有压强的作用呢？

体验二：实验证明大气压的存在.由于人们长期生活在大气层中，对于它的压强早就司空见惯，难以察觉.我们利用饮料瓶来感知大气压强的存在，往空的饮料瓶内倒一点开水，用力摇晃，再把水倒出来.迅速密封瓶盖，我们可以观察到饮料瓶逐渐变瘪.

行为体验：观察体验饮料瓶逐渐变瘪的过程，明显看到空气中有一个力使饮料瓶发生形变.

内心体验：感觉到了物理与生活的联系之深，大气压强真的存在，而且就在我们身处的环境之中，说明我们学习的物理知识对于生活是有意义的.

体验三：播放“马德堡半球实验”的相关纪录片.1654年，马德堡市长格里克进行了一项科学实验，格里克把两个空心的半球贴在一起，抽出球内空气，然后用两队马向相反方向拉，两队马费了九牛二虎之力终于把它拉开了.

行为体验：观看视频和图片，观察、体验空气带来的力是非常巨大的.

内心体验：（1）体会到空气的压力生活中无处不在，而且力量无穷.（2）让学生经历科学探究的过程，极大地调动了学生的探索欲和求知欲.

选择—体验环节设计说明：先利用“魔杯”实验吸引学生的兴趣，对于物理现象的产生感到疑惑，获得探究物理规律的欲望.通过体验饮料瓶被空气压瘪的现象，学生明晰了大气和液体一样，对于沉浸其中的物体有压力作用.但压力究竟有多大，学生此时并不知道.马德堡半球实验的介绍让学生感受到要想拉开半球需要很大的拉力，知道大气压强是非常大的，为下一环节深入探究大气压强做准备.

3.2 组织信息，建立模型，理论思辨

教师活动：模拟马德堡半球.将两个吸盘合到一起，挤压出吸盘内部空气后用力拉吸盘，提出问题.

思辨一：（1）你觉得用多大力拉吸盘能拉开，真实操作之后和你想的一样吗？（2）是什么力将两个吸盘紧紧压在一起的？（3）如果在吸盘上扎一个小孔，它们还能吸在一起吗？

批判质疑：（1）对马德堡半球实验建立模型进行模拟，通过实验证明现象确实会如视频所示.（2）“事实思辨+认知思辨”：拉不开或很难拉开吸盘的原因，对于一开始的固有想法产生质疑，形成压强的概念.（3）皮碗上有小孔会导致皮碗内外压强一致，无法吸在一起，对于压强的概念有进一步的明确.

证据推理：（1）感受大气压强的存在，吸盘周围只有空气，所以是空气对它们施加了力.（2）亲身行动，需要很强的力才能将两个吸在一起的物体拉开，说明马德堡半球是有充分科学依据的.

教师活动：总结大气压强的概念.大气朝各个方向都有压强，空气对浸在里面的物体产生的压强作用叫大气压强.我们通过马德堡半球实验感受到了大气压的威力，但是大气压强看不见摸不着，如何才能测出它的大小呢？放置三组长度不同的玻璃管，注满水，将管口倒置放入水中，大家观察杯中的水柱，装置如图5所示.

思辨二：（1）为什么水柱没有下落？（2）为什么即使增高了玻璃管高度，水柱还是没有下落，难道是玻璃管有多长，水柱就有多高？（3）水柱对底面的压力和大气压的关系如何？

批判质疑：（1）“事实思辨+认知思辨”：之所以水柱没有下落，是因为空气对于液面有压力.（2）思考如何才能测量大气压强[4].

证据推理：水柱对底面的压力和大气对液面的压力是相等的.

教師活动：理论推导水柱对底面的压力和大气对液面的压力相等.示意图如图6所示，取同一深度的A面和B面，则A、B两面压强相等.A面压强pA=ρ液g（h1+h2）;B面压强pB=p气+ρ液gh2.由于pA=pB，ρ液gh1+ρ液gh2=p气+ρ液gh2，所以p气=ρ液gh1.得大气压强等于其所支持高度h1对应的液体压强的数值.但是即使我们知道大气压强可以用液体高度测出来，前面的现象我们发现以水为测量液体时水面高度太高无法测量，那我们怎样测量大气的压强呢？

学生小组讨论后回答：可以选用密度更高的液体来进行实验.

组织—思辨环节设计说明：通过模型模拟马德堡半球实验，让学生不仅仅局限于视觉和听觉体验，通过模拟加深学生对于大气压强的认识.基于批判质疑，明确了大气压强的概念定义.通过实验观察和理论推导，发现水柱对底面的压力和大气对液面的压力是相等的.基于证据推理，得到了测量大气压强大小的方法.学生经过思辨和讨论，发现可以采用密度更高的液体测压强的方式规避水面高度过高的问题，自然过渡到托里拆利实验.

3.3 整合知识，联系实际，积极表达

教师通过录像展示托里拆利实验的过程，以提问的形式，检查学生自学结果.

表达一：（1）玻璃管倾斜，水银柱怎样变化并说出原因.（2）在该实验中为何使用水银？

语言表达：（1）不管玻璃管如何变化，水银柱高度不变的原因.（2）实验中使用水银的原因.

教师活动：讲解托里拆利的实验过程与原理.示意图如图7所示，已知水银密度为13.6×103kg/m3，托里拆利测得管内外水银面的高度差为760mm.根据计算得到大气压强p0=ρgh=13.6×103kg/m3×9.8N/kg×0.76m=1.013×105Pa.

表达二：阅读书上材料，回答：（1）生活中怎样测量大气压强？（2）为什么不使用水银气压计？（3）简单介绍金属盒气压计.（4）实际测量大气压强后，你在1楼测得的压强和在30楼相等吗？你得出了什么结论？

语言表达：（1）不同氣压计的工作原理及其内部结构.（2）大气压强不是固定不变的，会随高度的变化而改变.

操作表达：如何使用气压计.

表达三：通过本节课的学习，哪位同学能试着解释课前那美丽的喷泉是怎么形成的？

语言表达：解释喷泉形成的原因，和本节的知识有什么样的联系.

操作表达：揭秘魔术的原理，学生操作，亲身实践.运用知识形成的过程加深同学们对本节知识的理解.

整合—表达环节设计说明：在教学中，整合—表达环节是离学生生活最近的教学环节，它直接反映了整节课的教学质量和学生接受新知的程度.在这个环节中，学生基于前面的理论推导，结合托里拆利实验的实验数据，求得了大气压强，明晰了大气压强的大小.通过对气压计的学习，懂得了气压是如何与我们的生产生活相联系的，在生活中能够读懂、会用气压计.通过实际操作，还发现大气压强会随着高度的增加而减小，它反映了随着所处地理位置不同，大气压强并不是一成不变的，这对于日常生活有着极大的启示与帮助.最后，鼓励学生运用本节课所学知识解释课程开始时的魔术，首尾呼应，也为课程增加了更多的趣味性.

4 小结

针对目前课堂教学中存在的误区，基于三维学习和SOI模型的相关理论，提出了将二者相结合的教学框架，并且给出了教学案例设计.通过研究不仅可以加强物理教育工作者对于物理现象和表达与应用的重视，而且可以依据三维学习使得课程目标更加全面，SOI模式可以使课程内容更加合理，设计出内容明晰、主题明确、过程明显的教学设计，以利于课程安排更加符合培养学生物理学科核心素养的要求[5].

参考文献：

[1]李卫军.教学意义的不断追问——“体验、思辨、表达”三维学习在“功”教学中的应用案例[J].中学物理，2019，37（24）：48-49.

[2]张咏梅，李卫军.“体验、思辨、表达”三维学习突破学习难点——以“凸透镜的焦距随其厚度改变而改变”为例[J].基础教育论坛，2020（03）：55-57.

[3]理查德·E·迈耶.多媒体学习[M].北京：商务印书馆，2006.

[4]郑宇晴，朱灵坤，张轶炳.基于BOPPPS教学模式的“大气压强”教学设计[J].物理教师，2019，40（01）：7-11.

[5]梁健.初中物理教学模式和教学方法的创新策略研究[J].天天爱科学，2020（09）：53-54.

（收稿日期：2021-05-20）