基于CPS模型的物理翻转课堂教学实践①——以“法拉第电磁感应定律”教学为例

刘江艺 李贵安 陈虹尹 余 洋

(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

1 引言

创造性问题解决模型(Creative Problem Solving,缩写为CPS)由美国的帕恩斯提出,经过多次修改完善,现阶段使用最广泛的为“四成分八阶段”模型,通过理解挑战(Understanding the Challenge)、生成想法(Generating Ideas)、准备行动(Preparing for Action)、规划方法(Planning Your Approach)四个成分聚焦“创造性问题解决”,交替使用发散思维和聚敛思维,在不断探索的过程中产生问题最优解。[1]

将CPS模型与中学物理教学相结合,可有效培育与提升学生的创新能力。但将CPS模型直接搬入传统课堂仍存在诸多问题,如传统课堂教学内容集中在课中阶段呈现,难以提供充足时间让学生的思维自由发散,从而大大限制了学生创造力的发挥,且由于传统教学的限制,学生获得信息的途径较少,使CPS模型中“头脑风暴”的实施效果大打折扣。CPS模型的运用需要教师有较高的课堂应变能力,若给予学生的反馈不及时、不恰当,则会极大降低课堂效率。翻转课堂作为“课堂革命”浪潮中兴起的一种基于新理念的教学模式,[2]打破了传统课堂的时间和空间限制,将CPS模型融入翻转课堂,有效解决了CPS模型与传统课堂结合存在的弊端。学生可在课前通过网络学习、自主实验、实地考察等多种途径充分汲取知识,提出不同寻常的问题,建立超越“正确”答案的新想法,并带着具有创新性和独特性的思考成果进入课堂,教师则作为学生的“引路人”,根据学生的课前反馈设定目标和问题,为学生提供发挥创造力的课堂环境。

笔者以“法拉第电磁感应定律”教学为例,将CPS模型与翻转课堂理念相结合,探索基于CPS模型的翻转课堂教学模式。

2 基于CPS模型的翻转课堂教学模式

基于CPS模型的翻转课堂教学流程如图1所示,各教学阶段的具体内容如表1所示。该教学模式将CPS模型中“理解挑战”和“生成想法”两个成分放在课前进行,学生课前产生创新想法后,进一步在课中“准备行动”,提出解决方法并实施,“规划方法”则在课后进行,对课前和课中的学习内容进行反思、总结,优化提升CPS模型,从而将正式学习与非正式学习深度相融合。

表1

图1

该模式在教学实践过程中并不是线性的,而是动态、灵活、开放、可调节的,可根据实际情况及时调整,问题解决者可以随时提出新的想法,回到“生成想法”和“理解挑战”的步骤当中。每个成分既相互独立又相互联系,教师在实际教学过程中,可随时优化改进。[3]该模式具有较强的适应性,运用得当可使教学过程焕发出勃勃生机。

3 “法拉第电磁感应定律”的教学案例分析

3.1 课前:理解挑战,生成想法

3.1.1 寻找时机

教师利用网络教学平台提供课前学习资源:(1) 电磁炉使未接电源的LED灯发光的实验视频;(2) 手机无线充电设备的图片及视频;(3) “发光地板装置”的演示视频。[4]

学生观看视频及图片后提出问题:(1) 为什么LED灯未接电源却可以持续发光?(2) 为什么手机不用充电线也能充电?(3) 为什么人在“发光地板装置”上跳动时灯泡能发光?(4) 以上三种情境中的电能是怎样产生的?……

3.1.2 搜集资料

学生根据问题通过网络搜集资料,观察家里的电磁炉和无线充电装置。教师提示、引导学生回忆楞次定律和电源电动势的定义,将电磁炉和手机无线充电设备的内部结构作为切入点获取相关信息,猜想“发光地板”的构造。

3.1.3 生成问题

学生通过搜集资料、复习楞次定律和电源电动势等活动,发现上述三个情境中的共同之处:电路中有持续且稳定的电流。联想电动势的相关知识,判断电路中都有电动势的产生。由此,生成关键问题并发布在互动平台上:(1) 该电动势的大小与什么因素有关?(2) 磁通量的变化会影响该电动势的大小吗?(3) 如何测量该电动势的大小?……

每个学生的问题不同,但本质上应与电动势相关,教师要密切关注互动平台,及时为学生提供帮助。最后,教师在互动平台上点明该电动势为感应电动势,并确定最终问题:决定感应电动势大小的因素有哪些?如何通过实验验证?

3.1.4 提出猜想和实验验证方案

学生猜想影响感应电动势大小的因素如下:(1) 磁感应强度B;(2) 磁体运动的速度v;(3) 线圈的横截面积S;(4) 穿过线圈横截面的磁通量Φ;(5) 线圈匝数n;(6) 磁体通过线圈的时间Δt……

学生思考验证猜想的实验方案,将想法发布在互动平台上。

评析:课前自主学习是翻转课堂的核心,学生需要先分析三个情境中隐含的信息。在此过程中教师不能过早介入,要留给学生充足的自主探索时间,为其提供思考方向,关注学生认知发展的连续性和阶段性。学生在形成猜想时,剖析、去除非本质的因素,如“发光地板”是否由于跳动产生的声音而发光等,进而提取关键信息,思维在发散后聚敛,在此基础上提出猜想和实验验证方案。

3.2 课中:准备行动

3.2.1 寻求方法

师生共同揭秘“发光地板装置”的构造及原理,利用磁体、螺线管和检流计模拟发光过程(图2),进行演示实验,让学生更直观地通过电流变化感知感应电动势的变化。引导学生在课前猜想的基础上,将磁感应强度B、线圈的横截面积S两个因素合并,归纳总结出感应电动势的影响因素为:线圈匝数n、穿过线圈横截面的磁通量的变化量ΔΦ、磁体通过线圈的时间Δt。

图2

小组讨论如何探究感应电动势与n、ΔΦ、Δt之间的关系,分享课前准备的实验方案,每位成员发表想法,通过“头脑风暴”产生最佳实验方案。准备实验器材,组内分工合作,验证实验方案的可行性,准备课堂展示。

3.2.2 展示与评价

小组汇报并展示。

(1) 定性探究

将磁体以不同的速度插入和拔出螺线管(图3),速度越快,回路中的电流、电动势越大。据此得出结论:感应电动势E与Δt成反比。将不同数量的磁体叠加在一起穿过螺线管,发现磁性越强,即磁通量的变化量越大,回路中的电流、电动势越大。据此得出结论:感应电动势E与ΔΦ成正比。增加螺线管线圈匝数,将磁体穿过螺线管,发现匝数越多,回路中的电流越大,线圈产生的电动势越大。据此得出结论:感应电动势E与n成正比。

图3

(2) 定量探究

图4

每组的展示结束后,教师引导其他组同学从实验器具、实验过程、实验结果、实验误差等方面进行评价,提出质疑,展开答辩,在思维的碰撞与交锋中获得新认识。

教师总结法拉第电磁感应定律的内容和表达式,帮助学生梳理实验过程,构建知识网络。利用PPT展示法拉第电磁感应定律在现代生活中的广泛应用,如发电机、汽车车速表、电磁感应式震动报警器等,介绍我国的磁悬浮列车曾创下最高运营时速、最低运营温度等世界纪录,彰显我国的科技实力。

评析:“头脑风暴”是CPS模型的重要步骤,学生在小组讨论中生成不同实验方案,定性探究与定量探究结合,由感性认知到定性判断,符合学生的认知规律。在教学中有机融入课程思政元素,有利于提高学生的民族自豪感和自信心,实现中学物理课程的育人功能。

3.3 课后:规划方法

3.3.1 评估课题

教师布置课后任务:了解磁生电的科学猜想和历史背景,了解法拉第的科学研究方法、生平事迹和科学成就,学习法拉第坚持不懈的科学精神。学生查找资料,完成课后任务。

学生开展自我评估,教师评价学生的个体表现和小组表现,对于创造性思维能力和探究过程可从流畅性、灵活性、原创性、详尽性四个方面进行评价。

3.3.2 总结问题解决过程

学生回顾实验探究思路及创造性问题解决过程,反思发散和聚合思维的使用情况,绘制问题解决思路图(图5)。教师回顾各环节教学效果,优化教学设计,形成“闭环”教学。

图5

评析:学生通过自我评价,培养关于问题解决过程和创造技能的元认知能力,绘制思路图则可以使其有效审视问题解决过程,提高知识和方法的迁移能力。

4 结语

将“四成分八阶段”的CPS模型与翻转课堂的课前、课中和课后相结合,为学生提供了发挥自主学习和创新能力、发现和解决问题的平台。这种教学模式可与时俱进,借助信息技术和网络平台进行教学,大力推动信息化教学改革,为中学生创新能力的培养提供新的思路。