基于问题导向的深度学习教学设计——以学习“导体的电阻”为例

王贤勇 张 亮 熊 雪

(贵州省毕节市第一中学,贵州 毕节 551700)

1 问题导向学习和深度学习

问题导向学习(Problem-Based Learning,简称PBL)是以问题为导向的学习,Howard,Robyn Tamblyn指出:在PBL学习中,知识的获得源于对问题的认识和解决过程.[1]学习开始遇到问题,问题本身推动了解决问题和推理技能的应用,同时也激发学生查找信息,以学习关于此问题的知识和结构以及解决问题的方法.PBL要求学生对自己的学习负责,教师只是学习的引导者,随着学生学习深入,教师的干预作用减少.PBL教学法主要基于认知心理学和自主学习的原则.[2]传统教学与PBL教学的对比如表1所示.

表1 传统教学与PBL教学的对比

传统教学中,教师主要是授学生以鱼.结果一般是:教师讲得累,学生打瞌睡,离开教师后,方法又不会.PBL教学中,教师主要是授学生以渔.教师用智慧去激发学生的兴趣和思维,重在培养学生学习的主导性和自主性,让学生养成终身爱学习、会学习的良好习惯.

深度学习是指在理解的基础上,学习者能够批判地学习新思想和事实,并将它们融于原有的认知结构中,能够在众多的思想间进行联系,并能将已有的知识迁移到新的情境中,作出决策和解决问题的学习.深度学习深在思维过程、丰富的学习结果和充分的教学引导.[3]其能力简约框架如表2所示.[4]

表2 深度学习能力简约框架

从认知领域来说,要求学生能够掌握核心知识,并能迁移到其他情境,应用技术和工具发现和解决问题,能进行数据分析、统计推理、科学探究、创造性思维和创新性评价.

从人际领域来看,团队协作能力要求学生能够和他人合作完成任务,有共同的目标,能接受不同人的观点.有效沟通要求能口头表达、书面表述、提出建设性意见或建议、综合不同的观点、反复修改讨论结果,形成最佳方案或结论.

个人领域方面要求学生能自我监控和管理,能独立学习、自主学习,具有坚强的意志力,能持续地投入精力去学习,能寻找更好的学习方式来应对挑战性的问题.

可见,问题导向能够触发学生查找信息,引导学生思考、理解、实践、探究,从而解决问题.深度学习能根据学生的最近发展区,在理解的基础上把学生的思维导向深处,丰富学习结果.教学中,二者的有机融合不仅能提高学生学习的效率,更重要的是能培养学生的问题意识,激发学生学习的积极性,促进学生素养的提升.

2 PBL导向下深度学习的教学设计

在传统课堂中,教师一般都是根据教材内容和课标要求来确定教学目标.有经验的教师会把高考要求的目标和教材结合起来教学.在课堂教学上,教师激情四射,声情并茂.他们专注于自己所讲的内容,认为只要自己讲得正确、清晰、逻辑、完整、风趣、精彩、有深度即可达成目标.教师有时为了让课堂活跃起来,时不时地“点名”回答,或抛出一些简单的问题,只需要学生集体回答“正确”或“不正确”.这样的课堂学生思维停留在浅表,他们主要专注于听,往往是一听就会,一做就错.究其原因是教师教学不关注学生的学习过程,不了解学生的“需求”,没有激发学生深层次的思维活动,违背了学生的认知规律(最近发展区).学生虽然熟记了一些概念、规律,但由于没有设计感、没有亲自经历获取知识的过程,所以无法把这些概念和规律用来解决实际问题.基于此,需要重构课堂设计.笔者根据学生的最近发展区和布鲁姆学习目标(记忆、理解、应用、分析、综合和评价)的认知规律,尝试了一种PBL导向下深度学习的教学设计,流程如图1所示.

图1 PBL导向下深度学习的框架图

3 PBL导向下“导体的电阻”的深度学习

3.1 学习目标

通过多媒体、板书或导学案展示如表3所示的素养目标.

表3 “导体的电阻”核心素养目标

从认知(最近发展区)看,高中学生在初中已经学习了电流、电压、电阻这3个物理量,知道这3个量在纯电阻的条件下满足欧姆定律.电路中小灯泡的亮、暗能把其两端的电压和流过的电流表征出来.学生初中已经学习了串并联电路的初步知识,知道串联可等效为增大导体的长度,并联可等效为增大导体的横截面积;知道滑动变阻器接入电路可以控制某一电阻的电流和电压的变化范围,会用电流表、电压表接入电路测量电流和电压.同时经过高一上学期的学习,学生初步学会了利用图像处理数据的方法.

从人际和个人能力上分析,在人际领域,为了培养学生的有效沟通和团队合作能力,根据学生的成绩、兴趣、性别、胜任力进行异质分组,力求均衡.当然也可以让学生自行组队,挑选自己喜欢的合作伙伴.

3.2 课程开发

该环节要解决的是“教什么”的问题,即为了达到教学目标,笔者提供的教学内容是新人教版(2019年)物理必修第3册第11章第2节导体的电阻.

器材准备:笔记本电脑、功率不同的灯泡、滑动变阻器、装修用的导线、不同材料的电阻丝、两种阻值不同的定值电阻若干(合金)、钨丝电阻(8个左右,可以自制)、干电池(或学生电源)、自带接线夹的导线若干、开关、电烙铁、焊锡、酒精灯、带接线柱的木板等.

课前预习:开放物理实验室,学生到实验室预习前一定要强调安全问题.通过问题导向给学生布置任务,让学生提前预习“导体的电阻”这一节内容.

上课环境:电学实验室.

3.3 课堂教学

环节1:PBL导向,如何理解导体对电流的阻碍作用?通过预习,学生自主复习串并联的知识,回顾比值定义法的特点,在初中的基础上,采用比值定义法重新定义了电阻这个物理量.各小组选择实验器材:干电池(学生电源)、定值电阻(小电阻)、滑动变阻器、带接线夹的导线、开关,坐标纸,利用图2电路完成实验,学生设计图表4记录U、I数据.

图2 探究导体阻碍作用电路图

表4 定值电阻的电压与电流关系

根据实验数据,学生在坐标纸上或利用笔记本电脑Excel软件分别作出两个定值电阻的U-I图像,如图3所示.根据作出的U-I图像,学生分析、评估、交流.得出电压U1相同,电流IA

图3 定值电阻的伏安特性曲线

设计评价:根据问题导向(PBL)和学生在初中具备的电学知识,培养学生动手能力、设计感、读数能力、作图能力以及根据图像分析问题和解决问题的能力.通过对图像分析,学生加深了对比值定义法的理解,领会了只有在线性关系的U-I图像中,斜率才表示电阻,同时为后面学习“探究灯泡的伏安特性曲线”打下基础.

环节2(科学探究):探究影响导体电阻的因素.

猜想:如图4所示,学生通过观察灯丝、滑动变阻器、装修所用的铜线,让他们猜想影响导体电阻的因素可能有:导体的长度l、横截面积S、材料特性.

图4 变阻器、白炽灯、铜线

研究方法:控制变量法.

理论探究:学生已经学习了电阻的串并联知识,知道串联相当于增加导体的长度,并联相当于增大导体的横截面积.

探究1:当导体材料和横截面积S不变时,增加导体的长度l,探究导体的电阻R与长度l的关系.教学中引导各小组增加导体的长度时,建构图5所示的模型.

图5 导体长度增加的等效结构

结论1:当导体材料和横截面积不变时,导体的电阻R与长度l成正比,即R∝l.

探究2:当导体材料和长度l不变时,增加导体的横截面积S,探究导体的电阻R与横截面积S的关系.教学中引导各小组建构如图6所示的模型.

图6 电阻横截面积增加等效结构

设计评价:培养学生观察现象,提出问题的能力;培养学生利用已有知识,联系新知识的能力;培养学生模型建构能力、抽象思维能力、归纳概括能力、演绎推理能力和等效的思想.

证据(验证):把新人教版物理必修第3册58页的实验由探究性实验改为验证和探究相结合的实验,电路如图7所示.[5]

图7 验证决定电阻大小因素的电路图

学生选择仪器:电阻演示仪,材料不同的电阻丝,电烙铁、焊锡、米尺等器材,自己制作4段导体.如图7所示,其中材料相同的3段导体a、b、c中,a和b横截面积相等,b的长度是a的2倍(3倍也可以),a和c长度相等,c的横截面积是a的两倍.注意引导c可以用两根相同的a并联焊接而成,d与a长度、横截面积相等,材料不同.

安全提醒:学生预习时,教师要亲临实验室,并教会学生用电烙铁焊接电阻丝的方法以及使用的注意事项.上课时再次交代注意事项,以免学生焊接时被电烙铁烫伤.

实物连接方案1:把同一根电阻丝标记为长度不同的两段即可得到导体a、b,把焊接好的导体c和b、d串联焊接起来,按图7连接电路.

实物连接方案2:改装或自制电阻演示仪,如图8所示.木板上安装有左右等间距的8个接线柱,把材料相同的电阻丝从1依次连接到6,在5和6之间连成双线(并联),7到8之间连接材料不同的另一电阻丝(长度和横截面积与1、2之间的电阻丝相等).1、2之间构成导体a,1、4之间构成导体b,5、6之间构成导体c,7、8之间构成导体d.电路图如图8所示.引导学生设计表5记录数据,实验中多次改变滑动变阻器滑片的位置,提高实验可信度.

图8 自制电阻演示仪

表5 各定值电阻的电压记录表

学生设计电路,连接好电路后,分别改变滑动变阻器滑片的位置,在表5中记为位置1、2、3、4,分别测出滑动变阻器在各位置时,导体a、b、c、d的电压.要注意提醒学生使电压表的指针偏转尽量大一些,以便减小偶然误差.数据分析,学生交流、归纳、总结、评价.

结论2:长度、横截面积相等的导体,材料不同,电阻不相等,说明导体的电阻还与材料有关.

设计评价:根据问题导向(PBL)培养学生阅读能力、实验创新能力、动手能力、设计感、处理数据的能力,寻找证据、归纳总结的能力.这个环节中,根据最近发展区理论,在教师充分的教学引导下,学生学习的动机和已经具有的知识经验完全被激活,建立了已储备知识和新知识间的关联,能多视角观察、思考同一问题,灵活地、创造性地解决问题,同时经历了复杂的思维过程,动脑设计、动手操作,获得了丰富的学习成果.

解释1:不同材料的导体ρ一般不同,在长度、横截面积一定的条件下,ρ越大,导体的电阻越大,ρ表征了材料的导电性能,叫电阻率.

解释2:表6为几种材料在20 ℃时的电阻率.

表6 几种材料的电阻率

问题导向:从表6的数据可以直接看出什么?能提出什么问题?

引导学生阅读教材得知,纯金的电阻率一般较小,合金的电阻率一般较大.家庭装修采用铜线或铝线,从电阻率和经济成本上来看是最佳的选择.表6列出几种材料的电阻率时,标注了温度是20 ℃,这可能说明什么?

学生猜想:电阻率可能与温度有关.阅读教材,设计如图9的电路来验证.

图9 探究温度对电阻的影响电路图

学生验证:引导学生分别在A、B之间接入钨丝电阻和铜锰合金电阻,然后用酒精灯对其进行加热,观察灯泡亮度的变化情况.

学生总结:钨丝的电阻率随温度的升高而增大,铜锰合金的电阻率受温度的影响较小,几乎不变.

引导学生挖掘教材,扩大结论适用范围:纯金属的电阻率较小,合金的电阻率较大,用电器的电阻通常大于导线的电阻,一般情况下,导线的电阻可以忽略不计;纯金属的电阻率随温度的升高而增大,某些金属电阻率随温度变化非常明显,如铂丝,可以用来制作温度计;某些合金的电阻率几乎不受温度的影响,可以用来制作标准电阻;当温度降低时,某些导体的电阻会减小,温度特别低时,电阻会减小到0,这种现象叫超导.介绍我国科学家赵忠贤在超导方面的贡献,激发学生崇尚科学的兴趣和培养学生投身科学的精神.

问题导向:如图10所示,有一材质均匀的长方体金属导体,长为a,宽为b,高为h,电阻率为ρ.1、2、3、4分别为4个接线柱,若分别将1、2和3、4接入电路,导体对应的电阻各为多大?

图10 长方体金属导体

设计评价:培养学生回归教材、重视教材、提出问题、对规律的理解和运用的能力以及再次经历猜想、验证的科学探究过程.让学生的思维再次得到升华,动手能力再次得到训练.通过教材强化物理学科在当代科技中的价值,在推动科技发展中的作用和地位.给学生们介绍我国科学家赵忠贤在超导方面的贡献,培养学生爱国主义情怀,激励学生学习我国科学家的奋斗精神,增强学生的民族自信心和自豪感.

环节3:这节课学生学到了什么?先即兴进行个人总结交流,然后小组内对个人总结归纳梳理,例如可以用思维导图、概念图、树状图等形式呈现出来,最后每组派一个代表进行展示交流,其余组员可以补充.这样做的目的是,不同层次的学生都能分享自己的观点,锻炼了学生的表达能力、总结能力,同时看到自己的不足,加深对新概念的理解,评估自己和别人的差异,最终找到改进学习的方法和方向.

教师评价:以鼓励为主,根据每个组的总结情况,抓住闪光之处进行点评,培养学生正确的态度和价值观,但有错误或不严谨之处,一定要纠正或补充,因为正确可靠的学习成果才是学生求真理、悟道理、明事理的基础保障.

4 教学反思

这次导体电阻的教学设计,与2018年笔者相同内容的教学设计比较,[6]可以说是一次理论与思想的进阶.从理论的角度看,有最近发展区、布鲁姆学习目标等理论的支撑;从理念的角度看,教师引导为次,学生“表演”为主,体现了以学生为中心的教学,更加符合新课标的理念;从操作的层面看,有理论推导、实验设计,学生手脑并用,多角度培养学生的设计感;从用教材的角度看,笔者用教材教而不是教教材.在进行课堂教学设计时增加了教材之外的内容,把教材的探究实验改为验证和探究相结合的实验.这样修改的目的是契合观察→猜想→理论→验证→解释→交流→评价的这一科学探究流程,[7]在此流程中,激发了学生的问题意识、提出了有价值的问题、培养了学生的问答能力,教师引导、质疑、解惑、点评,是一次有针对性地培养学生核心素养的尝试.[8]

笔者在第一个班执行教学的过程中,因为实验多,学生不熟悉实验电路,组员之间分工不明确、配合不默契,故学生无法顺利完成实验,导致未能完成教学任务.故笔者在第二个班教学前做了大量的准备工作,以问题为导向(PBL)设计了导学案,带领学生走进实验室熟悉器材,然后再实施课堂教学,这样就顺利地完成了教学任务.过程是艰辛的,但每当想起学生们在课堂上精彩的表现,瞬间觉得自己是多么的幸福.当然,教学中还有很多瑕疵与不足,路漫漫,且教且修正.