(1. 北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院，北京 100080;2. 北京市西城外國(guó)語學(xué)校，北京 100044)

基于問題情境顯化科學(xué)方法教育①
——以“電能和電功”教學(xué)為例

王宇航1王志茜2

(1. 北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院，北京 100080;2. 北京市西城外國(guó)語學(xué)校，北京 100044)

針對(duì)“電能和電功”教學(xué)中對(duì)能量轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)注不多、對(duì)電阻的處理很棘手、忽視科學(xué)方法顯化的現(xiàn)狀，本文提出了改進(jìn)課堂教學(xué)的設(shè)想，并在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行嘗試。在這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐中，不僅巧妙回避了電阻的問題，充分實(shí)現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，并能突出問題情境的創(chuàng)設(shè)和顯化科學(xué)方法的教育。

問題情境;科學(xué)方法;電能和電功;教學(xué)設(shè)計(jì)

1 “電能和電功”的教學(xué)現(xiàn)狀分析

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中“電能和電功”的內(nèi)容出現(xiàn)在一級(jí)主題“能量”之下，課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界的基本和普遍規(guī)律。它與很多學(xué)科都有關(guān)聯(lián)，和生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他科學(xué)技術(shù)，都是十分重要的[1]。但在實(shí)際教學(xué)之中，由于課時(shí)限制和教師對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)的理解不同，在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，老師們對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)注不多。

在教學(xué)實(shí)踐甚至一些優(yōu)質(zhì)課比賽中，老師們往往直接請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)：影響電功的因素有哪些？基于此前的知識(shí)背景，學(xué)生往往會(huì)猜測(cè)到通電時(shí)間、電壓、電流、電阻等因素。從科學(xué)知識(shí)來看，電功公式中并沒有出現(xiàn)電阻，所以很多一線老師深感棘手，既不能否定電阻的作用，又不能肯定電阻的作用。為了不影響教學(xué)設(shè)計(jì)的進(jìn)行，在課堂教學(xué)中，許多老師要么直接回避電阻的問題，要么讓學(xué)生當(dāng)作課后探究作業(yè)來完成[2]。

在課堂教學(xué)之中，關(guān)于影響電功的因素，老師往往引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中關(guān)注“控制變量法”的應(yīng)用，忽視了概念建構(gòu)過程中其他科學(xué)方法的顯化教育。

2 對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀的思考及改進(jìn)設(shè)想

為了探究影響電功的因素，不同版本的教材分別提供了如下三個(gè)實(shí)驗(yàn)：觀察燈泡明暗程度，觀察電動(dòng)機(jī)提升物體的高度，觀察電阻絲加熱煤油后的體積變化。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，均突出了能量轉(zhuǎn)化的問題[3]。在實(shí)際教學(xué)之中，老師們往往從這三個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)在課堂教學(xué)上使用。如果在教學(xué)實(shí)踐中能整合這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，且盡量多地展示這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒認(rèn)識(shí)定會(huì)更加深刻。

創(chuàng)設(shè)問題的功能不僅僅在于引起學(xué)生好奇心，還應(yīng)該是有助于學(xué)生從情境中提出問題，并就此展開思考[4]。關(guān)于引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)影響電功的因素有哪些，筆者認(rèn)為，這樣直接提出問題的做法往往缺乏情境創(chuàng)設(shè)。由于缺乏必要的情境創(chuàng)設(shè)，學(xué)生們自然會(huì)猜測(cè)到電壓、電流、電阻等因素。在教學(xué)實(shí)踐之中可以創(chuàng)設(shè)某一個(gè)用電器消耗電能的情境，然后讓學(xué)生們猜測(cè)怎樣使這個(gè)用電器消耗更多的電能，繼而通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證他們的猜想。由于只是涉及這樣一個(gè)用電器，學(xué)生們自然可以把思維聚焦于電壓、電流、通電時(shí)間等因素，巧妙回避電阻R帶來的負(fù)面遷移。借助對(duì)一個(gè)用電器適用的結(jié)論是否能推廣到其他用電器的問題，教師則可引導(dǎo)學(xué)生借助不同類型的用電器進(jìn)行下一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。

物理科學(xué)方法的教育內(nèi)容主要包括3部分：思維方法、物理方法和科學(xué)方法[5]。思維方法是物理智力活動(dòng)的核心，主導(dǎo)著科學(xué)思考，在物理學(xué)習(xí)中具有較強(qiáng)的邏輯力量，成為組織教學(xué)過程和構(gòu)建物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)脈。電功這個(gè)概念是抽象的，但學(xué)生們卻能感知到用電器消耗電能的過程，而用電器消耗電能的過程又是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程。分析這樣的研究過程，我們可以感受到轉(zhuǎn)換法的深刻體現(xiàn)[6]。對(duì)學(xué)生來說，當(dāng)他們猜測(cè)并驗(yàn)證某一個(gè)用電器消耗電能多少跟什么因素有關(guān)之后，老師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)他們深入思考這樣的猜想對(duì)另外類型的用電器是否適用。學(xué)生將經(jīng)歷一種由此及彼的類比思維過程。類比是由特殊到特殊或者由一般到一般的推理，是根據(jù)兩個(gè)(或兩類)對(duì)象之間在某些方面的相同或相似，推出它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤蛳嗨频耐评矸椒╗6]。在這樣的思維過程之中，學(xué)生們自然可以直觀地感受物理科學(xué)方法帶給自己的思維沖擊和愉悅體驗(yàn)。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

“電能和電功”的教學(xué)一共有兩課時(shí)，從知識(shí)獲得的角度來說，第一課時(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)主要是基于實(shí)驗(yàn)明確影響電功的因素和電功的定量表達(dá)式；第二課時(shí)則是電功的應(yīng)用和電能表的使用。以下展示的教學(xué)設(shè)計(jì)主要涉及第一課時(shí)。

筆者力求展現(xiàn)本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程，以及個(gè)別環(huán)節(jié)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)的反映。以“展示”來展現(xiàn)本環(huán)節(jié)之中教師借助PPT或者語言展示、講述的基本內(nèi)容，以“問題”來展現(xiàn)本環(huán)節(jié)之中教師借助PPT或者語言展示的核心問題。在每一個(gè)問題后面，給學(xué)生留有思考時(shí)間，要求學(xué)生首先自己靜心思考，在思考的基礎(chǔ)上小組討論達(dá)成一致。

展示1：組裝簡(jiǎn)單電路使一個(gè)小燈泡發(fā)光。

問題1：這個(gè)小燈泡消耗電能嗎？

學(xué)生一致認(rèn)可小燈泡消耗電能。

問題2：怎么判斷這個(gè)小燈泡在消耗電能？

學(xué)生說看到了小燈泡發(fā)光。他們意識(shí)到，借助燈泡發(fā)光，能判斷出小燈泡在消耗電能。老師明確告訴學(xué)生，這就是一種轉(zhuǎn)換的科學(xué)方法。

問題3：這個(gè)小燈泡發(fā)光的時(shí)候發(fā)生了什么形式的能量轉(zhuǎn)化？

展示2：電能和電功的概念。

問題4：怎樣讓這個(gè)小燈泡消耗更多的電能？

學(xué)生首先提出讓小燈泡發(fā)光時(shí)間更長(zhǎng)。關(guān)于時(shí)間因素，他們普遍認(rèn)為用電器通電時(shí)間越長(zhǎng)，消耗電能越多。有學(xué)生提出給小燈泡加更大的電壓，也有學(xué)生提出讓更大的電流通過小燈泡。

問題5：你怎么判斷這個(gè)小燈泡消耗的電能更多了？

有學(xué)生提出可以看燈泡的明暗程度，但又有學(xué)生提出如果燈泡發(fā)光不那么亮，但通電時(shí)間很長(zhǎng)的話，消耗電能也可以很多。在討論之中，學(xué)生們逐漸達(dá)成共識(shí)，如果通電時(shí)間相同，則這個(gè)小燈泡越亮，消耗電能就越多。在討論之中，他們也意識(shí)到：結(jié)合歐姆定律來考慮，通過小燈泡的電流與加在小燈泡兩端的電壓是同步變化的，電流和電壓因素不能割裂開。

問題6：可設(shè)計(jì)什么實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證你的猜想？

學(xué)生提出可以借助滑動(dòng)變阻器或者學(xué)生電源改變小燈泡兩端的電壓，用電流表測(cè)量通過小燈泡的電流，并觀察小燈泡的發(fā)光情況。

展示3：借助滑動(dòng)變阻器改變小燈泡兩端的電壓，觀察小燈泡的發(fā)光情況。

展示4：對(duì)小燈泡來說，它兩端的電壓越大、通過的電流越強(qiáng)、通電時(shí)間越長(zhǎng)，則小燈泡消耗電能越多，換言之電流做功越多。

問題7：這樣的結(jié)論對(duì)其他類型的用電器也適用嗎？

展示5：展示電動(dòng)機(jī)停電之后的轉(zhuǎn)動(dòng)。

問題8：怎么判斷電動(dòng)機(jī)消耗電能的多少？

學(xué)生提出在相同時(shí)間內(nèi)可以看電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、聽電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音來判斷電動(dòng)機(jī)消耗電能多少。

老師給學(xué)生演示電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的工作情況。他們發(fā)現(xiàn)，在不同電壓下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音雖然有區(qū)別，但不是那么明顯。所以不能借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和聲音來判斷電動(dòng)機(jī)消耗電能的多少。

又有學(xué)生提出，可以讓電動(dòng)機(jī)提升重物，從而判斷電流做功多少。老師給學(xué)生演示電動(dòng)機(jī)提升重物。

問題9：電動(dòng)機(jī)提升重物的時(shí)候發(fā)生了什么形式的能量轉(zhuǎn)化？

問題10：怎么判斷這個(gè)電動(dòng)機(jī)消耗電能更多了？

學(xué)生提出，在相同時(shí)間的前提下，可以看電動(dòng)機(jī)提起同一個(gè)重物的高度。也有學(xué)生提出，在相同時(shí)間和相同高度的前提下，可以看電動(dòng)機(jī)提起重物的多少。

展示6：在相同時(shí)間內(nèi)，觀察電動(dòng)機(jī)在不同電壓下提起同一個(gè)重物的高度。

展示7：對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，它兩端的電壓越大、通過的電流越強(qiáng)、通電時(shí)間越長(zhǎng)，則電動(dòng)機(jī)消耗電能越多，換言之電流做功越多。

展示8：基于小燈泡和電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，可以得出一個(gè)具有普遍性的結(jié)論：對(duì)用電器來說，兩端的電壓越大、通過的電流越強(qiáng)、通電時(shí)間越長(zhǎng)，則電流做功越多。

問題11：對(duì)一個(gè)用電器來說，電流做功多少和兩端的電壓、通過的電流、通電時(shí)間有什么樣的定量關(guān)系？

展示9：閱讀教材相關(guān)內(nèi)容。

4 對(duì)教學(xué)實(shí)踐的反思

在上述教學(xué)設(shè)計(jì)之中，我們采用了小燈泡發(fā)光和電動(dòng)機(jī)提升重物兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別涉及電能轉(zhuǎn)化為光能、電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能兩種不同形式的能量轉(zhuǎn)換。通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)情境，我們希望學(xué)生能從能量轉(zhuǎn)化的角度理解電能和電功。在教學(xué)之中，由于我們基于小燈泡發(fā)光的問題情境讓學(xué)生們提出猜想，從而回避了電阻的問題。在明確小燈泡消耗電能和什么因素有關(guān)的基礎(chǔ)上，我們又提出類比問題：這樣的結(jié)論對(duì)其他類型的用電器還適用嗎？怎么判斷電動(dòng)機(jī)消耗電能的多少？縱觀上述教學(xué)設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為基于問題情境進(jìn)行探究應(yīng)該是物理教學(xué)的起點(diǎn)，但究竟什么樣的問題情境最適合具體科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，還需要我們?cè)诤笃谏钊胙芯俊?/p>

關(guān)于科學(xué)方法的教育，物理教育研究者和一線教師已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：物理科學(xué)方法的教育，要從隱性教育轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性教育。但科學(xué)方法的顯性教育絕對(duì)不是“貼標(biāo)簽”式的知識(shí)記憶。由于學(xué)習(xí)者物理學(xué)習(xí)的進(jìn)程與人類研究物理學(xué)的進(jìn)程相似，這就要求我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐之中關(guān)注科學(xué)概念的起源和發(fā)展，創(chuàng)設(shè)條件使學(xué)生經(jīng)歷類似物理學(xué)家在科學(xué)探索中的過程，從而體會(huì)物理學(xué)家的研究方法[7]。

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：16.

[2] 周亮.面對(duì)“好問型”學(xué)生——記《電功》一堂有意義的探究式教學(xué)[J]．中學(xué)物理，2016，(6)：89-90.

[3] 韓國(guó)法，桂艾祥.“對(duì)探究影響電流做功多少的因素”實(shí)驗(yàn)思考[J]．中學(xué)物理，2013，(5)：85-86.

[4] 郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2016：50.

[5] 邢紅軍.初中物理科學(xué)方法教育[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2015：56.

[6] 張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2015：92，80.

[7] 母小勇，馬娜.學(xué)生與物理學(xué)家共同體概念形成過程的相似性[J]．課程·教材·教法，2015，(3)：73-78.

①本文系教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心2017年立項(xiàng)重點(diǎn)課題“海淀區(qū)推進(jìn)未來學(xué)校建設(shè)的實(shí)踐研究”(課題編號(hào)：CSDP17FS1106)的階段性成果。