(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)
《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。
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)。
“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。
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。