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        三步教學(xué)法在物理教學(xué)中的實(shí)踐研究

        2019-12-19 06:15:22
        數(shù)理化解題研究 2019年35期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教師教學(xué)

        錢 偉

        (浙江省杭州市蕭山區(qū)金山初級中學(xué) 311200)

        一、研究背景回顧

        【2011年杭州中考題】在計(jì)算電動機(jī)工作時(shí)所消耗的電功率時(shí),小杰和小施產(chǎn)生了不同意見.小杰利用公式P=UI計(jì)算電動機(jī)所消耗的電功率,小施利用P=I2R來計(jì)算電動機(jī)所消耗的電功率.

        (已知:電動機(jī)線圈電阻為R,電動機(jī)工作時(shí)兩端的電壓為U,通過電動機(jī)的電流強(qiáng)度為I)

        1.請你判斷這兩位同學(xué)計(jì)算電動機(jī)所消耗的電功率的方法是否正確,并說明理由.

        2.求這臺電動機(jī)在時(shí)間t內(nèi),電動機(jī)線圈產(chǎn)生的熱量.

        3.求電動機(jī)在時(shí)間t內(nèi)所做的機(jī)械功.

        教師的分析:(1)電動機(jī)不是純電阻電路,所以歐姆定理不成立,所以小杰是正確的,小施是錯(cuò)誤的.(2)電動機(jī)消耗的電能的電能大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,還有一部分轉(zhuǎn)化為電阻消耗的熱能了,所以產(chǎn)生的熱量為Q=I2Rt;(3)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能,所以時(shí)間t內(nèi)所做的機(jī)械功為W=UIt-I2Rt

        我的思考:問題一,教師自身對電動機(jī)的把握或表述存在問題,電路雖然不是存電阻電路,但不表示歐姆定理不成立,P=I2R仍然可以使用,只不過此僅僅代表電動機(jī)內(nèi)阻消耗的熱能,而不能表示電動機(jī)消耗的全部功率.

        問題二,教師在分析試題的時(shí)候沒有進(jìn)行學(xué)生錯(cuò)誤情況的統(tǒng)計(jì)和了解,導(dǎo)致教師不能對癥下藥,無法在學(xué)生內(nèi)心建立起理想電動機(jī)模型.

        問題三,教師全程灌輸式的分析導(dǎo)致學(xué)生缺乏對本質(zhì)的理解,原有的認(rèn)知平衡無法被有效打破,新的認(rèn)知平衡就無法建立,知識只能停留在短暫的記憶上.

        二、概念界定

        展示背景充分暴露原認(rèn)知【三步教學(xué)法】“平衡——不平衡——新的平衡”三步教學(xué)法基本結(jié)構(gòu),如圖1.

        圖1

        三、理論依據(jù)

        認(rèn)知個(gè)體(兒童)就是通過同化與順應(yīng)這兩種形式來達(dá)到與周圍環(huán)境的平衡:當(dāng)兒童能用現(xiàn)有圖式去同化新信息時(shí),他是處于一種平衡的認(rèn)知狀態(tài);而當(dāng)現(xiàn)有圖式不能同化新信息時(shí),平衡即被破壞,而修改或創(chuàng)造新圖式(即順應(yīng))的過程就是尋找新的平衡的過程.兒童的認(rèn)知結(jié)構(gòu)就是通過同化與順應(yīng)過程逐步建構(gòu)起來,并在“平衡——不平衡——新的平衡”的循環(huán)中得到不斷的豐富、提高和發(fā)展.

        四、課堂實(shí)踐案例

        第一步:展示背景充分暴露原認(rèn)知

        案例1:如圖2,電動機(jī)M的線圈電阻為0.5歐,當(dāng)S斷開時(shí),電流表讀數(shù)1安.當(dāng)S閉合時(shí),電流表讀數(shù)3安.問:

        圖2

        (1)電阻R為多大?

        (2)電動機(jī)的機(jī)械功率為多大?

        (3)電動機(jī)工作2分鐘,電動機(jī)線圈產(chǎn)生了多少熱量?

        R機(jī)=5Ω-0.5Ω=4.5ΩP機(jī)=I2R=2A2×4.5Ω=18W

        我的分析:我們從這類典型錯(cuò)誤中不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)知道電動機(jī)“合二為一”的模型需要一分為二看待,否則他也不會去計(jì)算總電阻.所以學(xué)生難以打破的平衡其實(shí)是一分為二的電動機(jī)模型,為什么獨(dú)立出來的“沒電阻的線圈”仍然需要分壓.顯然這是純電阻電路的分壓模式這一“前概念”干擾了我們的學(xué)生的分析.雖然我們的老師不停的告訴他因?yàn)檗D(zhuǎn)動需要電壓,但這種灌輸式的教學(xué)只能短暫維持記憶.(此時(shí)如圖建立的電動機(jī)模型也只不過是一種記憶,而不是理解、不是建構(gòu))

        我的反思:現(xiàn)在教師的任務(wù)很明顯是要把線圈的電阻獨(dú)立出來,剩下的線圈當(dāng)作超導(dǎo)看待,要學(xué)生認(rèn)識到這個(gè)超導(dǎo)部分的轉(zhuǎn)動仍然需要分壓.難就難在這是一個(gè)假象的獨(dú)立.如果電動機(jī)不轉(zhuǎn),那就可以把線圈僅僅當(dāng)作電阻看待了.我們需要想方設(shè)法打破學(xué)生這個(gè)原有的認(rèn)知平衡方可真正建立起一個(gè)新的平衡.

        第二步:利用實(shí)驗(yàn)等手段打破平衡

        圖3

        手段一(實(shí)驗(yàn)法):閉合開關(guān),燈亮、電動機(jī)轉(zhuǎn)動,然后用手捏住電動機(jī),使之不轉(zhuǎn)動,我們會發(fā)現(xiàn)燈變亮了.電動機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)電流是同樣的路徑,為什么燈的亮度會改變呢?如圖3.

        于是我們用電壓表分別測量了電動機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時(shí)兩端的電壓,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動時(shí)的電壓明顯大于不轉(zhuǎn)時(shí)的電壓.由此我們就需要建立新的模型加以解釋:轉(zhuǎn)子即使是超導(dǎo)也要分壓,將電動機(jī)看做是超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與內(nèi)電阻串聯(lián).

        手段二(分析法):我們可以假設(shè)某電動機(jī)兩端電壓為6伏,內(nèi)阻為1歐.如果歐姆定理成立,那么電流就是6安.此時(shí)可以問學(xué)生,電功率為多少?電阻產(chǎn)生的熱功率為多少?

        學(xué)生會很快算出P電=36瓦,P熱=36瓦.此時(shí)教師可以繼續(xù)追問,電動機(jī)的能量是怎么轉(zhuǎn)化的?學(xué)生回答電能轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能.此時(shí)矛盾就產(chǎn)生了,學(xué)生迫切需要構(gòu)建新的模型來解決以上矛盾.

        第三步:建立新平衡,解決新問題

        建立新的認(rèn)知平衡以后我就可以建立如下統(tǒng)一的模型了(能量守恒).這種從不平衡到平衡所建立起來的模型是符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的,是一種牢固的、內(nèi)化的新平衡.

        圖4

        接著我們可以利用變式解決新問題,如圖4所示.能量如何轉(zhuǎn)化?若電壓為6伏,電流為100毫安,10分鐘內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)能為100焦耳,則該電解裝置兩級間的電阻為多少?

        五、教學(xué)核心設(shè)計(jì)研究總結(jié)

        三步教學(xué)法的核心在于第二步如何打破平衡,本人在教學(xué)實(shí)踐中已經(jīng)總結(jié)出了以下幾種打破平衡的有效方法.

        1.次序重組:也就是通過對幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)重新排序?qū)崿F(xiàn)這種新型建構(gòu)主義理念下的新認(rèn)知平衡的建立.

        案例2 :探究小孔成像

        圖5

        師:如圖5,P是一張挖了一個(gè)小孔的紙板,在P的前面放一個(gè)發(fā)光體MN后,在紙板Q(光屏)上將形成怎樣一個(gè)像?請通過作圖確定這個(gè)像.

        學(xué)生作圖6,得出像M′N′.

        生:發(fā)光體在光屏上形成一個(gè)倒立的像.

        師:事實(shí)是否真的如此,讓我們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)看看.

        學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

        以上是傳統(tǒng)理念下重知識的教學(xué)設(shè)計(jì),教師先傳授了小孔成像的光學(xué)原理,再來問學(xué)生你能看到怎么樣的一個(gè)像呢?顯然這時(shí)候?qū)W生已經(jīng)不需要思考就能回答,而且一定是正確的回答,至于后面的實(shí)驗(yàn)觀察也就不能引發(fā)學(xué)生的好奇了.這是我們一味追求學(xué)生正確的回答的教學(xué)結(jié)果,其最終就培養(yǎng)不出具有能質(zhì)疑的創(chuàng)新型人才.

        我們可以把教學(xué)設(shè)計(jì)改成這樣:

        師:這里有一只紙杯,杯底戳了一個(gè)小孔,杯口用拷貝紙封著.如果我點(diǎn)燃一根蠟燭,將杯底的小孔對著燭焰,眼 睛對著拷貝紙看,你將看到什么?

        生:我將會看到燭焰......光斑......

        師:這個(gè)燭焰的方向是正立的,還是倒立的,或是橫向的?

        生:應(yīng)該是正立的.

        師:事實(shí)究竟如何?我們用實(shí)驗(yàn)親眼看一看.

        (學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)看到的燭焰是倒立的,于是陷入思維的沖突.)

        師:大家想知道這是什么原因嗎?

        師:實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)想的并不相同.其實(shí),用剛才學(xué)過的光的直線傳播的知識,能夠很好地解釋這一現(xiàn)象.為方便作圖,我們將上述裝置簡化為如圖7的模型:圖7中MN代表燭焰;P代表挖有小孔的杯底;Q代表蒙在杯口的拷貝紙.

        我們的任務(wù)是要確定發(fā)光體MN射出的光通過小孔后,會落在光屏Q的哪個(gè)區(qū)域上?發(fā)光體MN上處處都會發(fā)光,我們是否需要作出所有發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光的傳播情況呢?

        圖7

        生:不需要.只要作出發(fā)光點(diǎn)M、N發(fā)出的光落在光屏上哪個(gè)位置,就能確定發(fā)光體MN發(fā)光的光落在光屏上的區(qū)域.

        2.任務(wù)倒逼:也就是通過設(shè)立一個(gè)任務(wù),在完成這個(gè)任務(wù)的過程中倒逼出新的概念或原理

        案例3:密度概念的建立

        我們可以先對已知體積的鋁、銅、鐵進(jìn)行質(zhì)量的測定(如下表所示),然后出示任務(wù)——有一個(gè)毛澤東鋁像如圖8,已知體積為41206立方厘米.請小組合作完成對此像質(zhì)量的計(jì)算(方法越多越好).

        圖8

        根據(jù)教學(xué)實(shí)踐研究,學(xué)生定會出現(xiàn)兩種思路第一種是:(41206÷10)×27克;第二種是:(27÷10)×41206克.其中用第一種思路的學(xué)生會占大多數(shù),其思想就是數(shù)學(xué)中的整體法.用第二種思路的學(xué)生也會有30%以上的學(xué)生,而這個(gè)方法教師只要引導(dǎo)的好一點(diǎn)就可以倒逼出質(zhì)量與體積的比值這個(gè)欄目,它就是密度概念的萌芽.而這種由任務(wù)倒逼出來的概念會使學(xué)生真正理解并內(nèi)化.其本質(zhì)是在改良第一種認(rèn)知方法的基礎(chǔ)上建立新認(rèn)知,這種平衡的建立是有意義的,我們也可稱之為意義建構(gòu).個(gè)人認(rèn)為在物理概念、公式的建立上這種方法會比較行之有效.

        圖9

        3.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn):也就是通過改進(jìn)或創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)來建立新的認(rèn)知平衡

        案例4:力臂概念的引入

        實(shí)驗(yàn)一:為了使圖9甲中的杠桿保持平衡,則需要多大的力?(學(xué)生實(shí)驗(yàn))F1=3N.

        為了使圖9乙中的杠桿保持平衡,則需要多大的力?(學(xué)生實(shí)驗(yàn))F2=2N.

        (比較甲和丙,可以看出力的作用點(diǎn)不同而方向相同,力的作用大小不同,但力的作用效果是相同的.)

        實(shí)驗(yàn)二:做如圖9丙的實(shí)驗(yàn),用F3=3N的力看能否使得杠桿平衡?(學(xué)生實(shí)驗(yàn))

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:可以使杠桿平衡.

        (比較甲和丙,可以看出力的大小相同,作用點(diǎn)和方向都改變,但力的作用效果還是相同的.)

        實(shí)驗(yàn)三:做如圖9丁實(shí)驗(yàn),用F4=3N的力能否使得杠桿平衡?(學(xué)生實(shí)驗(yàn))

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:依舊可以使杠桿平衡.

        (比較甲和丙、丁,可以看出力的大小相同,作用點(diǎn)和方向改變時(shí),力的作用效果依舊相同.)

        師:作用點(diǎn)不同,方向也不同,為什么用相同大小的力都能達(dá)到相同的效果呢?我們來仔細(xì)研究一下這幾幅圖,看看使得杠桿保持平衡是否存在著一個(gè)共通的規(guī)律?

        (生:嘗試建立每幅圖中“支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離”是相同的,都是第3個(gè)同心圓的半徑)

        師:我們找到了共通規(guī)律就是“支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離都是相等的”,由于它是支點(diǎn)到力的作用線的距離,在杠桿的研究中,我們就給它一個(gè)名稱“力臂”,即支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離叫力臂.

        圖10

        4.作圖想象:也就是用畫圖的方法展現(xiàn)學(xué)生原有的內(nèi)心世界,這個(gè)在微觀領(lǐng)域的研究中會應(yīng)用到比較多.

        案例5:分子間有無空隙的辯論如圖10.

        分子很小,是看不見的,那么分子間有沒有間隙呢?學(xué)生的內(nèi)心世界又是怎么樣的呢?我們可以通過叫學(xué)生發(fā)揮想象畫圖來表達(dá)他們的原本思考.(如圖11、圖12)為了更好的體現(xiàn)學(xué)生的原有想象,我們以下畫圖叫學(xué)生用一個(gè)小方塊表示一個(gè)水分子.

        圖11 圖12

        經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐研究,我發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍會出現(xiàn)以下兩種作圖:(以圖11這種為多數(shù))要畫成圖12形式的學(xué)生回答為什么這么畫的時(shí)候,學(xué)生也就是因?yàn)檫M(jìn)行過課前預(yù)習(xí)知道了分子間是有間隙的.然而這種認(rèn)識只是表面的、被迫的,其實(shí)學(xué)生的內(nèi)心世界都應(yīng)該類似與第一種畫法(分子緊密連接無空隙).這時(shí)候我們干脆將學(xué)生分成兩派:無空隙派和有空隙派進(jìn)行辯論,大家各自拿出證據(jù)來說明自己的觀點(diǎn).教師可以在這個(gè)辯論中不斷引導(dǎo)并通過演示實(shí)驗(yàn)完善現(xiàn)代分子運(yùn)動理論.

        5.先學(xué)設(shè)計(jì):有些課程內(nèi)容可以設(shè)計(jì)先學(xué)稿.目的是為了暴露學(xué)生的前概念,方便教師能動的打破學(xué)生腦袋中原有的認(rèn)知平衡.

        案例6:如何增加學(xué)生說的先學(xué)設(shè)計(jì)(傳統(tǒng)理念下的先學(xué)設(shè)計(jì)與建構(gòu)主義理念下的先學(xué)設(shè)計(jì)對照)

        A.密度的定義式

        根據(jù)密度的意義,可以得到密度的定義式為:____.

        用符合____表示密度,____表示質(zhì)量,____表示體積,則密度公式為:____.

        B.密度的單位

        由密度的定義式可得密度的單位是____或____,分別讀作____、____.

        兩者的換算關(guān)系是:1克/立方厘米=____千克/立方米.(傳統(tǒng)教學(xué)理論下的應(yīng)試式設(shè)計(jì))

        C.建構(gòu)密度的定義式.

        ①根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)和密度的性質(zhì),怎樣表示密度的定義式?(分別用文字和字母表示)

        ②密度的單位是什么?你是依據(jù)什么知道的?怎樣讀?如何進(jìn)行單位換算:7.9克/立方厘米=____千克/立方米,對應(yīng)的物質(zhì)是:____.

        六、實(shí)施反思

        諾貝爾獎獲得者勞厄說過教育無非是一切已學(xué)過的東西都遺忘掉的時(shí)候所剩下來的東西.剩下來的東西毫無疑問是方法、思維、情感、價(jià)值觀.所以教師如果直接告訴學(xué)生小孔成的什么樣的像,告訴學(xué)生什么叫密度,告訴學(xué)生什么叫力臂,告訴學(xué)生分子間是有間隙的.那么若干時(shí)間以后我們苦口婆心的教育所剩下的就是一無所有.科學(xué)不僅僅是知識,更多的是發(fā)現(xiàn)知識,我們教師要做的就是引領(lǐng)我們的學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識.建構(gòu)主義理論要很好的與我們的課堂實(shí)踐相結(jié)合,并適應(yīng)當(dāng)下的時(shí)代特征還有很多值得我們?nèi)パ芯俊⑷?shí)踐.

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