吳志山

(江蘇省南通第一中學(xué),江蘇 南通 226001)

1 問題的提出

物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求課堂教學(xué)要更加關(guān)注育人目的,更加注重培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng),更加強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力．[1]但從當(dāng)前物理教學(xué)現(xiàn)狀來看,教師們迫于課時(shí)或分?jǐn)?shù)等壓力因素,為了提高課堂“效益”,普遍直入“主題”.對一些知識點(diǎn)給出公式后,直接“上題”,一堂課下來,學(xué)生主要是記住了公式,會(huì)模仿代數(shù)據(jù)計(jì)算,但不知道為什么要用這個(gè)(些)公式,沒有考察它的“過去”,也不知道它的“未來”,僅僅會(huì)在“當(dāng)下”.所在章節(jié)或課堂結(jié)束再過一段時(shí)間后,所學(xué)內(nèi)容也就“所剩無幾”．究其原因,我們認(rèn)為在這樣的課堂上,學(xué)生只是 “看客”,課堂是基于教師的“教”,而不是學(xué)生的“學(xué)”,課堂缺少師生互動(dòng)、生生互動(dòng),學(xué)生看教師講著“故事”,“被迫”進(jìn)行模仿,學(xué)生的學(xué)習(xí)比較消極,甚至久而久之有了厭倦的情緒．這樣的課堂怎能落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?

基于問題的學(xué)習(xí)(Problem-based Learning 簡稱PBL)最早由神經(jīng)病學(xué)教授巴羅斯(HowardBurrows)在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院首創(chuàng),也最先用于醫(yī)學(xué)教學(xué),后來被廣泛用于其它學(xué)科．PBL教學(xué)模式是基于學(xué)生“學(xué)”的立場,注重學(xué)生在真實(shí)情景、結(jié)構(gòu)不良的問題中的學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng),鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行合作學(xué)習(xí),在問題解決過程中提升學(xué)生關(guān)鍵能力,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)．在課堂教學(xué)中有許多聯(lián)系實(shí)際的問題,特別是章末往往有些本章內(nèi)容的實(shí)際模型或應(yīng)用,能讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識提升解決問題的能力,在問題解決過程中的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)．筆者以“電能的輸送”為例,跟大家交流應(yīng)用PBL教學(xué)在課堂中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)踐,以期拋磚引玉．

2 PBL課堂教學(xué)準(zhǔn)備

課堂教學(xué)過程中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)該基于學(xué)生的學(xué)情,PBL教學(xué)的問題落點(diǎn)應(yīng)在學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”,這樣才能更好地助力核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．在課堂教學(xué)前我們要做好教材、學(xué)情和培養(yǎng)目標(biāo)的分析和準(zhǔn)備．

2.1 教材分析

“電能的輸送”是人教版選修3-2“交變電流”的最后一節(jié),要求學(xué)生用所學(xué)知識解決一個(gè)實(shí)際問題——電能的輸送．重點(diǎn)討論在電能的輸送過程中如何減少電能的損失,了解電能輸送的技術(shù);內(nèi)容涉及電路分析與設(shè)計(jì)、閉合電路歐姆定律、電阻定律、變壓器等應(yīng)用,包含多組電壓、電流、電功率等20多個(gè)物理量的關(guān)系及計(jì)算.這是一個(gè)既有理論性又有一定技術(shù)性的生活應(yīng)用綜合問題,適合應(yīng)用PBL教學(xué)方式,有情境、有體驗(yàn),能在問題探索解決過程中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

2.2 學(xué)情分析

通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生掌握了歐姆定律、電阻定律、電磁感應(yīng)定律等有關(guān)規(guī)律,了解了變壓器在交流電問題中的應(yīng)用,能對電路進(jìn)行分析.由于本節(jié)內(nèi)容中的問題來源于實(shí)際生活,需要學(xué)生具有較強(qiáng)的分析與建模能力,且輸電電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參與運(yùn)算的物理量較多,適合在問題情境下學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合,在共同解決問題的過程中提高學(xué)生分析推理、建模探究等關(guān)鍵能力．

2.3 確定目標(biāo)

物理觀念:能用能量守恒的觀念分析問題;科學(xué)思維:積極分析推理輸電過程中能量損失的原因,抓住主要矛盾,建立輸電模型;科學(xué)探究:理論和實(shí)驗(yàn)探究輸電模型的可行性,提升解決問題的關(guān)鍵能力;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:知道輸電電壓不是越高越好,比較交變電流與直流電輸電優(yōu)勢與不足,培養(yǎng)全面辯證看待問題的科學(xué)態(tài)度．

3 PBL課堂教學(xué)實(shí)施

PBL一般教學(xué)流程如圖1所示,[2]結(jié)合實(shí)際課題或課堂需要可以適當(dāng)調(diào)整和變通．

圖1 PBL教學(xué)的一般流程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境,提出問題

問1:電能給我們的生活帶來了很大的便利,那教室里的電能來自哪里?(從真實(shí)的體驗(yàn)出發(fā)來提問)

問2:電廠一般建設(shè)在哪里呢?(展示水力、風(fēng)力、核電發(fā)電廠圖片,電廠在發(fā)電資源豐富的地點(diǎn),大多離用電城市地點(diǎn)較遠(yuǎn))

問3:電能如何輸送到用電地區(qū)?(問題切口較大,沒有過多限定條件,這是開放的實(shí)際問題——主問題)

評析:情境創(chuàng)設(shè)應(yīng)根據(jù)課題實(shí)際,盡量來源于學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)的環(huán)境,這樣的情境更有帶入感;關(guān)鍵問題的提出可以比較開放,具有不良結(jié)構(gòu),讓學(xué)生自覺運(yùn)用所學(xué)物理知識進(jìn)行思考分析,培養(yǎng)學(xué)生解決問題應(yīng)有的物理觀念．

3.2 合作探究,形成方案

關(guān)于電能輸送,學(xué)生根據(jù)前面所學(xué)恒定電流內(nèi)容很容易提出“用兩根導(dǎo)線直接輸送”,學(xué)生認(rèn)為這很簡單．

合作探究:先讓學(xué)生用6 V交流電源直接給額定電壓6 V的燈泡供電,發(fā)現(xiàn)燈泡很亮;通過很長的導(dǎo)線給6 V燈泡供電發(fā)現(xiàn)亮度下降很多;用電阻絲代替輸電導(dǎo)線,燈泡基本不亮,表明用戶沒得到什么能量．(實(shí)驗(yàn)引發(fā)思維沖突,將問題復(fù)雜化,引導(dǎo)學(xué)生深入思考)

問4:怎么會(huì)有上面這樣的現(xiàn)象的呢?(學(xué)生容易想到導(dǎo)線電阻損耗了功率的原因,但學(xué)生不容易定量表達(dá)清楚.為了更進(jìn)一步研究,要引導(dǎo)學(xué)生建立簡單輸電模型,一起畫出電路圖,并標(biāo)出可能用到的物理量如圖2．)

圖2 簡單輸電電路圖

問5:怎樣減少導(dǎo)線上損耗的功率,讓遠(yuǎn)距離的燈泡重新亮起來?(根據(jù)輸電模型,學(xué)生可以寫出ΔP=I2r,可以通過減小r或I來減小電能損失．)

問6:怎樣減小r呢?實(shí)際可行嗎?說出理由．(從理論走向?qū)嶋H,問題的解決要考慮實(shí)際的距離、成本、施工、環(huán)境等,讓學(xué)生體會(huì)STSE關(guān)系)

問7:如果發(fā)電廠的裝機(jī)容量一定,也就是電站向外輸送的電功率是一定的,如何減小輸電電流I?(對發(fā)電站輸電功率基本保持不變學(xué)生沒有預(yù)備知識,需要提醒,然后讓學(xué)生分組討論,由P=UI可得,輸送功率一定的情況下可以通過提高U來減小I)

問8:如何提高輸送電壓呢?能畫出輸電示意圖嗎?(難點(diǎn)的突破一定要從內(nèi)部開始,請學(xué)生展開小組討論,想到用升壓變壓器升壓,更進(jìn)一步討論用戶所需電壓可知還需要用到降壓變壓器,學(xué)生畫出輸電示意圖如圖3所示.)

圖3 輸電示意圖

評析:這一部分是PBL教學(xué)落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一,如果只用講授法幾分鐘就能講好,學(xué)生也許能理解,但學(xué)生就沒有經(jīng)歷問題解決過程中的科學(xué)推理、聯(lián)系實(shí)際、科學(xué)建模、合作探究等核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要素.學(xué)生只有經(jīng)歷了這些過程才會(huì)認(rèn)為自己是問題解決過程中重要的一份子,自己是學(xué)習(xí)的主人,在培養(yǎng)關(guān)鍵能力的同時(shí),有著滿滿的成就感,可以隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對更多、更大的挑戰(zhàn)．

3.3 實(shí)驗(yàn)探究,驗(yàn)證方案

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)桿,帶著形成方案后的成就感請學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)探究與驗(yàn)證環(huán)節(jié)．

圖4 高壓輸電實(shí)驗(yàn)

合作探究:用交流電源代表發(fā)電廠,6 V燈泡代表用戶,升壓變壓器匝數(shù)比分別用1∶16與1∶4,對應(yīng)降壓變壓器匝數(shù)比分別用16∶1和4∶1按圖3所示示意圖搭建實(shí)際電路如圖4,以及不用變壓器直接給小燈泡供電,比較3組實(shí)驗(yàn)中小燈泡的亮度,檢驗(yàn)方案的可行性．學(xué)生發(fā)現(xiàn)燈泡的亮度隨輸送電壓升高而變亮了,設(shè)計(jì)方案得到有效論證,學(xué)生喜悅之情溢于言表．(實(shí)驗(yàn)中若不規(guī)定變壓器匝數(shù)比則更加開放,但最終輸出電壓在不同的匝數(shù)比時(shí)不同,可能超出安全電壓,所以不規(guī)定變壓器匝數(shù)比的實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)可能更合適)

評析:實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生在提出問題、形成猜想和假設(shè)后能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋．PBL教學(xué)雖然沒有強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究,但基于學(xué)科特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科重要的學(xué)習(xí)途徑,也是解決問題的重要方法,在運(yùn)用PBL教學(xué)法時(shí)我們當(dāng)然應(yīng)該適時(shí)地利用實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力．

3.4 實(shí)際應(yīng)用,解決問題

問9:用戶得到的電壓是燈泡的額定電壓6 V嗎?怎樣讓用電器工作在額定電壓呢?(通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生通過分析給出了輸電電路示意圖,但實(shí)際應(yīng)用中的問題許多都是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?需要一些定量分析,所以我們要引導(dǎo)學(xué)生建立模型的同時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要標(biāo)出可能要用的物理量如圖5)

圖5 輸電物理量分析

問10:該輸電電路有幾個(gè)回路?回路中元件是什么連接關(guān)系?回路間有什么聯(lián)系?(理清3個(gè)回路是定量列式的基礎(chǔ);抓住回路間由兩個(gè)變壓器構(gòu)成的聯(lián)系是列式的關(guān)鍵;物理量和聯(lián)系公式雖然多,但學(xué)生在問題鏈的提示下自己逐個(gè)回路列式,小組交流討論后很快都能掌握)

問11:有情境例題運(yùn)算(略,及時(shí)通過具體問題的數(shù)字運(yùn)算可以加深對問題的理解,同時(shí)學(xué)生可以像工程師一樣能給用戶一個(gè)具體的建議,如變壓器的匝數(shù)比、用戶能得到的功率等,所學(xué)知識可以應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中)

評析:該部分也是落實(shí)核心素養(yǎng)的重要過程之一,由定性到定量,由概念性問題到具體問題解決,如何設(shè)計(jì)表達(dá)物理量并具體應(yīng)用是該部分的難點(diǎn)和重點(diǎn),講練式教學(xué)在講解或題目中都是給出要研究的物理量,學(xué)生能找到各物理量的關(guān)系式就能解決問題．而在實(shí)際問題中,物理量需要根據(jù)研究內(nèi)容和研究需要來設(shè)置,會(huì)決定研究方向和結(jié)果,該部分也屬于學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)．

3.5 實(shí)踐反思,提出新問

展示和介紹實(shí)際輸電電路及輸電電壓值．

問12:是不是輸電電壓越高越好呢?(引導(dǎo)學(xué)生從理論回到實(shí)際應(yīng)用,實(shí)際問題要考慮功率、距離、技術(shù)等綜合因素,依照不同的情況選擇合適的輸電電壓,培養(yǎng)學(xué)生全面看問題的能力)

問13:閱讀課本“科學(xué)漫步”了解“直流輸電”、“超導(dǎo)輸電”技術(shù),結(jié)合實(shí)際,體會(huì)輸電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用．(通過閱讀材料了解交流輸電帶來諸多便利的同時(shí),因?yàn)殡娙蓦姼械挠绊懸蚕拗屏溯旊姽β?讓學(xué)生認(rèn)識到事物的多面性;從直流輸電在實(shí)際應(yīng)用中的起伏學(xué)生認(rèn)識到,技術(shù)的進(jìn)步可以改變問題的研究和處理方式)

問14:課后了解電網(wǎng)供電技術(shù)、閱讀STS材料,談?wù)勀銓茖W(xué)技術(shù)與社會(huì)關(guān)系的體會(huì)．(讓學(xué)生了解實(shí)際的生活中輸電應(yīng)用,也許和我們課堂探究有些差距,但原理相似．讓學(xué)生回到生活也利于學(xué)生認(rèn)識STSE關(guān)系,具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感)

評析:一個(gè)問題的解決往往不是結(jié)束,更有可能是一個(gè)新問題的開始.要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思回顧,問題分析是否全面，有沒有新的問題等.物理問題經(jīng)常與科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境(STSE)等相關(guān),要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注它們的相互作用關(guān)系,增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感,我們要站在立德樹人的高度來培養(yǎng)學(xué)生．

4 總結(jié)與反思

PBL教學(xué)方式對物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的幾個(gè)目標(biāo)達(dá)成有著較好的契合度．PBL的問題來源于實(shí)際問題,對問題的認(rèn)識和剖析離不開物理觀念的形成,對問題的分析和抽象建模能促進(jìn)科學(xué)思維的培養(yǎng),在問題的定性、定量分析探究過程中離不開科學(xué)探究,離不開方案設(shè)計(jì)、

科學(xué)證據(jù)的收集和使用等,在問題解決過程中要回歸生活、關(guān)心社會(huì)的發(fā)展,形成科學(xué)責(zé)任和態(tài)度．

在適合的問題情境中運(yùn)用PBL教學(xué)更能促進(jìn)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．PBL強(qiáng)調(diào)問題情境,問題對學(xué)生要有帶入感,學(xué)生能沉浸其中當(dāng)然能發(fā)揮主觀能動(dòng)性去學(xué)習(xí),所以問題的選擇和情境的創(chuàng)設(shè)都比較重要,盡量選擇學(xué)生有生活體驗(yàn)的問題創(chuàng)設(shè)問題情境．

PBL教學(xué)的問題鏈不同于普通的問題羅列,PBL教學(xué)的問題鏈?zhǔn)菫榻鉀Q問題服務(wù),有一定的遞進(jìn)性,或者螺旋上升性,能引導(dǎo)問題的解決;又因?yàn)镻BL問題經(jīng)常是實(shí)際問題,可能會(huì)回歸生活,會(huì)更多的關(guān)注社會(huì)發(fā)展,更多的反思也常會(huì)產(chǎn)生新的問題分支．