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        初中《科學(xué)》課程中認(rèn)知進(jìn)階式復(fù)習(xí)課堂研究
        ——以“探秘小彩燈”為例

        2020-08-13 13:02:22郭浩佳
        物理通報(bào) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:金屬片金屬絲燈絲

        郭浩佳

        (衢州華茂外國語學(xué)校 浙江 衢州 324000)

        科學(xué)教育的目標(biāo)不是獲取一堆由事實(shí)和理論堆砌的知識,而應(yīng)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)趨向于核心概念的進(jìn)展過程.核心概念,即位于學(xué)科中心的概念性知識,包括一些基本理解和解釋,如重要概念、原理和理論等學(xué)科結(jié)構(gòu)性的主干部分[1].學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生一系列學(xué)科知識的、連續(xù)的、逐步深入的思維活動(dòng)進(jìn)行描述的工具,旨在刻畫學(xué)生科學(xué)認(rèn)知水平的發(fā)展過程.布魯姆將認(rèn)知目標(biāo)分類為:記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合、創(chuàng)造,這6個(gè)目標(biāo)的設(shè)定符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的理念,從低階逐漸走向高階.在實(shí)際教學(xué)中,可側(cè)重研究核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階,以期達(dá)成學(xué)生的高階認(rèn)知.

        電學(xué)知識覆蓋小學(xué)、初高中多個(gè)學(xué)段,屬于核心概念的范疇.從小學(xué)的初識電路到初中的探究電路,從八年級的電路連接到九年級的電能轉(zhuǎn)化,學(xué)生對于電學(xué)概念的建構(gòu)領(lǐng)悟貫穿不同時(shí)期,即使在同一章節(jié)的新授課和復(fù)習(xí)課階段,也需要實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階.本文嘗試在八年級科學(xué)“電路探秘”的章節(jié)復(fù)習(xí)課上,創(chuàng)設(shè)“探秘小彩燈”的情境,使探究環(huán)環(huán)相扣,逐步達(dá)成高階認(rèn)知目標(biāo),意在探尋基于學(xué)習(xí)進(jìn)階模式來推動(dòng)認(rèn)知發(fā)展的可能.

        1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知目標(biāo)預(yù)設(shè)

        依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,核心概念學(xué)習(xí)一般要經(jīng)歷經(jīng)驗(yàn)感受、映射感知、關(guān)聯(lián)處理、系統(tǒng)構(gòu)建、整合應(yīng)用5個(gè)發(fā)展階段[2].新課建構(gòu)概念時(shí),前3個(gè)階段將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為概念,后兩個(gè)階段是應(yīng)用領(lǐng)悟概念.階段性復(fù)習(xí)時(shí),則應(yīng)側(cè)重呈現(xiàn)后兩個(gè)階段,系統(tǒng)構(gòu)建是探尋事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)特征,整合應(yīng)用是全面理解概念本質(zhì),建立核心概念間的相互聯(lián)系.結(jié)合布魯姆的認(rèn)知目標(biāo)層級,本節(jié)課的預(yù)設(shè)目標(biāo)如表1所示.

        表1 “探秘小彩燈”的認(rèn)知進(jìn)階目標(biāo)

        2 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知發(fā)展設(shè)計(jì)

        2.1 新情境中應(yīng)用已有舊知

        環(huán)節(jié)一:探究小彩燈的連接方式

        教師展示:開關(guān)閉合或斷開時(shí),一串小彩燈能實(shí)現(xiàn)同時(shí)亮暗.

        師:小彩燈是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路?

        生(異口同聲):串聯(lián)電路.

        生(少個(gè)別):也可能是并聯(lián)電路,只要開關(guān)在干路上.

        師:如何證明是否是串聯(lián)電路?

        生:可以取下一個(gè)燈泡,閉合開關(guān),觀察其他燈泡是否還能發(fā)光.

        演示:取下一個(gè)燈泡后,其他小彩燈都不發(fā)光.

        結(jié)論:小彩燈是串聯(lián)的.

        進(jìn)階評測:應(yīng)用的特征是初步將科學(xué)知識運(yùn)用于新情境中.學(xué)生已具備電路連接的知識,只是“紙上談兵”較多,多為判斷電路圖的連接方式,本課創(chuàng)設(shè)小彩燈同時(shí)亮暗的生活情境,引發(fā)學(xué)生不同判斷,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)證意識,達(dá)成對兩種電路差異的正確理解:各用電器間是否相互影響,而非能否同時(shí)工作.

        2.2 未知現(xiàn)象中分析工作原理

        環(huán)節(jié)二:探究小彩燈“閃爍”的原因

        師:有些小彩燈能一亮一暗,不停閃爍,怎樣才能實(shí)現(xiàn)這樣的效果?

        生:可以不斷閉合及斷開開關(guān).

        師:理論上可以,實(shí)際操作不可行,請觀察這個(gè)特殊燈泡——“跳泡”(圖1).

        圖1 “跳泡”

        演示:將一個(gè)燈泡換成 “跳泡”后,整串小彩燈能實(shí)現(xiàn)閃爍的效果.

        學(xué)生活動(dòng)1:將一個(gè) “跳泡”連接在5節(jié)干電池(約7.5 V)兩端,觀察其工作特點(diǎn).

        現(xiàn)象:“跳泡”亮暗交替.

        學(xué)生活動(dòng)2:增大“跳泡”兩端的電壓,觀察“跳泡”的工作特點(diǎn).

        現(xiàn)象:“跳泡”的亮暗交替加快,即閃爍加快.

        學(xué)生活動(dòng)3:觀察已除去玻璃外殼的“跳泡” 的內(nèi)部結(jié)構(gòu),嘗試標(biāo)出其工作時(shí)的電流路徑.

        交流:電流依次流經(jīng)燈泡內(nèi)的倒“L”形金屬、金屬片和燈絲.

        師:通電時(shí),“跳泡”中哪個(gè)金屬片可能會(huì)發(fā)生變化?該金屬怎樣實(shí)現(xiàn)電路的通斷?

        生:(提出猜測)

        師:你們的猜測是否合理,需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證.

        實(shí)驗(yàn)視頻(圖2):加熱前,中間金屬片同時(shí)接觸倒“L”形金屬片和燈絲,加熱時(shí),中間金屬片會(huì)脫離倒“L”形金屬片,彎曲向燈絲,撤去加熱后,中間金屬片又會(huì)恢復(fù)與倒“L”形金屬片及燈絲的接觸.

        圖2 實(shí)驗(yàn)視頻截圖

        師:請根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,解釋跳泡能自主實(shí)現(xiàn)亮暗交替的原因?

        生:通電時(shí),隨著溫度不斷上升,中間金屬片向燈絲彎曲,與倒“L”形金屬片脫離,電路斷開,“跳泡”熄滅;中間金屬片的溫度隨之下降,恢復(fù)原狀,又與倒“L”形金屬片接觸,電路接通,“跳泡”發(fā)光,如此不斷反復(fù),則觀察到“跳泡”閃爍.

        進(jìn)階評測:分析是把事物分解成不同部分進(jìn)行研究的思維方法,有助于全面深刻地把握事物特征.小彩燈閃爍的原理是電路中有個(gè)自動(dòng)開關(guān)——“跳泡”,學(xué)生從未接觸過該器材,需要將原理探究進(jìn)行分解,便于有效分析:一是探究“跳泡”的工作特點(diǎn),操作簡單,現(xiàn)象可見,為后續(xù)探究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ);二是觀察“跳泡”的內(nèi)部結(jié)構(gòu),預(yù)測其工作時(shí)的電流路徑,用手撥動(dòng)中間金屬片易于彎曲,有利于猜測它的功能;三是探究中間金屬片(雙層金屬片)受熱彎曲的特點(diǎn),學(xué)生缺乏雙層金屬片的前概念,設(shè)計(jì)方案難免困難,可采用演示實(shí)驗(yàn)的方式;四是學(xué)生表述“跳泡”亮暗交替的原理,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)解釋的能力.經(jīng)歷分析“跳泡”的工作特點(diǎn)、內(nèi)部構(gòu)造和工作原理的過程,使學(xué)生在認(rèn)識新型電路元件的同時(shí),增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力.

        2.3 意外現(xiàn)象中綜合解決“故障”

        環(huán)節(jié)三:探究“跳泡”的電阻

        師:能否利用電學(xué)實(shí)驗(yàn)盒(學(xué)生自備)中的小燈泡(3.8 V,0.3 A)和“跳泡”來實(shí)現(xiàn)小燈泡閃爍的效果.

        演示:將一個(gè)小燈泡(3.8 V,0.3 A)和一個(gè)“跳泡”串聯(lián)入電路,現(xiàn)象是“跳泡”能閃爍,而小燈泡不能發(fā)光.

        師:與“跳泡”串聯(lián)的小燈泡不能發(fā)光的原因可能是什么?

        生:可能是“跳泡”電阻明顯比小燈泡大,則小燈泡兩端分配的電壓太小.

        師:已知“跳泡”的額定電壓是12 V,能否測量出“跳泡”正常工作時(shí)的電阻?

        學(xué)生活動(dòng)4:畫出伏安法測電阻的電路圖(圖3),然后測量“跳泡”正常工作時(shí)的電阻.

        圖3 伏安法測電阻電路圖

        師:正常工作時(shí),通過“跳泡”的電流多大?“跳泡”的電阻是多少?

        生:“跳泡”兩端電壓達(dá)到12 V時(shí),通過它的電流是0.12 A,計(jì)算得“跳泡”正常工作時(shí)的電阻為100 Ω.

        師:能否解釋與“跳泡”串聯(lián)的小燈泡不發(fā)光的原因?

        生:根據(jù)小燈泡的規(guī)格算出其正常工作時(shí)電阻約為12 Ω,電阻明顯小于“跳泡”,分配的電壓明顯小于其額定電壓,所以不能發(fā)光.

        師:測量過程中是否存在困難?

        生:難以讀數(shù).當(dāng)“跳泡”兩端電壓達(dá)到12 V時(shí),“跳泡”閃爍較快,即“跳泡”通電的時(shí)間過短,難以看清電流表的示數(shù).

        師:你們是如何解決這個(gè)問題的?

        生:“跳泡”閃爍過快時(shí),斷開開關(guān),再次閉合開關(guān)后,在“跳泡”開始閃爍之前就讀出兩電表的示數(shù).

        師:實(shí)驗(yàn)時(shí),你們是否關(guān)注過電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況?有何不同?

        生:電壓表和電流表的指針偏轉(zhuǎn)方向相反,當(dāng)“跳泡”熄滅時(shí),電流表示數(shù)變小到零,電壓表的示數(shù)增大,如圖4所示.

        圖4 “跳泡”熄滅時(shí),電壓表和電流表的示數(shù)變化

        師:請對照電路圖分析,“跳泡”熄滅時(shí),電流表無示數(shù)和電壓表示數(shù)增大的原因?

        生:“跳泡”熄滅時(shí),電路斷路,則電路中沒有電流,電流表無示數(shù). “跳泡”與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)分壓,當(dāng)“跳泡”工作時(shí),電壓表測量的是“跳泡”兩端的電壓,小于電源電壓,當(dāng)“跳泡”熄滅時(shí),電壓表測量的是電源電壓,所以電壓表的示數(shù)增大.

        進(jìn)階評測:綜合以分析為基礎(chǔ),全面加工各要素并重新組合成整體,以便創(chuàng)造性地解決問題.本環(huán)節(jié)中的綜合體現(xiàn)在3個(gè)方面:

        一是在分析得出“跳泡”的功能后,將其與學(xué)生熟悉的小燈泡組合起來,以達(dá)成自制小彩燈的目的,創(chuàng)設(shè)綜合進(jìn)階的情境.

        二是伏安法測可變的“跳泡”電阻時(shí),移動(dòng)滑片不為多次測量求平均值,而是保證“跳泡”在額定電壓下工作,以測量其正常工作電流,可視為學(xué)生在新情境中創(chuàng)造性地解決問題.

        三是由于“跳泡”工作的特殊性,實(shí)現(xiàn)了正常測量和“故障現(xiàn)象”的綜合,即“跳泡”熄滅時(shí),出現(xiàn)電壓表和電流表示數(shù)的反常變化.

        檢測故障是一類較難的電學(xué)問題,不少學(xué)生難以厘清,借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的意外,能引發(fā)學(xué)生的主動(dòng)思考,促進(jìn)學(xué)生對電路故障的深度理解.

        2.4 實(shí)用主義下的創(chuàng)造性整合

        環(huán)節(jié)四:探究小彩燈的內(nèi)部構(gòu)造

        師:一串小彩燈,如果其中一個(gè)被燒壞了,其他還能工作嗎?為什么?

        生:不能工作,因?yàn)榇?lián)電路只有一條電流路徑,一處斷開,則無法工作.

        師:因?yàn)橐粋€(gè)燈泡,整串小彩燈都不能工作還真可惜,實(shí)用性不強(qiáng),有無改進(jìn)方法?

        演示:換上一個(gè)燒斷燈絲的小彩燈,閉合開關(guān),其他小彩燈都能發(fā)光.(生很驚詫)

        師:燒壞的小彩燈處是否斷路?此處接通但是燈泡不亮有可能是什么情況?

        生:其他串聯(lián)燈泡能發(fā)光說明燒壞的小彩燈處是接通的,有可能燈泡內(nèi)發(fā)生短路.

        師:燈絲燒斷了,電流還可以通過燈泡內(nèi)的金屬絲,那么燈絲和金屬絲該如何連接呢?

        學(xué)生活動(dòng)5:觀察小彩燈內(nèi)部燈絲和金屬絲的連接方式(圖5)

        圖5 小彩燈內(nèi)部燈絲和金屬絲連接方式

        師:小彩燈內(nèi)部的燈絲和金屬絲是并聯(lián)的,那么彩燈正常工作時(shí),燈絲為什么不會(huì)被金屬絲短路?

        生:有可能金屬絲的電阻很大,相當(dāng)于斷路,正常工作時(shí),電流只通過燈絲,若燈絲燒斷,則電流會(huì)通過金屬絲.

        師:若金屬絲電阻比燈絲電阻大很多,根據(jù)串聯(lián)電路分壓的特點(diǎn),請你推測其他小彩燈的發(fā)光情況?

        生:串聯(lián)電路中金屬絲的電阻很大,則金屬絲兩端分到的電壓很大,其他小彩燈分到的電壓很小,則小彩燈的亮度明顯變暗.

        師:然而小彩燈燒斷后其他小彩燈并沒有變暗,可見金屬絲的電阻不能比燈絲大,要實(shí)現(xiàn)工作時(shí)電流不通過金屬絲,還有個(gè)巧妙的方法,在金屬絲的表面涂上絕緣層,當(dāng)燈絲燒斷時(shí),金屬絲兩端的電壓很大,瞬間擊穿絕緣層,連通金屬絲和金屬桿,則電流通過金屬絲,使其他小燈泡繼續(xù)發(fā)光.

        進(jìn)階評測:創(chuàng)造是對知識材料進(jìn)行深度加工,理性深刻地對事物本質(zhì)作出判斷,并發(fā)展出新知識的過程,屬于最高階的認(rèn)知目標(biāo).串聯(lián)電路某處斷開,則整個(gè)電路不通電,是本課伊始判斷彩燈連接方式的依據(jù),而實(shí)際情況往往比較復(fù)雜,需要突破常規(guī)思維,才能有所創(chuàng)新.怎樣在串聯(lián)電路中實(shí)現(xiàn)燈泡間的互不干擾,這需要學(xué)生創(chuàng)造性思維的參與.一是整合思維:將燈絲和金屬絲并聯(lián),保證有備用路徑;使短路和斷路共存,實(shí)現(xiàn)電路暢通;二是批判思維:思考金屬絲在燈絲正常與燒斷時(shí)如何工作,依據(jù)猜測推導(dǎo)出與事實(shí)矛盾的現(xiàn)象,旨在鼓勵(lì)質(zhì)疑和反思;三是發(fā)散思維:學(xué)生受經(jīng)驗(yàn)水平所限,難以提出金屬絲表面涂絕緣層的方法,可直接告知以拓展學(xué)生視野,啟迪多角度思考的意識,以達(dá)成深刻理解構(gòu)造本質(zhì).

        3 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知發(fā)展課堂反思

        本節(jié)課的實(shí)施情況是:各個(gè)環(huán)節(jié)清晰,層層遞進(jìn);活動(dòng)有序開展,難度逐步升級;課堂生動(dòng)活潑,時(shí)有驚嘆感慨;學(xué)生熱情高漲,探究意識濃厚.可見,相比常規(guī)復(fù)習(xí)課堂,無論是知識回顧式或練習(xí)講評式,認(rèn)知目標(biāo)進(jìn)階式的課堂都更勝一籌.遞進(jìn)式的任務(wù)型課堂,能有效激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性,有效推動(dòng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展.

        復(fù)習(xí)課上明晰的探究主線,進(jìn)階的學(xué)習(xí)任務(wù),得益于精心創(chuàng)設(shè)的情境,本課使用小彩燈作為探究對象,原因有二:一是學(xué)生困惑于作業(yè)中的“小彩燈燒斷不影響串聯(lián)的其他燈工作”;二是恰逢新年,小彩燈正是常見裝飾物.確定探究對象后,需根據(jù)知識序列和認(rèn)知目標(biāo),充分挖掘探究要點(diǎn),如彩燈連接方式、彩燈閃爍原理等,由易到難逐級排列,促使探究不斷走向深入,促使認(rèn)知不斷走向高階.

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