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.