以問題情境搭建“腳手架”的案例分析
——以“研究閉合電路”教學為例

梁淑媚 王笑君

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 問題的提出

根據(jù)認知理論，物理課堂教學過程應該是以不斷地提出問題并解決問題的方式來獲取新知識的問題性思維過程[1]．相應地，讓學生通過解決問題來獲得相應圖式的“問題教學”模式受到廣大教師的推崇，也成為了教育領域研究的熱點之一．而弄清楚什么是“問題”是理解“問題教學”的前提．“問題”不等同于“發(fā)問”或“提問”，它可以指教師設置的需要學生回答或應對的難題與障礙(question)，如教師精心設計的課堂提問和習題；還可以指與教學過程相關的現(xiàn)實社會與生活中的真實困境(problem)，如“用電高峰時為什么燈光變暗”、“為什么加入磁場后陰極射線偏轉(zhuǎn)”等源于生活和實驗的學生存在疑惑的情境[2]．

符合學生認知規(guī)律的問題情境能激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生思考．而過于頻繁的“低層次”設問、知識梯度較大的提問、復雜的真實困境等，都可能打擊學生的參與熱情和思維的積極性．因此，問題情境的創(chuàng)設應該與教學梯度相結合，符合學生的認識發(fā)展，以便于為學生搭建“支架”，使學生真正“卷入”到學習活動中．

“支架式教學” 的思想源于前蘇聯(lián)著名心理學家維果茨基創(chuàng)建的“最近發(fā)展區(qū)”理論， “支架”原意為建筑行業(yè)中的“腳手架”，在這里形象地描述一種教學方式：教師按照學生智力的“最近發(fā)展區(qū)”建立概念框架，借助這種腳手架的支撐作用把學生的智力從已經(jīng)達到的水平提升到潛在的可能達到的水平．因而，支架式教學實際上就是最近發(fā)展區(qū)內(nèi)的教與學[3],如圖1所示．

圖1 “支架式教學”與“最近發(fā)展區(qū)”理論之間的關系

綜上所述，教師應該事先把復雜的學習任務加以分解，為學生知識的建構提供一種概念框架．一方面，“支架”的高度要符合學生的認識發(fā)展，有利于學生逐步攀升；另一方面，在梯度較大的支架間為學生提供“攀爬工具”——恰當?shù)膯栴}情境，幫助學生越過學習困境．換言之，教師需要用不同層次、不同類型的問題情境幫助學生搭建學習腳手架，隨著問題的提出和解決，引導學生逐步深入，達到預設的能力生成要求．

下面，以粵教版選修3-1第二章第3節(jié)“研究閉合電路”一課為例，作一介紹和說明．

2 案例背景

2.1 教材分析

在教材中，本節(jié)內(nèi)容分為以下4個部分：電動勢、閉合電路歐姆定律、路端電壓與負載的關系、測量電源的電源和內(nèi)阻．由于內(nèi)容較多，分為兩個課時．在此討論第一課時，關于電動勢、閉合電路歐姆定律的教學思考．

“電動勢”、“閉合電路歐姆定律”是電學的核心知識，是學生對電路的認識從部分電路上升到全電路的關鍵．課程標準對本節(jié)課的要求是“知道電源的電動勢和內(nèi)阻，理解閉合電路的歐姆定律”．教材通過比較常用電源不接用電器時兩極間的電壓，引出描述電源特性的物理量“電動勢”；利用學生學過的銅鋅原電池開展探究電動勢、路端電壓、內(nèi)電壓三者關系的實驗，繼而結合部分電路歐姆定律理論推導出閉合電路歐姆定律．綜上所述，“電動勢的概念和閉合電路歐姆定律的內(nèi)容”是本節(jié)課的教學重點．

2.2 教學任務分析

(1)學生原有水平及學習能力分析

知識方面：學生熟悉電學的基本規(guī)律，掌握了電場力、電勢能等電場知識．

能力方面：學生具備開展和分析電學實驗的能力．

認知困難：教材對電動勢概念的處理過于簡單，電動勢與電壓又有相同的單位，容易讓學生產(chǎn)生電動勢就是電壓的錯誤認識．對于電源內(nèi)阻，學生缺乏感性認識，較為抽象．

(2)學生要達到的教學目標

了解電源在電路中的作用，理解電源電動勢和內(nèi)阻的概念．理解閉合電路歐姆定律，能計算相關電路問題．

3 案例呈現(xiàn)

3.1 創(chuàng)設情境 引入新課

(1)學生實驗：電池是否合格？

向每組學生提供一組生活中常見的電池(如干電池、疊層電池、手機電池等)，以“檢查電池是否合格”為由，讓學生用電壓表測量部分電池兩極之間的電壓，幫助學生認識常用電池，活躍課堂氣氛．

(2)演示實驗：小燈泡為什么沒有燒壞？

教師提出問題：如果用9 V疊層電池直接對圖2所示的由“3.8 V，0.5 A”小燈泡組成的電路供電，將會出現(xiàn)什么樣的情況呢？討論中，絕大多數(shù)學生認為小燈泡很亮或者被燒壞．教師演示實驗，小燈泡不但沒有被燒壞，而且亮度比較低．學生驚奇：小燈泡為什么沒有燒壞？難道電池提供給小燈泡的電壓小于3.8 V？(注：疊層電池內(nèi)阻一般在10 Ω左右)

圖2 演示實驗電路圖

設計意圖：差異性問題是指結果出乎意料之外的、與學生前概念或常識相違背的科學實驗．通過演示此類實驗，能引發(fā)學生強烈的認知沖突，產(chǎn)生認知動機，激發(fā)學生的學習興趣．

3.2 理論推導 建立概念

3.2.1 電動勢

(1)討論：電源的作用(非靜電力做功)

學生知道電源的作用是為電路提供穩(wěn)定的電勢差，但對其微觀原理了解較少．

支架1：

1)你能用電場知識分析電源外部電路的工作原理嗎？

2)為什么電源能維持穩(wěn)定的電勢差？

3)電源內(nèi)部電路中電荷的運動情況又如何？(小組討論)

4)在電源內(nèi)部，是什么作用使正電荷實現(xiàn)從負極到正極的移動？

幫助學生從微觀角度認識電源內(nèi)部工作原理．

支架2：展示如圖3所示的乒乓球模式，通過“乒乓球如何從低處移到高處”的問題啟發(fā)學生對問題4)的思考．教師啟發(fā)，引導學生建立“電源內(nèi)部非靜電力做功”的認識．

圖3 通過乒乓球模式引導認識“電源內(nèi)部非靜電力做功”

支架3：借助flash動畫模擬電源內(nèi)部非靜電力“搬運電荷”的情景，幫助學生建立形象的物理情景．

但“非靜電力”是什么力呢？通過列舉化學電池、發(fā)電機等生活實例，進一步認識“非靜電力”的意義．

(2)建立概念：電動勢

教師指出，物理上用物理量“電動勢”來描述電源非靜電力做功的本領，并引導學生對比電勢差和電動勢的定義式，讓學生親自發(fā)現(xiàn)兩者的本質(zhì)差異，突破難點．

設計意圖:“電動勢”的概念框架如圖4所示．圍繞電源的工作原理，利用電學與電場新舊知識的聯(lián)系創(chuàng)設階梯式的問題情境，搭建問題型支架，引導學生經(jīng)歷概念建構的思維過程．對于思維梯度較大的問題，利用類比模式、動畫模擬為學生創(chuàng)設情境，為學生提供解決問題的模型，搭建工具支架，化抽象為具體．

圖4 “電動勢”概念框架圖

3.2.2 內(nèi)電阻

(1)學生實驗：觀察小燈泡的發(fā)光情況

圖5 學生分組實驗電路圖

支架：開展學生分組實驗(如圖5所示)，逐個閉合開關，觀察小燈泡的發(fā)光情況．當學生都努力思考現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，甚至反復進行實驗時，教師建議：用電壓表測量小燈泡兩端的電壓，重復實驗．

(2)討論：為什么小燈泡亮度發(fā)生變化？

針對兩次實驗觀察到的現(xiàn)象開展小組討論，由學生總結得到：電源有電阻．在學生發(fā)現(xiàn)“內(nèi)電阻”后，教師指出全電路的等效電路圖及相關定義，幫助學生全面認識閉合電路．

設計意圖:“內(nèi)電阻”的概念框架如圖6所示．精心設計的物理實驗在帶給學生驚奇、疑惑和矛盾的同時，也能激發(fā)他們強烈的求知欲望，尤其是學生分組實驗．運用實驗創(chuàng)設問題情境，搭建實驗型支架，使學生形成對未知知識的需要和探索，引導學生感性認識內(nèi)電阻對電路帶來影響．而當學生在獨立探究的過程中陷入困境時，教師恰當?shù)慕ㄗh能把學生引領到問題的關鍵點上，為進一步探究提供支持．此外，留給學生足夠的“等待時間”，鼓勵小組討論，有利于提高課堂參與度和關注度，提高學習效果．

圖6 “內(nèi)電阻”的概念框架圖

3.3 實驗探究 發(fā)現(xiàn)規(guī)律

(1)實驗探究：E，U外，U內(nèi)三者之間有什么定量關系？

支架：分析電路中電勢的升和降，引出探究問題．由此，教師與學生討論3個物理量的測量方法，一同設計實驗電路(如圖7所示)，帶動學生參與課堂．結合教材，本實驗選用鋅銅原電池，在稀硫酸中加入了高錳酸鉀飽和溶液，起到穩(wěn)定電壓的作用．采用DIS電壓傳感器測量電壓，數(shù)據(jù)顯示在大屏幕上，提高實驗可視性．

圖7 探究閉合電路歐姆定律的實驗

(2)實驗總結：閉合電路歐姆定律

引導學生觀察分析實驗數(shù)據(jù)，推導出三者的關系．要求學生結合部分電路歐姆推導出電流與電動勢的關系，得到閉合電路歐姆定律．使學生對電路的認識從部分電路上升到全電路，突出重點．

設計意圖：“閉合電路歐姆定律”的概念框架如圖8所示．利用演示實驗創(chuàng)設情境，針對實驗方案、器材選擇、數(shù)據(jù)記錄等方面設疑，引導學生經(jīng)歷實驗探究的思維過程．而DIS數(shù)據(jù)采集器使實驗數(shù)據(jù)可視化，使每位學生都能實時觀察到示數(shù)的變化，提高課堂關注度．由實驗數(shù)據(jù)直接推理出E，U外，U內(nèi)三者的定量關系，直觀性強，便于學生理解．由此搭建的實驗型支架，為學生進一步分析推理閉合電路歐姆定律提供了可靠的事實依據(jù)．

圖8 “閉合電路歐姆定律”概念框架圖

3.4 總結歸納 鞏固提高

鞏固練習：如圖2所示，電路由3個“3.8 V，0.5 A”的小燈泡并聯(lián)組成，測量得9 V疊成電池的參數(shù)是“9 V，10 Ω”，請計算小燈泡兩端電壓．

設計意圖：以計算題的形式揭秘導入實驗，在熟悉閉合電路歐姆定律計算的同時，讓學生親自發(fā)現(xiàn)其中的奧秘，體驗物理學習的樂趣．

4 反思及結語

教師通過對教材內(nèi)容、教學任務的分析，確定教學的知識順序和需要提供的教學條件，并以此建構概念框架，選擇合適的支架類型．在此過程中，教師除了思考“支架”的高度，使其符合學生的認知發(fā)展規(guī)律外，還要思考與支架搭配的問題情境．如利用電學和電場新舊知識的聯(lián)系，搭建問題支架，引領學生探討電源能維持穩(wěn)定電壓的奧秘；利用學生分組實驗創(chuàng)設情境，營造濃厚的研究、討論氛圍，搭建實驗型支架，幫助學生感性認識內(nèi)電阻．教師需要用不同層次、不同類型的問題情境幫助學生搭建學習支架，隨著這些問題的解決，學生的學習也將逐漸深入．根據(jù)概念框架創(chuàng)設問題情境，使其成為學生學習的腳手架，能有效實現(xiàn)問題教學的價值．

參考文獻

1 趙順法.物理課堂教學中創(chuàng)設問題情境的研究.中學物理教學參考,2000(04):10～13

2 羅祖兵.教育學問題教學:涵義、價值與操作.高等教育研究,2010(03):71～75

3 王海珊.教與學的有效互動——簡析支架式教學.福建師范大學學報(哲學社會科學版),2005(01):140～143