基于物理核心素養(yǎng)理念下的學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)設(shè)計
——以“安培力的方向判斷”為例

馬佳宏 韓敘虹

(北京市第八十中學(xué),北京 100102)

教育的變革與進(jìn)步是贏得21世紀(jì)人才競爭的關(guān)鍵,當(dāng)代教育變革的主題是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．為實(shí)現(xiàn)促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展這一教育目標(biāo),作為一線教師,要學(xué)習(xí)如何根據(jù)課程和實(shí)際學(xué)情分析,系統(tǒng)規(guī)劃教學(xué)活動,科學(xué)地引導(dǎo)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．在科學(xué)教育領(lǐng)域,學(xué)者們通過圍繞大概念的整合,設(shè)計基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的發(fā)展規(guī)劃,以此來統(tǒng)籌學(xué)生核心素養(yǎng)的整合發(fā)展．以北師大的郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)提出的學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型,對中學(xué)物理課堂改革給出了指導(dǎo)性的教學(xué)建議,以此為基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計的實(shí)踐和研究,正逐步在中學(xué)物理課堂中得以推廣和應(yīng)用．

本文以學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型為指導(dǎo),通過對安培力一節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)分析,最終確定以安培力的方向判斷做為知識載體,在課上開展了這樣一節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計的教學(xué)實(shí)踐,取得了很好的課堂教學(xué)效果．

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階層級模型

關(guān)于面向核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階方面,郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)在層級復(fù)雜度(hierarchical complexity)和知識整合(knowledge integration)等認(rèn)知理論的基礎(chǔ)上,提出了科學(xué)概念理解發(fā)展的層級模型(如表1)．以此模型中的層級為進(jìn)階變量,描述了能量、機(jī)械運(yùn)動與力、電與磁等核心概念的各級表現(xiàn)期望,使用大樣本測試的方法收集了中學(xué)階段不同年級學(xué)生表現(xiàn)的數(shù)據(jù),對預(yù)設(shè)的表現(xiàn)期望進(jìn)行了實(shí)證檢驗(yàn)．通過數(shù)輪的檢驗(yàn),調(diào)整、完善理論預(yù)設(shè),為這些核心概念建構(gòu)了契合我國學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)進(jìn)階．

表1 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

可見,什么是學(xué)習(xí)進(jìn)階?學(xué)習(xí)進(jìn)階是指“對學(xué)生在一個時間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時,依次進(jìn)階、逐級深化的思維方式的描述”．基于復(fù)雜度模型,刻畫學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展過程:事實(shí)經(jīng)驗(yàn)→映射→關(guān)聯(lián)→系統(tǒng)→整合．通過對物理學(xué)科科學(xué)核心概念和關(guān)鍵科學(xué)能力的進(jìn)階描述,落實(shí)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的準(zhǔn)確把控,明確學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望整合的科學(xué)概念和能力,以及中間認(rèn)知狀態(tài),并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行學(xué)情分析,描繪出學(xué)習(xí)軌跡．以學(xué)習(xí)軌跡為腳本,創(chuàng)設(shè)情境和驅(qū)動問題,進(jìn)行課堂教學(xué),以此實(shí)現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．

以下是筆者以公開教學(xué)的一節(jié)朝陽區(qū)區(qū)級研究課“安培力”為例,重點(diǎn)闡釋了如何開展“安培力方向判斷”的進(jìn)階教學(xué)實(shí)施．

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的“安培力方向判斷”的教學(xué)設(shè)計與實(shí)踐

2.1 環(huán)節(jié)1:經(jīng)驗(yàn)

重現(xiàn)原有知識經(jīng)驗(yàn)——通電直導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用.

課堂小魔術(shù):安培力演示儀(圖1)隨意控制銅棒運(yùn)動的方向．

實(shí)驗(yàn)原理:利用單刀雙擲開關(guān)控制電流方向,從而改變導(dǎo)體棒的受力方向(圖2)．

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器圖

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

師:導(dǎo)致銅棒運(yùn)動的原因?

生:受力.

師:這個力是誰施加的?

生:磁場、電流．

小結(jié):通過初中的學(xué)習(xí)已知通電直導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用，稱該力為安培力．

思考:安培力的方向和什么物理量有關(guān)?老師為什么可以隨意控制它的運(yùn)動方向?

2.2 環(huán)節(jié)2:映射

構(gòu)建映射關(guān)系——找到與安培力方向相關(guān)的物理量．

問:根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)及初中知識,猜想安培力方向和什么物理量有關(guān)?

生:安培力方向可能和磁場方向、電流方向有關(guān)．

問:若磁場方向改向,受力方向會變化嗎?電流方向反向,受力方向又會怎樣變化?

生:受力方向均會變成反向．

演示實(shí)驗(yàn):改變磁場方向和電流方向,驗(yàn)證猜想．

小結(jié):實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與大家猜想的情況一致．可見,安培力的方向確實(shí)受這兩個因素的制約．

圖3 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

2.3 環(huán)節(jié)3:關(guān)聯(lián)

構(gòu)建具體關(guān)系——通過學(xué)生實(shí)驗(yàn),自己探討安培力的方向和磁場方向以及電流方向之間的聯(lián)系．

學(xué)生實(shí)驗(yàn):安培力的方向和磁場方向以及電流方向之間的關(guān)系．

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究,實(shí)驗(yàn)操作如圖3,采用控制變量法,通過改變磁場方向和電流方向,共得到4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并在學(xué)案中記錄電流、磁場和所受安培力的方向．嘗試從自己的數(shù)據(jù)(表2)中,總結(jié)規(guī)律,得出它們之間的具體關(guān)系．

表2 實(shí)驗(yàn)記錄表

小結(jié):電流、磁場及所受安培力的方向,3者相互垂直．

進(jìn)一步引導(dǎo):再具體的關(guān)系呢?例如給定某個磁場的方向,在其中放入一根通電直導(dǎo)線,該如何判斷直導(dǎo)線所受安培力的方向呢?

(學(xué)生不能很好判斷)

2.4 環(huán)節(jié)4:系統(tǒng)

尋找共性關(guān)系——制作安培力模型,尋求電流、磁場及所受安培力3者方向間的關(guān)系．

介紹制作安培力模型:提供每個小組的器材有橡皮泥和3根火柴棒．用火柴頭表示箭頭代表方向,黑色的火柴表示磁場的方向,條紋的火柴表示電流的方向,原色的火柴表示安培力的方向．運(yùn)用探究實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)情況,完成安培力模型的制作．

學(xué)生動手操作,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將火柴棒插在橡皮泥上,制作得到如圖4的安培力模型．

圖4 安培力模型

師:事先,我并沒有檢查大家前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確,現(xiàn)在請所有小組把你們制作的安培力模型放在一起．請告訴我,你們發(fā)現(xiàn)了什么?

生:所有模型完全一樣．

師:你們商量過用哪組實(shí)驗(yàn)情況了嗎?

生:沒有．

師:沒有商量,隨機(jī)實(shí)驗(yàn),而結(jié)果是所有模型卻完全一樣,看來安培力的方向和磁場方向以及電流方向確實(shí)存在著某種關(guān)聯(lián)．現(xiàn)在請同學(xué)們通過觀察尋找這種特殊的關(guān)聯(lián)．

生:(不自覺地拿起3個手指,分別指向3個相互垂直的方向,分別代表三者之一;或者指向墻角)

師:同學(xué)們的方法非常棒!但是墻角不會轉(zhuǎn)動,而磁場和電流方向是會發(fā)生變化的,這樣的話,我們判斷起來就不太方便,但是手是可以靈活轉(zhuǎn)動的,所以想到用手的同學(xué)真的非常高明.科學(xué)家們給出了一種類似于3根手指的很形象的方法,叫“左手定則”來判斷安培力的方向．

學(xué)生按照左手定則,對探究實(shí)驗(yàn)得到的情況逐個驗(yàn)證,均正確．

2.5 環(huán)節(jié)5:整合

構(gòu)建科學(xué)觀念、學(xué)科之間的聯(lián)系——磁場整合、數(shù)學(xué)物理整合．

師:實(shí)際上,安培力的方向一定垂直于磁場的方向和電流的方向.這一規(guī)律正好符合數(shù)學(xué)中矢量叉乘的結(jié)果．而剛才同學(xué)想到的3根手指的方法,就是我們大學(xué)生中,判斷叉乘結(jié)果的一個非常好的方法．具體是怎么叉乘?有興趣的同學(xué)可以課下自己進(jìn)一步去研究．大家可以看到,這是我們在磁場中第二次用到手,以后我們還會用到手來判斷關(guān)于方向的問題．手在磁場這一個板塊的學(xué)習(xí)中起到了非常關(guān)鍵的作用,希望大家都能夠用好自己的手．

現(xiàn)在讓同學(xué)們也來做做魔術(shù)師,判斷一下課堂開始時實(shí)驗(yàn)中的銅棒會往哪邊運(yùn)動．

(學(xué)生實(shí)驗(yàn))

3 教學(xué)啟示

通過課堂教學(xué)實(shí)踐,筆者深深地體會到學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對課堂教學(xué)的指導(dǎo)意義,包括以下幾個方面.

3.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階有助于學(xué)生構(gòu)建知識體系

國外研究者認(rèn)為,以整合的知識體系為核心、圍繞少數(shù)概念進(jìn)行深入探究的進(jìn)階學(xué)習(xí),能夠有效改變其“廣而淺”的科學(xué)學(xué)習(xí)現(xiàn)狀,最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展．本課例圍繞“安培力方向判斷”這一核心知識,由簡單的現(xiàn)象出發(fā),從特殊到一般,深入研究,直到學(xué)生完整的歸納總結(jié)出安培力方向是如何判斷的．使學(xué)生形成完整的、系統(tǒng)的知識脈絡(luò)．不再覺得安培定則就是教師硬塞給他們的一個記憶工具．

3.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階有助于學(xué)生跨越知識之“階”習(xí)

教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生在系列概念認(rèn)知發(fā)展歷程中,存在著概念之“階”現(xiàn)象,從而成為教學(xué)難點(diǎn)．對課堂中“階”的理解以及如何設(shè)計教學(xué)以促進(jìn)學(xué)生跨越“階”最能體現(xiàn)教師教學(xué)智慧．學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)概念是學(xué)生的一種“信念”,在教學(xué)中可以看作是活動的假設(shè),教學(xué)過程則是不斷對這個信念提供證據(jù)以證實(shí)或證偽的過程．圍繞“進(jìn)階”設(shè)計核心活動,有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)“階”的跨越,也有助于教師在教學(xué)設(shè)計時找到抓手．本課例中就通過臺階引導(dǎo)學(xué)生自己往目的地走．不需要教師生拉硬拽,而是學(xué)生知道目的——安培力方向判斷之后,發(fā)現(xiàn)教師搭建的臺階——安培力模型的制作過程,自己摸索著往上爬．這樣獲得的知識更為牢固可靠．

3.3 學(xué)習(xí)進(jìn)階有助于學(xué)生發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)教育應(yīng)該從學(xué)生感興趣并與他們生活相關(guān)的課題開始,逐步進(jìn)展到掌握大概念．科學(xué)教育所有課程活動都應(yīng)該致力于深化學(xué)生對科學(xué)概念的理解,同時應(yīng)該考慮其他可能的目標(biāo)．例如,科學(xué)態(tài)度和能力的培養(yǎng)．本課例中,學(xué)生就體會到了如何從特殊到一般,也體會到了總結(jié)歸納．從學(xué)生熟悉的事物、已有的知識經(jīng)驗(yàn)出發(fā),在完成對概念逐“階”建構(gòu)的同時,側(cè)重于對學(xué)生科學(xué)思維能力的逐漸提升．構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階,能較好地呈現(xiàn)概念發(fā)展進(jìn)程,符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的連續(xù)一致發(fā)展．