基于物理核心素養理念下的學習進階教學設計
——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,北京 100102)

教育的變革與進步是贏得21世紀人才競爭的關鍵,當代教育變革的主題是促進學生核心素養的發展．為實現促進核心素養發展這一教育目標,作為一線教師,要學習如何根據課程和實際學情分析,系統規劃教學活動,科學地引導學生核心素養的發展．在科學教育領域,學者們通過圍繞大概念的整合,設計基于學習進階的發展規劃,以此來統籌學生核心素養的整合發展．以北師大的郭玉英教授及其團隊提出的學習進階層級模型,對中學物理課堂改革給出了指導性的教學建議,以此為基礎的教學設計的實踐和研究,正逐步在中學物理課堂中得以推廣和應用．

本文以學習進階層級模型為指導,通過對安培力一節進行系統分析,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學習進階的教學設計的教學實踐,取得了很好的課堂教學效果．

1 學習進階層級模型

關于面向核心概念的學習進階方面,郭玉英教授及其團隊在層級復雜度(hierarchical complexity)和知識整合(knowledge integration)等認知理論的基礎上,提出了科學概念理解發展的層級模型(如表1)．以此模型中的層級為進階變量,描述了能量、機械運動與力、電與磁等核心概念的各級表現期望,使用大樣本測試的方法收集了中學階段不同年級學生表現的數據,對預設的表現期望進行了實證檢驗．通過數輪的檢驗,調整、完善理論預設,為這些核心概念建構了契合我國學生實際的學習進階．

表1 科學概念理解的發展層級模型

可見,什么是學習進階?學習進階是指“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時,依次進階、逐級深化的思維方式的描述”．基于復雜度模型,刻畫學生的學習發展過程:事實經驗→映射→關聯→系統→整合．通過對物理學科科學核心概念和關鍵科學能力的進階描述,落實對學生學習狀態的準確把控,明確學生現有認知狀態和期望整合的科學概念和能力,以及中間認知狀態,并以此為基礎進行學情分析,描繪出學習軌跡．以學習軌跡為腳本,創設情境和驅動問題,進行課堂教學,以此實現學生核心素養的發展．

以下是筆者以公開教學的一節朝陽區區級研究課“安培力”為例,重點闡釋了如何開展“安培力方向判斷”的進階教學實施．

2 學習進階視域下的“安培力方向判斷”的教學設計與實踐

2.1 環節1:經驗

重現原有知識經驗——通電直導線在磁場中會受到力的作用.

課堂小魔術:安培力演示儀(圖1)隨意控制銅棒運動的方向．

實驗原理:利用單刀雙擲開關控制電流方向,從而改變導體棒的受力方向(圖2)．

圖1 實驗儀器圖

圖2 實驗原理圖

師:導致銅棒運動的原因?

生:受力.

師:這個力是誰施加的?

生:磁場、電流．

小結:通過初中的學習已知通電直導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?老師為什么可以隨意控制它的運動方向?

2.2 環節2:映射

構建映射關系——找到與安培力方向相關的物理量．

問:根據生活經驗及初中知識,猜想安培力方向和什么物理量有關?

生:安培力方向可能和磁場方向、電流方向有關．

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．

演示實驗:改變磁場方向和電流方向,驗證猜想．

小結:實驗結果顯示與大家猜想的情況一致．可見,安培力的方向確實受這兩個因素的制約．

圖3 學生分組實驗

2.3 環節3:關聯

構建具體關系——通過學生實驗,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系．

學生實驗:安培力的方向和磁場方向以及電流方向之間的關系．

學生分組實驗探究,實驗操作如圖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組實驗數據,并在學案中記錄電流、磁場和所受安培力的方向．嘗試從自己的數據(表2)中,總結規律,得出它們之間的具體關系．

表2 實驗記錄表

小結:電流、磁場及所受安培力的方向,3者相互垂直．

進一步引導:再具體的關系呢?例如給定某個磁場的方向,在其中放入一根通電直導線,該如何判斷直導線所受安培力的方向呢?

(學生不能很好判斷)

2.4 環節4:系統

尋找共性關系——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．運用探究實驗獲得的實驗情況,完成安培力模型的制作．

學生動手操作,根據實驗結果,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驗結果是否正確,現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,你們發現了什么?

生:所有模型完全一樣．

師:你們商量過用哪組實驗情況了嗎?

生:沒有．

師:沒有商量,隨機實驗,而結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存在著某種關聯．現在請同學們通過觀察尋找這種特殊的關聯．

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:同學們的方法非常棒!但是墻角不會轉動,而磁場和電流方向是會發生變化的,這樣的話,我們判斷起來就不太方便,但是手是可以靈活轉動的,所以想到用手的同學真的非常高明.科學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．

學生按照左手定則,對探究實驗得到的情況逐個驗證,均正確．

2.5 環節5:整合

構建科學觀念、學科之間的聯系——磁場整合、數學物理整合．

師:實際上,安培力的方向一定垂直于磁場的方向和電流的方向.這一規律正好符合數學中矢量叉乘的結果．而剛才同學想到的3根手指的方法,就是我們大學生中,判斷叉乘結果的一個非常好的方法．具體是怎么叉乘?有興趣的同學可以課下自己進一步去研究．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于方向的問題．手在磁場這一個板塊的學習中起到了非常關鍵的作用,希望大家都能夠用好自己的手．

現在讓同學們也來做做魔術師,判斷一下課堂開始時實驗中的銅棒會往哪邊運動．

(學生實驗)

3 教學啟示

通過課堂教學實踐,筆者深深地體會到學習進階理論對課堂教學的指導意義,包括以下幾個方面.

3.1 學習進階有助于學生構建知識體系

國外研究者認為,以整合的知識體系為核心、圍繞少數概念進行深入探究的進階學習,能夠有效改變其“廣而淺”的科學學習現狀,最終實現科學素養的發展．本課例圍繞“安培力方向判斷”這一核心知識,由簡單的現象出發,從特殊到一般,深入研究,直到學生完整的歸納總結出安培力方向是如何判斷的．使學生形成完整的、系統的知識脈絡．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 學習進階有助于學生跨越知識之“階”習

教學實踐表明,學生在系列概念認知發展歷程中,存在著概念之“階”現象,從而成為教學難點．對課堂中“階”的理解以及如何設計教學以促進學生跨越“階”最能體現教師教學智慧．學生的經驗概念是學生的一種“信念”,在教學中可以看作是活動的假設,教學過程則是不斷對這個信念提供證據以證實或證偽的過程．圍繞“進階”設計核心活動,有助于學生實現“階”的跨越,也有助于教師在教學設計時找到抓手．本課例中就通過臺階引導學生自己往目的地走．不需要教師生拉硬拽,而是學生知道目的——安培力方向判斷之后,發現教師搭建的臺階——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 學習進階有助于學生發展科學素養

科學教育應該從學生感興趣并與他們生活相關的課題開始,逐步進展到掌握大概念．科學教育所有課程活動都應該致力于深化學生對科學概念的理解,同時應該考慮其他可能的目標．例如,科學態度和能力的培養．本課例中,學生就體會到了如何從特殊到一般,也體會到了總結歸納．從學生熟悉的事物、已有的知識經驗出發,在完成對概念逐“階”建構的同時,側重于對學生科學思維能力的逐漸提升．構建學習進階,能較好地呈現概念發展進程,符合學生認知發展規律,促進科學素養的連續一致發展．