基于學習進階的課前學習診斷教學整合研究

張宇 劉文慧

摘?要：以“電磁感應現象的兩類情況”為例，闡述了基于學習進階進行課前學習診斷的教學整合策略，主要包括：從宏觀層面構建高中學段電磁感應主題的學習進階路徑;基于進階假設從微觀層面分析具體教學內容;基于概念理解的發展層級模型進行課前學習診斷;基于課前學習診斷確定學習進階的關鍵點;基于學習進階的課前學習診斷進行教學整合設計.

關鍵詞：課前學習;教學整合;學習進階;診斷教學

文章編號：1008-4134（2020）07-0022中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目：北京市教育科學“十三五”?規劃2018年度一般課題“基于課前學習診斷的教學整合模式研究”（項目編號：CDDB18155）;北京市西城區教育科學規劃2018年度教師專項課題“高中物理課前自主學習資源開發與指導策略研究”.

作者簡介：

張宇（1992-），女，北京人，碩士，中學二級教師，研究方向：中學物理教學研究;

劉文慧（1978-），女，山西人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學研究.

“整合與發展”已經成為當代基礎教育改革的核心理念.“整合”是通過圍繞大概念組織知識內容，構建概念之間的聯系，使以往科學課程中的零散概念達成整合，“發展”則是在概念體系的基礎上，通過學習進階的研究與設計，提出適合不同年齡階段學生認知發展表現期望，使學生的科學素養隨著學習進階的延伸實現連貫一致的進階發展[1].但是長期以來，我國科學教育存在過度重視“知識點”教學，而相對忽視學生知識體系的構建和基于教學的核心素養培育規劃，使得學生核心素養的發展受到“知識為本”的桎梏[2].因此，在發展核心素養的要求下，以整合的概念體系為核心、圍繞少數概念進行深入探究的學習進階，已成為科學教育研究的共識.本文試圖以學習進階為工具，以“電磁感應現象的兩類情況”為例，闡述基于學習進階的課前學習診斷教學整合思路，希冀對當前物理教學有所裨益.

1?從宏觀層面構建高中學段電磁感應主題的學習進階路徑

依據《普通高中物理課程標準（2017年版）》的相關內容，構建“電磁感應”學習進階假設，如圖1所示.圖1中的學習進階假設是以認知復雜度作為變量，復雜度的增加主要體現在對電磁感應現象的認識從定性到定量、由宏觀到微觀、從現象到本質逐步深入.L1-L4層級是奧斯特、法拉第等物理學家們基于自然界中電與磁的對稱性思考，逐步探索，在實驗現象的基礎上總結得出的定性認識，而L5層級揭示了感應電動勢、感應電流大小的定量表達，屬于定量認識;L1-L5層級屬于電磁感應現象宏觀規律的描述，而L6-?L7層級則從微觀角度“電源內部通過非靜電力對電荷做功實現能量轉化”揭示了電磁感應現象中產生感應電動勢的本質原因.通過以上分析，不難發現L6層級在進階假設中起到了承上啟下的作用.

進一步根據課程標準和教材內容，確定學習進階中L6層級?“產生感應電動勢的本質原因”所包含的若干物理知識，見表1.

本節涉及的具體知識包括電磁感應現象、電動勢、感生電場、電場力、磁場力、非靜電力、感生電動勢和動生電動勢，其中核心概念是電動勢和非靜電力.教學中需要將靜電場中的電動勢與電磁感應現象中的感應電動勢（感生電動勢和動生電動勢）進行類比整合，引導學生明確感應電動勢的非靜電力來源及其在電磁感應現象中的作用.

2?基于進階假設從微觀層面分析具體教學內容

基于北京師范大學郭玉英物理教育研究團隊構建的科學概念理解的發展層級模型（也就是較短時間內具體科學概念的學習進階），筆者針對人教版高中物理選修3-2第四章“電磁感應”第5節“電磁感應現象的兩類情況”一節的具體教學內容，構建了感應電動勢概念理解的發展層級模型，見表2.

通過以上分析可知，感應電動勢概念的理解從低層級向高層級的“躍遷”需要學習者主動建立事實經驗與科學概念之間的聯系，運用類比思想找到產生感應電動勢的本質原因，在此基礎上，建構科學概念（電動勢、電磁感應）與大概念（能量）之間的關聯，體會自然界普遍成立的能量守恒定律，即電磁感應現象是能量守恒的一種表現形式，進一步完善能量觀念.

3?基于概念理解的發展層級模型進行課前學習診斷

進階研究是以學生的學習為研究對象，“進”用以描述學生的認知發展方向，而“階”則要指出發展過程中的關鍵點，并提供對應的解決方案[3].鑒于此，為了解學生在感應電動勢概念學習中存在的“階”，也就是認知發展路徑上的關鍵節點及其成因，筆者依據“電磁感應現象的兩類情況”的具體教學內容，設計問題清單對學生的課前自主學習情況進行診斷，見表3.課前診斷共分為三部分：第一部分知識回顧是對已有知識（電動勢基本含義）的掌握和理解程度進行診斷，幫助教師了解學生學習的起點;第二部分新課診斷和第三部分口頭訪談是對課前自主學習過程中信息獲取能力、新舊知識的關聯整合以及對問題情境的分析綜合、推理論證等思維過程進行診斷，幫助教師了解學生認知發展路徑上的關鍵點，從而選擇合適的教學策略進行精準的教學設計，改進教學.

4?基于課前學習診斷確定學習進階的關鍵點

概念理解發展層級的具體表現是對學生是否達到某一概念理解層級做出主觀判斷的依據，評價學生是否達到相應理解層級的顯性化量尺[2].表4是已有研究在科學概念理解發展層級描述基礎上，擬定的科學概念理解發展層級的具體表現[4].依據學生對問題清單的作答情況，將診斷結果梳理后填入表4.

基于以上診斷結果，我們確定了學生在感應電動勢概念學習中認知發展路徑上的關鍵節點及其成因：

（1）部分學生提出用電荷來檢驗感生電場的存在，但缺乏將微觀現象轉化成宏觀現象來進行實驗觀察的策略.

（2）僅有50%的學生知道電磁感應現象的兩類情況及其分類依據，有40%的學生能夠準確找到兩類電磁感應現象的非靜電力來源，原因在于學生沒有建立起感應電動勢與非靜電力做功之間的聯系.

（3）對于課本P20“思考與討論”中問題的分析不太準確，原因在于學生沒有建立起宏觀導體棒的運動與微觀電荷運動之間的聯系，即導體棒向右運動，導體棒中的正電荷也隨導體棒向右運動的物理情景.

由以上分析可知，學生處于在概念理解的發展層級模型中的關聯層級，他們缺乏與宏觀現象相對應的微觀情景構建以及知識之間的關聯整合，因此本節課的教學重點確定為從微觀角度理解電磁感應現象中非靜電力的作用，提高知識間的關聯整合能力，難點是在課堂上整合提升，了解導體棒切割磁感線的情景中洛倫茲力在能量轉化過程所起的作用，進一步發展能量守恒的物理觀念.

5?基于學習進階的課前學習診斷進行教學整合設計

基于學習進階的課前學習診斷教學整合流程如圖2所示.課前，教師采用問題清單（表3）引導學生自主學習，并依據問題清單對學生的課前自主學習情況以及知識儲備進行檢測診斷，誘出學生的想法，了解學生認知發展路徑上的關鍵節點及其成因，有針對性地設計教學;在課堂上，通過師生互動交流，添加、辨析、整合學生的想法，幫助學生將碎片化的知識或不規范的想法轉變為連貫、準確的科學理解，在此基礎之上進行相關知識的整合，促進概念的深層次理解，從而提升學生的分析推理以及問題解決的能力.

5.1?教學環節一：對問題清單的知識回顧部分進行答疑解惑

教師點評展示學生知識回顧部分的作答情況，幫助學生理解感應電動勢的物理意義，明確非靜電力的作用和功能，確定學習目標，即找到電磁感應現象中產生感應電動勢的非靜電力來源.

5.2?教學環節二：對感生電動勢的非靜電力進行答疑解惑與整合提升

教師引導學生從實驗角度論證感生電場的存在，豐富對場的認識，幫助學生提升推理論證以及知識之間的關聯整合能力，最后通過無線充電的生活應用幫助學生建立“場可以傳遞能量”的物理觀念.問題引導如下.

提問1：通過課前學習，大部分同學已經知道了電磁感應現象的兩種情況分別指感生電動勢和動生電動勢，你們是從教材中的哪部分內容獲取得到這個信息的？

提問2：通過閱讀，大家已經知道了磁場變化時會在空間激發一種電場，這種電場與靜電場不同，我們把它叫做感生電場，場是看不見摸不著的，我們怎么來證明感生電場的存在呢？課前學案中，同學們給出兩套方案，有18位同學認為在變化的磁場中加入一個試探電荷，觀察其運動情況;有8位同學認為在感生電場中放入閉合導體，檢驗是否有感應電流.提出第一種方案的同學請舉手示意.

提問3：為什么想到用電荷來檢驗感生電場？

提問4：?你認同他的觀點嗎？那你為什么選擇了閉合導體呢？電荷是一個微觀的研究對象，它的移動并不容易觀察，需要把微觀現象轉化成宏觀現象來進行觀察.

小結：因為電場對電荷有力的作用，所以放在感生電場中的電荷會受到感生電場的力的作用而運動起來，由于電荷的運動不易觀察，所以需要將微觀現象轉化為宏觀現象來進行觀察，所以我們最終確定的檢驗工具就是閉合導體.

演示實驗1：這是一個線圈，要產生變化的磁場，需要給這個線圈通什么樣的電流呢？如何檢驗回路中是否有電流呢？注意觀察小燈泡是否發光.實驗裝置如圖3所示.

提問5：基于現在的實驗現象你能否猜想這個感生電場的場線是什么形狀呢？你猜想的依據是什么？根據麥克斯韋理論這個場的場線確實是環形的.所以我們把感生電場也叫做渦旋電場.

演示實驗2：穩定的磁場真的不能激發感生電場嗎？如果給線圈接恒定電流，恒定電流在空間中激發穩定的磁場，我們一起來看.

小結：通過實驗，我們驗證了變化的磁場確實能夠在空間中激發感生電場，回路中的自由電荷在感生電場力的作用下發生定向移動形成電流，因此，回路中感生電動勢對應的非靜電力就是感生電場力.

提問6：現在老師把小燈泡取下，線圈中還有感應電動勢嗎？怎么檢驗呢？

演示實驗3：用數字萬用表測量線圈的電動勢，如圖4所示.可見感生電動勢不依賴于導體是否閉合而存在，只要空間中存在感生電場，導體中就有感生電場力搬運電荷，使導體兩端形成電勢差.那么這個導體就有了對外供電的能力，就可以充當電源了.它一旦和外電路構成閉合回路，感生電場力就會源源不斷地搬運電荷，就能夠形成感應電流.感生電動勢的大小如何計算？

應用：今天我們通過研究認識了變化的磁場可以激發感生電場，借助感生電場可以完成能量的傳遞，這一規律在生活中有很多實際應用，比如手機無線充電，如圖5所示.

5.3?教學環節三：對動生電動勢的非靜電力進行答疑解惑與整合提升

教師引導學生分析教材導體切割磁感線運動所產生的動生電動勢的非靜電力來源以及洛倫茲力在能量轉化過程中起到的作用，幫助學生形成電磁感應中的能量觀.

提問1：導體棒在切割磁感線運動時，自由電荷為什么會受到洛倫茲力？

小結：看來導體內搬運電荷的非靜電力就是洛倫茲力.如果我們用導線將導體棒與外電路連接構成閉合回路，讓導體棒勻速切割，這樣洛倫茲力就會源源不斷地把正電荷從導體棒的一端搬運到另一端，這樣回路中就有感應電流了.

學生活動：根據電動勢的定義來推導動生電動勢的表達式.

學生小組討論：在這個情境中洛倫茲力提供非靜電力，它的作用是搬運電荷做功，可是上一章在磁場的學習中，洛倫茲力不做功，這里是否存在矛盾？?學生就此問題進行表達交流.

6?結束語

基于學習進階的課前學習診斷為教師進行教學內容的整合實施提供了重要依據，以理性認識作為教學實踐的基礎可以較大提升課堂教學設計的科學化水平[2].需要特別指出的是，基于課前學習及其診斷的教學整合，不僅是教學內容的整合，更是學習方式和教學方式的整合，主要聚焦兩個方面：課前關注學生的自主學習，引導學生學會學習，主動建立新舊知識之間的聯系，有意識地帶著問題進入課堂;課上側重答疑解惑以及知識內容的整合提升，幫助學生進一步深入理解核心概念以及概念之間的聯系，討論結論得出的依據和推理過程，真正把對學生核心素養的發展落到實處.

參考文獻：

[1]郭玉英，姚建欣，張靜.?整合與發展——科學課程中概念體系的建構及其學習進階[J].?課程·教材·教法，2013，33（02）：44-49.

[2]張玉峰.?基于學習進階的科學概念教學內容整合[J].?課程·教材·教法，2019，39（01）：99-105.

[3]姚建欣，郭玉英.為學生認知發展建模：學習進階十年研究回顧及展望[J].?教育學報，2014，10（05）：35-42.

[4]張玉峰.?高中物理概念學習進階及其教學應用研究[D].北京：北京師范大學，?2016.

（收稿日期：2020-01-07）