基于“CPS”模型的“庫侖定律”教學(xué)案例分析

周 佳

(1. 華東師范大學(xué)教學(xué)教育學(xué)院，上海 200062；2. 江蘇省常熟中學(xué)，江蘇 常熟 215500)

隨著社會的發(fā)展與教育改革的推進,核心素養(yǎng)成為深化基礎(chǔ)教育改革、落實素質(zhì)教育目標(biāo)的關(guān)鍵要素．學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重點之一就是培養(yǎng)創(chuàng)新意識,提升學(xué)生的創(chuàng)造力,因此采用何種教學(xué)方式能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力成為教師們當(dāng)下關(guān)注的問題．

1 “CPS”教學(xué)模型

創(chuàng)造性問題解決(Creative Problem Solving,簡稱CPS) 模型由美國學(xué)者帕恩斯(Parnes)首先提出,該模型以問題解決過程為基礎(chǔ),強調(diào)發(fā)散思維與聚斂思維的結(jié)合,問題解決者在選擇或?qū)嵭蟹犀F(xiàn)實環(huán)境、問題條件的解決方法前,需要先以發(fā)散性思維產(chǎn)生大量的變通辦法,之后再以聚斂性思維來選擇最適合的解決方法,最后加以執(zhí)行或是作為進入下一階段前的準(zhǔn)備,由此提升問題解決者的創(chuàng)造力及問題解決能力．有關(guān)創(chuàng)造力開發(fā)的研究表明,培養(yǎng)創(chuàng)造性思維最有效的方法是運用CPS模型,目前最新的CPS模型為四成分八階段模型(如圖1所示)．

圖1

2 基于“CPS”模型的教學(xué)案例

由于物理的學(xué)科特性,若在教學(xué)中采用合適的教學(xué)方法能夠有效地鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維,提高創(chuàng)造能力．下面筆者以“庫侖定律”為例,闡述CPS模型在高中物理教學(xué)中的過程及其特點．

2.1 教學(xué)內(nèi)容分析

“庫侖定律”是電磁學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容之一,教學(xué)目標(biāo)要求學(xué)生在掌握庫侖定律基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進一步體會建模、控制變量、類比等科學(xué)方法,了解庫侖實驗的思想及創(chuàng)新之處．

2.2 教學(xué)過程

成分一:理解挑戰(zhàn)

(尋找時機)

師:在初中我們已經(jīng)知道了同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引,那么請大家大膽猜想一下電荷間的作用力大小可能與哪些因素有關(guān)?

生:可能與電荷量、電荷間距離、運動狀態(tài)、環(huán)境、帶電體形狀……有關(guān)

(尋找資料)

師:大家猜想了很多與作用力大小有關(guān)的因素,但我們要找出最重要的因素,可以怎樣處理呢?

生:簡化模型,我們可以暫時先不考慮帶電體的大小形狀,考慮帶電體處于靜止?fàn)顟B(tài),并且所處的環(huán)境是真空．

師:非常好,這樣我們就確定了研究對象是真空中靜止的點電荷,那么我們研究的內(nèi)容是什么呢?

生:是點電荷間作用力F、帶電量q、距離r間的關(guān)系．

師:研究的變量有3個,我們應(yīng)當(dāng)怎樣處理呢?

生:采用控制變量法,分別保持q與r不變,研究F與r,F與q的關(guān)系．

(生成問題)

師:要找出上述3個物理量之間的關(guān)系,大家覺得要解決哪些問題?

生:怎樣使研究對象帶電?怎樣反映F的大小?怎樣改變帶電荷量?

設(shè)計意圖:理解挑戰(zhàn)作為CPS模型的第一個成分,其主要內(nèi)容為對問題情境進行分析,通過尋找資料探索問題的各個方面,并確定焦點所在,最終將所要解決的問題精確表述出來．

因此,在尋找時機階段,教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生利用發(fā)散思維進行大膽猜想,而在尋找資料與生成問題階段,學(xué)生利用聚斂思維對發(fā)散階段產(chǎn)生的想法進行分析與篩選,確定出研究的對象、內(nèi)容及方法,并提煉出最終所要解決的問題．整個過程不僅鍛煉了學(xué)生的發(fā)散與聚斂思維,而且也使學(xué)生體會了建模、控制變量等科學(xué)方法．

成分二:生成想法

(生成想法)

師:下面請大家以6人為一小組進行討論,根據(jù)剛才生成的問題,設(shè)計相應(yīng)的解決方案,大家可查閱書本或通過網(wǎng)絡(luò)獲取相關(guān)資料．

活動:學(xué)生以小組為單位進行討論交流,形成各小組的設(shè)計方案．

學(xué)生:方案1:將帶電小球用細(xì)線懸掛,使玻璃棒帶電,懸線與豎直方向的夾角反映電場力F的大小,通過改變玻璃棒與小球的距離及玻璃棒數(shù)目定性反映F、q、r之間的關(guān)系(如表1所示)．

表1

方案2:通過接觸起電使兩個完全相同的小球帶電,將其中一個小球懸掛于細(xì)線下,則小球距垂線的水平距離x可反映F的大小,通過改變兩小球間距離及小球帶電荷量來定量反映F、q、r之間的關(guān)系(如表2所示)

表2

方案3:利用杠桿原理放大電場力F的作用效果,通過游碼的位置x來反映F的大小(如表3所示)

表3

方案4:庫侖扭秤實驗,利用懸絲扭轉(zhuǎn)的角度θ來反映F的大小(如表4所示)

設(shè)計意圖:生成想法的主要內(nèi)容為通過對問題的解決方法進行討論,形成盡可能多的有創(chuàng)新性的解決方案．因此,在教學(xué)過程中學(xué)生運用“頭腦風(fēng)暴”在各小組中進行合作與討論,發(fā)散階段根據(jù)所產(chǎn)生的問題提出各種解決的方案,在聚斂階段對方案進行整理及精確描述,最終得到各有特色的4種方案．整個過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)作交流的能力,同時也鍛煉了學(xué)生發(fā)散與聚斂思維,從而進一步提升了創(chuàng)新能力．

成分三:準(zhǔn)備行動

(尋求方法)

師:接下來請大家一起討論上述4種方案,談?wù)勀阕约簩Ψ桨傅目捶ǎ?/p>

生:方案1的實驗裝置比較簡單,容易操作,但只能得到定性的結(jié)論,無法確定定量的關(guān)系．

生:方案2的實驗裝置也比較簡單,并且可以得到定量的關(guān)系,但實際操作中可能由于漏電等原因,距離很難精確測量．

生:方案3利用杠桿原理放大了力的作用效果,便于測量力的大小,但該裝置制作起來要求較高,并且操作起來可能有較大難度．

生:方案4是書本上介紹的庫侖當(dāng)年發(fā)現(xiàn)庫侖定律時采用的方案,精度比前3個方案高,但其原理更加復(fù)雜且對器材的要求會比較高．

(尋求接受)

師:通過大家的分析,我們發(fā)現(xiàn)每種方案都有其優(yōu)缺點,根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有的實驗設(shè)備條件,請大家完成方案1及方案4的實驗,并記錄數(shù)據(jù)得出相應(yīng)結(jié)果．

設(shè)計意圖:準(zhǔn)備行動過程是通過比較各種方案的特點,結(jié)合實際條件確定最優(yōu)方案．學(xué)生在分析方案的優(yōu)缺點時,首先運用發(fā)散思維比較四種方案的特點,再運用聚斂思維對這些優(yōu)缺點進行整理與精確描述,整個過程使學(xué)生深刻地理解了各方案的思想方法,同時也鍛煉了學(xué)生從多角度思考問題的能力．

成分四:落實方案

(評估課題)

學(xué)生完成方案一實驗并記錄結(jié)果,得到結(jié)論:帶電體間距離越小,作用力越大,電荷量越大,作用力越大(如表5所示)．

表5

圖2

圖3

學(xué)生完成方案4實驗并記錄數(shù)據(jù),得到結(jié)論:真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力,與它們電荷量的乘積成正比,與它們距離的二次方成反比(如表6所示)．

表6

師:大家經(jīng)過了實際操作,請再對上述的2個方案提出自己的看法．

生:方案1在操作時要保持環(huán)境的干燥,效果比較明顯

生:方案4也對環(huán)境的要求較高,并且操作起來比方案一復(fù)雜,但是能得到定量的結(jié)果．

(設(shè)計過程)

師:本節(jié)課我們探究了電荷間的作用力、距離、帶電荷量之間的關(guān)系,得到了庫侖定律的內(nèi)容,請大家總結(jié)一下我們探究的過程及用到的科學(xué)方法．

生:這節(jié)課我們通過探究庫侖定律的內(nèi)容,經(jīng)歷了提出問題、分析問題、解決問題的完整過程,并在其中體驗了怎樣建立物理模型,運用恰當(dāng)?shù)奈锢矸椒▉碓O(shè)計方案、處理問題．

設(shè)計意圖:落實方案過程是對確定的方案進行實驗操作并得出結(jié)論,最后總結(jié)整個探究過程．教學(xué)過程中學(xué)生對方案進行實踐操作并再次評價,不僅鍛煉了學(xué)生動手能力,更培養(yǎng)了學(xué)生將理論與實際結(jié)合的科學(xué)意識,同時,學(xué)生利用聚斂思維對探究過程進行提煉與總結(jié),進一步提高了其科學(xué)素養(yǎng)．

表7

續(xù)表

3 總結(jié)

CPS模型是在解決問題過程中有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的一種教學(xué)模型,其核心是發(fā)散性思維和聚斂性思維的結(jié)合與交替運用,這也是問題解決的創(chuàng)造性思維過程,表7為兩種思維方式在本節(jié)課中的體現(xiàn)．如何在適合的情境下交替地使用這兩種思維方法是CPS模型的關(guān)鍵,因此教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的實際情況靈活地使用CPS模型,促進學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)并提出問題,尋找出解決問題的新途徑,再經(jīng)由推理、綜合和歸納等思維過程,培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．