知識整合取向設計在初中物理“6E”教學模式探索環節的嘗試

林自強

摘? ?要：針對初中物理STEAM教學“6E”教學模式探索環節，提出知識整合取向教學設計的理論依據，歸納一教學流程。介紹了該流程在初中物理“6E”教學模式中的實踐。同時從學生科學思維形成等角度介紹了教學感悟。

關鍵詞：STEAM教學;“6E”教學模式;知識整合

知識整合（KI）取向的教學模式在國外物理課堂方興未艾。筆者嘗試將這種觀念引入初中物理STEAM教學“6E”模式中，結合本人實驗教學的長項，取得一些實證研究成果。本文將淺議KI取向在初中物理“6E” 教學模式探索環節應用的理論依據、教學實踐以及教學感悟。

1? 理論依據

關于STEAM教學，美國教育學家提出“6E”教學模式。其基本環節分別為引入（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、設計（Engineer）、拓展（Enrich）和評價（Evaluate）[ 1 ]。其中探索（Explore）環節在初中物理教學中要注重發揮學生實驗對物理概念形成的作用。知識整合（KI）取向的一般模式包含四個過程：析出觀念、添加觀念、辨分觀念和反思觀念[ 2 ]。該取向強調尊重學生觀念以及據此而進行的推理過程，鼓勵學生開闊視野，讓學生把相似的觀念提煉成一個更為一致性的觀點，并在更大的范圍中檢驗他們[ 2 ]。筆者強調用知識整合（KI）取向的教學設計來完成探索（Explore）環節，總結出以下教學流程和對應設計意圖。第一，學生實驗，為添加新觀念做物化準備。第二，讓學生對實驗結果預測說理，要求用語言或圖形來表達，目的是析出舊觀念。第三，小組評議方案，迅速總結形成實驗評價標準。第四，教師設計關鍵環節，學生實驗添加新觀念。關鍵環節要能形成鮮明的對比，提供反饋支持規范的形成，使概念或規律得以表達。第五，引導學生反思結果是否支持預測，辨分觀念，選擇最佳科學觀念。第六，應用，檢驗一致性觀點。筆者借“自制電磁起重機”案例介紹KI取向的教學設計在初中物理STEAM教學探索環節的實踐成果。

2? “自制電磁起重機”教學設計

2.1? 引入（Engage）

教師運用多媒體演示神奇“大力士”——電磁起重機工作視頻，引入課題“自制起重機”。

設計意圖：生活實例創設情境，激發學生興趣。通過對比分析養成觀察、推理能力。

2.2? 探索（Explore）

2.2.1? 設計

教師演示奧斯特實驗，引導學生思考提高通電導體周圍磁場強度的方法，引入通電螺線管并提問“通電螺線管周圍磁場磁極由哪些因素決定？”引發學生運用類比推理進行猜想。引導學生圍繞實驗目的選擇器材、運用控制變量法設計電路。

2.2.2? 學生實驗

學生分組實驗親歷前三個電路圖的探究過程（如圖1）。引導學生匯報實驗結果，分析總結。

師：對比實驗1與實驗2，可以得到什么結論？

生：結論2通電螺線管周圍磁場磁極極性與電流方向有關。

師：對比實驗1與實驗3，可以得到什么結論？

生：結論3通電螺線管周圍磁場磁極極性還與導線環繞方式有關。

2.2.3? 預測說理（析出舊觀念）

引導學生在做實驗4之前運用舊觀念預測結果并說理。

師：實驗1和實驗4電路有哪些不同？你預測實驗4中磁極極性分布情況？

生：電流方向不同、導線環繞方式也不同。實驗4可能與實驗1相同。

師：你的依據是什么？能不能上講臺來畫圖說明下。

學生代表上臺展示。根據結論2，實驗4中磁極極性與實驗3中相反后成為左N右S?；蛘吒鶕Y論3，實驗4中磁極極性與實驗2中相反后成為左N右S。

2.2.4? 小組評判

要求小組派代表談談實驗過程新發現，形成實驗方案的一致性觀點。例如：①小磁針在螺線管兩端沿軸線方向現象明顯，與軸線偏離一個角度，N極指向也會有一定偏離;②不通電，小磁針靜止時N極也有固定指向（地磁場）。如果螺線管軸線擺成南北走向，不利于辨分結果，可改成東西走向;③電路中電流越大，小磁針擺動越劇烈，可能磁性得到了增強，大電流可增強實驗效果;④電路中電流太大，滑動變阻器線圈有明顯升溫現象，要關注安全用電;……教師把這些觀點羅列進一張大表格，形成下一步實驗的評價標準。

2.2.5? 添加新觀念

學生分組實驗探究第四個電路圖，驗證猜想。教師引導學生等效找等量，形成新觀念。

師：實驗4的結果與預測一致嗎？說明了什么？

生：一致。說明通電螺線管周圍磁場磁極極性與電流方向有關，與導線環繞方式也有關！

師：對比四次實驗結果，實驗4和實驗1結果相同。這說明在實驗4和1中存在著一個相同的量，這個量與電流方向和導線環繞方式都有關。這個量可以代替這兩因素共同作用，決定通電螺線管周圍磁場磁極極性。大家想想，電流在什么上繞行？在任務單上描出實驗1、4導線中電流的環繞方向，看看有什么發現？

生：實驗1、4導線中電流的環繞方向相同！

2.2.6? 反思、選擇最佳科學觀念

要求學生描出實驗2、3導線中電流的環繞方向，并通過對比驗證猜想。明確電流環繞方向才是通電螺線管周圍磁場磁極極性的決定因素;加強辨分觀念電流環繞方向由導線環繞方式和電源極性共同決定。通過Flash動畫演示右手螺旋定則判斷過程，完成規律建立。

2.2.7? 應用

當堂反饋引導學生歸納解題思路，提出新問“如何增強通電螺線管周圍磁場磁極磁性？”

設計意圖： KI取向設計探索環節，析出、添加、辨分、反思觀念后建構規律，為后續改進活動提供事實和理論依據，體現Science（科學）思想。

2.3? 解釋（Explain）

教師介紹安培分子電流假說，幫助學生建構磁化模型。從增加兩端有序排列分子電流數目的角度，引導學生明確增強磁性方案——把鐵芯放入通電螺線管中空部分。

設計意圖：通過建模啟發學生改進思路，使后續設計活動明確化、具體化，體現Science（科學）思想和Engineering（工程設計）思想。

2.4? 設計（Engineer）

教師提供電池盒、電池、導線、開關、多匝線圈、滑動變阻器、鐵釘、鐵棒、大頭針等器材，要求學生運用通電螺線管磁場特點和磁化現象，自選器材設計并自制一個電磁起重機來吸引大頭針。各小組比一比誰的自制起重機能吸引起較多的大頭針！

設計意圖：遷移實驗方法，改造探究電路來自制起重機，體現Engineering（工程設計）思想。

2.5? 拓展（Enrich）

各小組展示自制電磁起重機工作過程，全班對比觀察，改進自制電磁起重機。

師：如果你是工程師，會設計什么形狀的鐵芯呢？要用電磁起重機吊起鐵制品，鐵芯、線圈要和重物一起被舉高。為了提高效率、增加穩度，鐵芯適合做得太高嗎？可以怎么改？

生：鐵芯橫截面要大、充滿螺線管內部;可以降低重心，把鐵芯“變矮變胖”;可以把鐵芯拗成U形……

師：看看生活中電磁起重機常用的電磁吸盤，和大家的設計一樣嗎？科學有效的作品往往也很優美！

設計意圖：結合數學幾何知識、物體重心與穩度知識，完善設計實現從科學探究走向工程技術應用、從物理走向社會，體現Mathematics（數學）和Technology（技術）的思想。

2.6? 評價（Evaluate）

教師評價學生在各個環節的表現與學習成果。既要重視各環節學科知識與技能落實程度，也要滲透工程設計對科學、美學的追求。

設計意圖：關注學生對控制變量法、轉換法等物理學研究方法內化程度。鼓勵學生創新設計、滲透美學教育，體現Art（藝術）的思想。

3? 教學感悟

物理學科核心素養中科學思維是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性見解的能力與品質[ 3 ]。基于STEAM教學的“6E”模式能夠增強人的創造性，跨學科培養人的素養。KI取向設計探索環節，善于運用學生在各階段對現象的解釋而形成的觀念庫。把猜測的理據可視化表達出來，使得后續的對比更為鮮明，也提供了添加新觀念的物化基礎。堅持KI取向設計探索環節，會使學生思維發生幾種變化：其一，重視假設在科學探究中的作用;其二，堅持通過實驗或觀察產生的數據作為事實概念化的依據;其三，重視實驗細節，用批判性眼光看待實驗結果。

參考文獻：

[1]Burke B N. The ITEEA 6E Learning ByDesignTM Model： Maximizing Informed Design and Inquiry in the Integrative STEM Classroom[J]. Technology & Engineering Teacher，2014：73.

[2]馬西婭·西·林 巴特—舍瓦·艾倫. 學科學和教科學[M].裴新寧，劉新陽譯.上海：華東師范大學出版社，2015：10-12.

[3]朱曉安，張鳳英. 比較教學：防治知識負遷移促進核心素養提升[J]. 中學物理教學參考，2018（6）：46.