初中《科學》課程中認知進階式復習課堂研究
——以“探秘小彩燈”為例

郭浩佳

(衢州華茂外國語學校 浙江 衢州 324000)

科學教育的目標不是獲取一堆由事實和理論堆砌的知識，而應是實現一個趨向于核心概念的進展過程.核心概念，即位于學科中心的概念性知識，包括一些基本理解和解釋，如重要概念、原理和理論等學科結構性的主干部分[1].學習進階是對學生一系列學科知識的、連續的、逐步深入的思維活動進行描述的工具，旨在刻畫學生科學認知水平的發展過程.布魯姆將認知目標分類為：記憶、理解、應用、分析、綜合、創造，這6個目標的設定符合學習進階的理念，從低階逐漸走向高階.在實際教學中，可側重研究核心概念的學習進階，以期達成學生的高階認知.

電學知識覆蓋小學、初高中多個學段，屬于核心概念的范疇.從小學的初識電路到初中的探究電路，從八年級的電路連接到九年級的電能轉化，學生對于電學概念的建構領悟貫穿不同時期，即使在同一章節的新授課和復習課階段，也需要實現學習進階.本文嘗試在八年級科學“電路探秘”的章節復習課上，創設“探秘小彩燈”的情境，使探究環環相扣，逐步達成高階認知目標，意在探尋基于學習進階模式來推動認知發展的可能.

1 基于學習進階的認知目標預設

依據學習進階理論，核心概念學習一般要經歷經驗感受、映射感知、關聯處理、系統構建、整合應用5個發展階段[2].新課建構概念時，前3個階段將經驗轉化為概念，后兩個階段是應用領悟概念.階段性復習時，則應側重呈現后兩個階段，系統構建是探尋事實經驗的本質特征，整合應用是全面理解概念本質，建立核心概念間的相互聯系.結合布魯姆的認知目標層級，本節課的預設目標如表1所示.

表1 “探秘小彩燈”的認知進階目標

2 基于學習進階的認知發展設計

2.1 新情境中應用已有舊知

環節一：探究小彩燈的連接方式

教師展示：開關閉合或斷開時，一串小彩燈能實現同時亮暗.

師：小彩燈是串聯電路還是并聯電路？

生(異口同聲)：串聯電路.

生(少個別)：也可能是并聯電路，只要開關在干路上.

師：如何證明是否是串聯電路？

生：可以取下一個燈泡，閉合開關，觀察其他燈泡是否還能發光.

演示：取下一個燈泡后，其他小彩燈都不發光.

結論：小彩燈是串聯的.

進階評測：應用的特征是初步將科學知識運用于新情境中.學生已具備電路連接的知識，只是“紙上談兵”較多，多為判斷電路圖的連接方式，本課創設小彩燈同時亮暗的生活情境，引發學生不同判斷，培養學生實證意識，達成對兩種電路差異的正確理解：各用電器間是否相互影響，而非能否同時工作.

2.2 未知現象中分析工作原理

環節二：探究小彩燈“閃爍”的原因

師：有些小彩燈能一亮一暗，不停閃爍，怎樣才能實現這樣的效果？

生：可以不斷閉合及斷開開關.

師：理論上可以，實際操作不可行，請觀察這個特殊燈泡——“跳泡”(圖1).

圖1 “跳泡”

演示：將一個燈泡換成 “跳泡”后，整串小彩燈能實現閃爍的效果.

學生活動1：將一個 “跳泡”連接在5節干電池(約7.5 V)兩端，觀察其工作特點.

現象：“跳泡”亮暗交替.

學生活動2：增大“跳泡”兩端的電壓，觀察“跳泡”的工作特點.

現象：“跳泡”的亮暗交替加快，即閃爍加快.

學生活動3：觀察已除去玻璃外殼的“跳泡” 的內部結構，嘗試標出其工作時的電流路徑.

交流：電流依次流經燈泡內的倒“L”形金屬、金屬片和燈絲.

師：通電時，“跳泡”中哪個金屬片可能會發生變化？該金屬怎樣實現電路的通斷？

生：(提出猜測)

師：你們的猜測是否合理，需要實驗來驗證.

實驗視頻(圖2)：加熱前，中間金屬片同時接觸倒“L”形金屬片和燈絲，加熱時，中間金屬片會脫離倒“L”形金屬片，彎曲向燈絲，撤去加熱后，中間金屬片又會恢復與倒“L”形金屬片及燈絲的接觸.

圖2 實驗視頻截圖

師：請根據實驗現象，解釋跳泡能自主實現亮暗交替的原因？

生：通電時，隨著溫度不斷上升，中間金屬片向燈絲彎曲，與倒“L”形金屬片脫離，電路斷開，“跳泡”熄滅；中間金屬片的溫度隨之下降，恢復原狀，又與倒“L”形金屬片接觸，電路接通，“跳泡”發光，如此不斷反復，則觀察到“跳泡”閃爍.

進階評測：分析是把事物分解成不同部分進行研究的思維方法，有助于全面深刻地把握事物特征.小彩燈閃爍的原理是電路中有個自動開關——“跳泡”，學生從未接觸過該器材，需要將原理探究進行分解，便于有效分析：一是探究“跳泡”的工作特點，操作簡單，現象可見，為后續探究打下堅實基礎；二是觀察“跳泡”的內部結構，預測其工作時的電流路徑，用手撥動中間金屬片易于彎曲，有利于猜測它的功能；三是探究中間金屬片(雙層金屬片)受熱彎曲的特點，學生缺乏雙層金屬片的前概念，設計方案難免困難，可采用演示實驗的方式；四是學生表述“跳泡”亮暗交替的原理，培養學生科學解釋的能力.經歷分析“跳泡”的工作特點、內部構造和工作原理的過程，使學生在認識新型電路元件的同時，增強解決實際問題的能力.

2.3 意外現象中綜合解決“故障”

環節三：探究“跳泡”的電阻

師：能否利用電學實驗盒(學生自備)中的小燈泡(3.8 V,0.3 A)和“跳泡”來實現小燈泡閃爍的效果.

演示：將一個小燈泡(3.8 V,0.3 A)和一個“跳泡”串聯入電路，現象是“跳泡”能閃爍，而小燈泡不能發光.

師：與“跳泡”串聯的小燈泡不能發光的原因可能是什么？

生：可能是“跳泡”電阻明顯比小燈泡大，則小燈泡兩端分配的電壓太小.

師：已知“跳泡”的額定電壓是12 V，能否測量出“跳泡”正常工作時的電阻？

學生活動4：畫出伏安法測電阻的電路圖(圖3)，然后測量“跳泡”正常工作時的電阻.

圖3 伏安法測電阻電路圖

師：正常工作時，通過“跳泡”的電流多大？“跳泡”的電阻是多少？

生：“跳泡”兩端電壓達到12 V時，通過它的電流是0.12 A，計算得“跳泡”正常工作時的電阻為100 Ω.

師：能否解釋與“跳泡”串聯的小燈泡不發光的原因？

生：根據小燈泡的規格算出其正常工作時電阻約為12 Ω，電阻明顯小于“跳泡”，分配的電壓明顯小于其額定電壓，所以不能發光.

師：測量過程中是否存在困難？

生：難以讀數.當“跳泡”兩端電壓達到12 V時，“跳泡”閃爍較快，即“跳泡”通電的時間過短，難以看清電流表的示數.

師：你們是如何解決這個問題的？

生：“跳泡”閃爍過快時，斷開開關，再次閉合開關后，在“跳泡”開始閃爍之前就讀出兩電表的示數.

師：實驗時，你們是否關注過電壓表和電流表的指針偏轉情況？有何不同？

生：電壓表和電流表的指針偏轉方向相反，當“跳泡”熄滅時，電流表示數變小到零，電壓表的示數增大，如圖4所示.

圖4 “跳泡”熄滅時，電壓表和電流表的示數變化

師：請對照電路圖分析，“跳泡”熄滅時，電流表無示數和電壓表示數增大的原因？

生：“跳泡”熄滅時，電路斷路，則電路中沒有電流，電流表無示數. “跳泡”與滑動變阻器串聯分壓，當“跳泡”工作時，電壓表測量的是“跳泡”兩端的電壓，小于電源電壓，當“跳泡”熄滅時，電壓表測量的是電源電壓，所以電壓表的示數增大.

進階評測：綜合以分析為基礎，全面加工各要素并重新組合成整體，以便創造性地解決問題.本環節中的綜合體現在3個方面：

一是在分析得出“跳泡”的功能后，將其與學生熟悉的小燈泡組合起來，以達成自制小彩燈的目的，創設綜合進階的情境.

二是伏安法測可變的“跳泡”電阻時，移動滑片不為多次測量求平均值，而是保證“跳泡”在額定電壓下工作，以測量其正常工作電流，可視為學生在新情境中創造性地解決問題.

三是由于“跳泡”工作的特殊性，實現了正常測量和“故障現象”的綜合，即“跳泡”熄滅時，出現電壓表和電流表示數的反常變化.

檢測故障是一類較難的電學問題，不少學生難以厘清，借助實驗現象中的意外，能引發學生的主動思考，促進學生對電路故障的深度理解.

2.4 實用主義下的創造性整合

環節四：探究小彩燈的內部構造

師：一串小彩燈，如果其中一個被燒壞了，其他還能工作嗎？為什么？

生：不能工作，因為串聯電路只有一條電流路徑，一處斷開，則無法工作.

師：因為一個燈泡，整串小彩燈都不能工作還真可惜，實用性不強，有無改進方法？

演示：換上一個燒斷燈絲的小彩燈，閉合開關，其他小彩燈都能發光.(生很驚詫)

師：燒壞的小彩燈處是否斷路？此處接通但是燈泡不亮有可能是什么情況？

生：其他串聯燈泡能發光說明燒壞的小彩燈處是接通的，有可能燈泡內發生短路.

師：燈絲燒斷了，電流還可以通過燈泡內的金屬絲，那么燈絲和金屬絲該如何連接呢？

學生活動5：觀察小彩燈內部燈絲和金屬絲的連接方式(圖5)

圖5 小彩燈內部燈絲和金屬絲連接方式

師：小彩燈內部的燈絲和金屬絲是并聯的，那么彩燈正常工作時，燈絲為什么不會被金屬絲短路？

生：有可能金屬絲的電阻很大，相當于斷路，正常工作時，電流只通過燈絲，若燈絲燒斷，則電流會通過金屬絲.

師：若金屬絲電阻比燈絲電阻大很多，根據串聯電路分壓的特點，請你推測其他小彩燈的發光情況？

生：串聯電路中金屬絲的電阻很大，則金屬絲兩端分到的電壓很大，其他小彩燈分到的電壓很小，則小彩燈的亮度明顯變暗.

師：然而小彩燈燒斷后其他小彩燈并沒有變暗，可見金屬絲的電阻不能比燈絲大，要實現工作時電流不通過金屬絲，還有個巧妙的方法，在金屬絲的表面涂上絕緣層，當燈絲燒斷時，金屬絲兩端的電壓很大，瞬間擊穿絕緣層，連通金屬絲和金屬桿，則電流通過金屬絲，使其他小燈泡繼續發光.

進階評測：創造是對知識材料進行深度加工，理性深刻地對事物本質作出判斷，并發展出新知識的過程，屬于最高階的認知目標.串聯電路某處斷開，則整個電路不通電，是本課伊始判斷彩燈連接方式的依據，而實際情況往往比較復雜，需要突破常規思維，才能有所創新.怎樣在串聯電路中實現燈泡間的互不干擾，這需要學生創造性思維的參與.一是整合思維：將燈絲和金屬絲并聯，保證有備用路徑；使短路和斷路共存，實現電路暢通；二是批判思維：思考金屬絲在燈絲正常與燒斷時如何工作，依據猜測推導出與事實矛盾的現象，旨在鼓勵質疑和反思；三是發散思維：學生受經驗水平所限，難以提出金屬絲表面涂絕緣層的方法，可直接告知以拓展學生視野，啟迪多角度思考的意識，以達成深刻理解構造本質.

3 基于學習進階的認知發展課堂反思

本節課的實施情況是：各個環節清晰，層層遞進；活動有序開展，難度逐步升級；課堂生動活潑，時有驚嘆感慨；學生熱情高漲，探究意識濃厚.可見，相比常規復習課堂，無論是知識回顧式或練習講評式，認知目標進階式的課堂都更勝一籌.遞進式的任務型課堂，能有效激發學生的主觀能動性，有效推動學生的認知發展.

復習課上明晰的探究主線，進階的學習任務，得益于精心創設的情境，本課使用小彩燈作為探究對象，原因有二：一是學生困惑于作業中的“小彩燈燒斷不影響串聯的其他燈工作”;二是恰逢新年，小彩燈正是常見裝飾物.確定探究對象后，需根據知識序列和認知目標，充分挖掘探究要點，如彩燈連接方式、彩燈閃爍原理等，由易到難逐級排列，促使探究不斷走向深入，促使認知不斷走向高階.