ADI教學(xué)模式及其在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)為例

周勝林 錢長炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課程的重要組成部分，對學(xué)生知識的學(xué)習(xí)和能力的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，歷來備受廣大物理教育研究者的重視[1,2].隨著我國基礎(chǔ)教育物理課程改革的不斷推進(jìn)，如何更好地在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，已經(jīng)成為物理教學(xué)研究領(lǐng)域新的重要課題.

論證驅(qū)動的探究(Argument-Driven Inquiry，簡稱ADI)教學(xué)模式以科學(xué)論證為中心驅(qū)動學(xué)生自主探究，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在很大程度上符合新高中物理課程的基本理念.本文在ADI教學(xué)模式的指導(dǎo)下，對“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)做較為全面的探討，以期為新形勢下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一些啟示.

1 ADI教學(xué)模式的基本思想及實(shí)施過程

ADI教學(xué)模式是一種滲透式導(dǎo)向的科學(xué)論證教學(xué)策略[3].其論證結(jié)構(gòu)是在圖爾敏論證模式的基礎(chǔ)上加以簡化，主要有主張、證據(jù)和理由3個部分組成，如圖1所示[4,5].ADI教學(xué)模式的主張可以是一個猜想、結(jié)論、解釋、描述或?qū)ρ芯繂栴}的回答.證據(jù)是指收集的資料，用來支持主張的有效性和可接受性.資料的收集有多種形式，如測量、觀察等，但為了使這些資料能夠形成證據(jù)，需要對其加以分析和解釋.理由是說明證據(jù)的相關(guān)性和解釋證據(jù)為什么能夠支持主張.

圖1 ADI教學(xué)模式的理論框架

為了建構(gòu)論證，學(xué)生需要以小組合作的方式圍繞探究任務(wù)提出主張，然后根據(jù)主張?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，收集相關(guān)資料從而形成證據(jù).接著，小組通過論證環(huán)節(jié)與其他小組分享論證過程，并從同伴的交流中得到批判和反饋.最后，經(jīng)過全班反思，學(xué)生撰寫探究報告并提交給同伴進(jìn)行匿名評審.衡量學(xué)生口頭論證和書面論證的質(zhì)量主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和理論標(biāo)準(zhǔn).而整個論證的產(chǎn)生和評價都是模仿科學(xué)家的研究過程，基于科學(xué)家所運(yùn)用的理論、定律、模型、研究方法、證據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和交流方式等.

相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，ADI教學(xué)模式將實(shí)驗(yàn)探究與閱讀、寫作等活動相結(jié)合，利用科學(xué)論證驅(qū)動探究教學(xué)的演進(jìn)，不僅突出了論證在學(xué)生獲取知識過程中的重要作用，促進(jìn)學(xué)生對核心概念和科學(xué)實(shí)踐的理解，而且體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的諸多要素，充分地發(fā)揮了物理實(shí)驗(yàn)的教育功能.另外，ADI教學(xué)模式理論結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施步驟明確，將該教學(xué)模式應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以有效改變教師因缺乏理論指導(dǎo)和相應(yīng)的教學(xué)策略而難以實(shí)施論證教學(xué)的現(xiàn)狀[6].

“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”是高中物理必修課中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一[7].下面我們以“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)闡述ADI教學(xué)模式在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用，希望為課堂教學(xué)提供參考.

2 基于ADI教學(xué)模式的“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程及建議

根據(jù)ADI教學(xué)模式的基本思想及實(shí)施過程，結(jié)合“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容特點(diǎn)，該節(jié)教學(xué)的實(shí)施框架如圖2所示.

圖2 基于ADI的“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”

我們將科學(xué)探究與科學(xué)論證有機(jī)融合，利用論證驅(qū)動學(xué)生自主開展“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”探究實(shí)驗(yàn)，從而既能保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的連貫性和交互性，又能充分發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案的選擇、數(shù)據(jù)處理和觀點(diǎn)交流等方面的主體作用.

2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 收集證據(jù)資料

核心素養(yǎng)目標(biāo)下的高中物理教學(xué)強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中注重問題情境的創(chuàng)設(shè).我們可以利用可樂電池進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 可樂電池演示實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖中的容器內(nèi)裝有可樂，容器的兩側(cè)分別是銅片和鋅片，這樣的裝置就可以構(gòu)成可樂電池.將可樂電池與演示電表(旋轉(zhuǎn)至0.5 mA擋)、小燈泡等串聯(lián)在電路中，閉合開關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生觀察小燈泡和演示電表的變化.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，演示電表的指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，但小燈泡不能發(fā)光，而用干電池作為電源為小燈泡供電，小燈泡卻能發(fā)光.據(jù)此，啟發(fā)學(xué)生思考原因，進(jìn)而提出探究任務(wù)：測量可樂電池的電動勢和內(nèi)阻.相對于干電池和水果電池，可樂電池的內(nèi)阻不僅較大，而且在短時間內(nèi)不易發(fā)生明顯變化，便于學(xué)生較長時間的測量.

隨后，教師向每個小組提供探究任務(wù)清單(如表1所示)，幫助學(xué)生建立與以往知識的聯(lián)系，明確探究任務(wù)和要求，為學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和展開論證提供必要的支持.

各小組根據(jù)所提供的任務(wù)清單和實(shí)驗(yàn)器材，收集相關(guān)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案(即主張)，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù).在此過程中，教師可以提出針對性的問題，幫助學(xué)生降低探究的難度.如“不同的實(shí)驗(yàn)思路有什么區(qū)別，你選擇這一實(shí)驗(yàn)思路的依據(jù)是什么？”“你將如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？”“你是如何分析并減小實(shí)驗(yàn)誤差的？”等.

表1 “可樂電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)清單

2.2 展開科學(xué)論證 反思討論提升 明確實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，嘗試建構(gòu)科學(xué)論證.引導(dǎo)學(xué)生在白板上呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案，然后和大家分享方案的基本原理、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)處理及推理過程，并基于測量結(jié)果和相關(guān)資料闡述設(shè)計(jì)這一方案的原因.為了鼓勵所有學(xué)生積極參與論證環(huán)節(jié)，教師可以采用循環(huán)的方式，讓一名小組成員留在白板前與其他同學(xué)分享本小組的實(shí)驗(yàn)方案，其余成員則依次參與不同小組的交流和討論，并就實(shí)驗(yàn)原理是否符合已有理論或定律、實(shí)驗(yàn)方法能否有效減小誤差、收集數(shù)據(jù)方法是否合理與嚴(yán)謹(jǐn)和分析數(shù)據(jù)方法是否恰當(dāng)?shù)确矫孢M(jìn)行批判.論證結(jié)束后，小組成員返回本小組，并根據(jù)其他同學(xué)的反饋意見修正實(shí)驗(yàn)方案或重新收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

接著，教師引導(dǎo)全班學(xué)生進(jìn)行反思討論，利用解析法、等效電源法或圖解法分析不同實(shí)驗(yàn)方案的測量誤差，消除實(shí)驗(yàn)過程中的各種困難和各小組之間的差異，反思內(nèi)容如表2所示[8].

表2 4種實(shí)驗(yàn)方案誤差分析

不僅如此，在數(shù)據(jù)處理的過程中，學(xué)生利用方程求解可樂電池的電動勢和內(nèi)阻也容易造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差.所以，教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示.

圖-R圖像

根據(jù)反思的結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生對本小組的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行修正，如有需要，小組同學(xué)可以重新收集數(shù)據(jù).這一過程中教師應(yīng)允許學(xué)生嘗試失敗，鼓勵學(xué)生從錯誤中反思和提升，這樣能夠促進(jìn)學(xué)生更深入地體會不同方案的差異和適用條件.

2.3 撰寫探究報告 總結(jié)論證過程 同伴匿名評審

論文寫作是科學(xué)研究的重要組成部分.科學(xué)家不僅需要通過論文寫作分享自己的研究成果，而且還要理解和評估他人的研究論文.因此，教師可以以課后作業(yè)的形式，引導(dǎo)學(xué)生用清晰簡潔的語言撰寫探究報告，體驗(yàn)科學(xué)家群體的交流方式.探究報告主要圍繞3個基本問題：你想做什么？你做了什么？你的論證過程是什么？收到報告后，教師將報告復(fù)印件隨機(jī)發(fā)送給不同小組進(jìn)行匿名評審，引導(dǎo)同伴從探究目的、實(shí)驗(yàn)過程、科學(xué)論證和論文寫作4個方面進(jìn)行評價，其中論證水平評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，完整的指標(biāo)體系見參考文獻(xiàn)[9].學(xué)生根據(jù)反饋信息對探究報告進(jìn)行修改，然后提交給教師進(jìn)行第二次評定.如果修改后的報告達(dá)到可接受的質(zhì)量水平，作者即可獲得滿分，否則需要進(jìn)行第二輪修正直到達(dá)到目標(biāo)要求.

表3 科學(xué)論證水平評價標(biāo)準(zhǔn)

這一環(huán)節(jié)不僅深化了學(xué)生對電池電動勢和內(nèi)阻測量原理的理解，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)推理能力和基于書面的論證能力，而且能夠及時反饋教學(xué)效果，為教學(xué)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了重要的依據(jù).

3 小結(jié)與啟示

通過對ADI教學(xué)模式基本思想和實(shí)施過程的分析，我們認(rèn)為該教學(xué)模式與新一輪基礎(chǔ)教育物理課程改革的理念高度一致，能夠?yàn)楹诵乃仞B(yǎng)目標(biāo)下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路.基于此，我們深入探討ADI教學(xué)模式在“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，既幫助學(xué)生克服該內(nèi)容學(xué)習(xí)的各種困難，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)的質(zhì)量，又能有效地落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

此外，通過這些研究工作，我們深深感受到在高中物理課程改革的關(guān)鍵時期，不僅需要充分借鑒國際科學(xué)教育新的方法、新的思想和新的理念，而且還應(yīng)根據(jù)我國物理教學(xué)實(shí)際和學(xué)生學(xué)習(xí)情況將相關(guān)理論本土化，這樣才能為學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供一些幫助和啟示.