指向深度學習的初中物理發現教育教學實踐研究
——以“電能表與電功”教學為例

薛鈺康

（江蘇省蘇州工業園區星海實驗中學，江蘇 蘇州 215021）

從新課程改革倡導“科學探究”到落實《中國學生發展核心素養》，實踐“立德樹人”的根本任務，“學生發展核心素養”主要指學生應具備能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，學校教育教學的重要任務就是發展學生學會學習與終身學習的能力.“發現”是科學探究的本質指向，物理教學中積極設計與開展科學探究，著力于教育教學中學生與教師的發現，通過發現促進知識與能力建構，以實現學習的深度化.

“讓教育成為發現與創造的藝術”，教育教學需要發現，更需要培養發現的能力.布魯納認知結構學習理論認為，為了培養具有創造性的科技人才，應該采用發現式的學習方法.物理學是研究物質結構、性質和其運動規律的學科，理應用發現的眼光、發現的方法、發現的過程去進行教育教學.通過這樣的教學與學習，所培養的學生具有面向未來的、具有發現能力的、能夠終身學習的時代新人.

1 發現教育與知識建構

教育的本質是什么？1996年聯合國教科文組織在“學習—財富蘊藏其中”指出“學會認知、學會做事、學會共同生活和學會生存，是現代教育的四大支柱”，2017年在“反思教育向全球共同利益的理念轉變”中指出反思教育的目的和學習的組織方式從未像今天這樣迫切.現代學習科學達成的幾個共識：更深刻理解概念的重要性；注重教，也注重學；創設學習環境；建立在學習者已有知識上的重要性；反思的重要性.對此我們可以用一個詞來概括，那就是“發現”，教育學生發現，教育學生學會發現，教育也是發現，“科學探究”也是一種“發現”，學會“科學探究”也就是學會“發現”.布魯納的“發現學習”觀指出：學習是一種學生自己去發現的積極的認知過程.奧蘇貝爾的“意義學習”觀指出“只有通過新信息與學生認知結構中已有的有關概念的相互作用，才實現意義的理解，即發生意義學習.建構主義認為學習是學習者基于原有的知識經驗生成意義、建構理解的過程，而這一過程常常是在社會文化互動中完成的.在知識的建構過程中學習者是基于原有的知識經驗，在新情境中通過協作不斷發現與生成的過程，即建構是發現與生成、生成與反思、反思與發現螺旋上升的過程.

發現學習既是教的方法，又是學習方法.美國R.格拉澤主張，應把“靠發現而學習”與“以發現為目標的學習”區分開來.前者是指通過發現過程進行學習的方法，而后者則是把學習發現的方法本身作為學習的目的.實際上“發現”是學與教的方式，也是學與教的內容，通過發現獲得知識與能力的提高，也是通過教育教學學會發現.因此發現教育既是教育的方式，也是教育的一項目標.我們的教育是“為了每位學生的發展”.我國學生發展核心素養中指出研究學生發展核心素養是落實立德樹人根本任務的一項重要舉措，也是適應世界教育改革發展趨勢、提升我國教育國際競爭力的迫切需要.學生發展核心素養，主要指學生應具備的，能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力.物理教學實施發現教育就是為了通過知識建構的方式積極促進學生形成適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力.

2 發現教育中“學生發現”

物理課堂教學實施發現教育，就是要學生親自參與所學知識的體系建構，自己去思考，自己去感悟，自己去發現，自主建構知識.物理是一門實驗科學，物理學習既發展學生的物理知識，也發展學生的實驗技能，物理課堂實施發現教育能夠發展學生多方面的能力，這里主要圍繞學生發現學習，即學生自主發現問題、發現知識、發現技能3個方面為例分析如下.

2.1 發現問題

發現問題是發問（提出問題）的基礎.在“電能表與電功”課堂教學中，如何構建“電功”這個概念，是電功教學的重要問題與困難問題.電功很抽象，看不見摸不著.我們可以創設情景“活動1：觀察串聯電路燈泡發光”，如圖1所示，從活動觀察中發現開關閉合后燈泡能發光，且兩個燈泡亮暗不同的現象，針對發現的現象發問：光能從何而來？相同時間兩個燈泡產生光能不同說明什么？從而幫助學生從機械功的概念遷移建構，光能從電能轉化過來，這個能量轉化的過程是電流做功的過程，兩個燈泡亮度不同，即同樣時間內轉化得到的光能多少不同，即電流做功多少的不同，這個電流做功及多少的不同可以用“電功”來量度，從而建構電功概念.“燈泡發光”是習以為常的現象，在習以為常的現象中“發現問題”很是困難，這時可以通過“兩個燈泡發光怎么會不同？”進行回溯“燈泡怎么發光？光能從何而來？”助推學生思維，促進學生思維進入“疑問與發問”狀態.觀察法是物理學的重要方法，物理教學往往會通過實驗活動、圖片展示和視頻現象等等方式提供學生參與觀察的過程，而學生能從現象觀察中發現什么？教師要積極預設、引導學生能夠從中去發現，一則是為了課程教學的需要，同時也是為了培養學生觀察發現能力的需要.物理教學要培養學生的發現問題的能力.

圖1

2.2 發現知識

物理科學知識來源于對物理現象的觀察、實驗、分析、歸納.歸納與演繹是物理科學知識發展的基本方法.初中物理以歸納法學習為主.學生的物理知識往往通過科學探究總結歸納建構.知識建構緣由發問、始于猜想、行于探究、成于歸納及反思，這是發現知識的過程.如圖1所示，建構電功概念后，提出問題“兩燈泡相同時間做功不同的原因”；再通過對實驗電路的比較分析和課本閱讀，發現與認識電功可能與電壓、電路強度、時間等有關.在此需要注意的是學生的物理知識不是他原生創造的，他只是經歷知識形成的過程，電功、電流、電壓都是不能直接看到與摸到的，完全讓學生去猜測是很困難的，因此要讓學生通過課本閱讀來獲取信息，有助于適度降低學習進程中的臺階，實現有效的學習進階.如圖2所示，由此學生通過探究“活動2：電流對電功的影響”實驗，深刻認識、建構“電功的大小決定于電流、電壓與時間：W=U I t”的知識.

圖2

學生的物理知識來源于實踐與建構，經歷知識發現的過程，有助于學生了解物理知識的形成過程，形成學生面向未來的基本科學素養.

2.3 發現技能

物理實驗是物理學發展的根本，物理實驗能力素養提升是物理學習中非常重要的一項內容.而實驗能力不僅是思維的，更是實踐動手的素養，實驗技能的發芽、生長都是在實際操作中發生與成長的.上述“活動1：觀察串聯電路燈泡發光”、“活動2：電流對電功的影響”中能發展學生實驗的觀察能力、控制變量法的操作運用能力、數據比較分析能力等.進一步由于對定量測量內在需求，學生會發現與提出“能否測量電功”“怎樣測量電功”等問題，激發學生對測量的內在驅動，設計出利用電壓表、電流表和鐘表來測量電功的方法，電路如圖3所示，即發現同樣可以用伏安法來測量直流電路的電功.

圖3

進一步提出“能否直接測量電功”“有沒有直接測量電功的工具”“如何才能直接測量電功”.通過聯系生活實際，了解生活中有“用電-消耗電能”的直接測量工具-電能表，如圖4所示.在電能表認識的教學中，通過電能表實物閱讀與實際實驗測量，來發現電能表的規格、各參數的意義、測量數據的閱讀、電功的計量方法等，發展與提升學生對陌生物理測量工具認識與使用的方法學習及實操能力，發現與促進學生實驗技能的提升.

圖4

3 發現教育中“教師發現”

實施發現教育過程中學生的發現學習不是孤立的學習過程，是在教師引導和協助下的發現學習過程.發現學習強調學生學習的主動性，強調學習的認知過程，重視認知結構的形成，注重學習者的知識結構、內在動機、獨立性與積極性在學習中的作用，有利于激發學習者的探究欲望，有利于培養學習者分析問題、解決問題的能力.但是，每個學生都是一個獨立的個體，他們分別來自于不同的家庭，他們各自生活的經歷不同、體驗不同，他們有不同的前概念、前知識，他們各自的思維方式有差異.因此，實施發現教育不僅是學生開展發現學習的過程，而且是教師發現學生和實施發現指導的過程，其中教師的發現學生這一點顯得尤為重要，它是實現有效引導的前提與基礎，是開展有效教學和深度學習的前提與基礎.

3.1 發現迷思

學習總是在原有知識背景下發生的，學生進入課堂時，并不是一個空容器等著被填滿，而是帶著各種各樣的半成型的觀點和迷思概念.迷思概念是指學生在學習科學概念之前即具有的直覺知識或與正統科學知識不符的概念.每個學生迷思概念形成的可能有多方面的原因，可能是學生自身個人因素所致，也可能社會文化因素所致.如有可能是日常生活概念和科學概念掌握要求的不同，導致學生在掌握科學概念時遇到很大的認知和元認知困難所致.但不管怎樣的因素，迷思概念影響了學習對科學概念的掌握，教育教學中積極發現學生的迷思將能有效地促進學生的有效學習.

在上述圖1“活動1：觀察串聯電路燈泡發光”中學生會認為電流從電源正極出發經導線、用電器流向負極，學生往往會聯想水流類比電流，確實課本上在電流教學時就是如此類比的，因此會使學生形成“電路中靠近電源正極的用電器，由于電流先經過而先獲得電能，從而得到的電能較多.”這樣的想法與觀點，如果實驗中恰好是靠近正極的燈泡發光更亮時會加劇學生這樣的認識與觀點.教師在教學過程中要善于發現學生這種“迷思”，用證據幫助學生予以糾正，我們可以設計將該串聯電路中的兩個燈泡進行交換，觀察是否總是靠近電源正極的燈泡更亮，再換用不同的燈泡重復實現.迷思概念來源有多種情況，但是，往往與學生原有的知識經驗有關，教師要善于降低身子，從學生的認知與思維角度去看問題，盡早發現學生迷思，通過設計糾正學生迷思的方法，促進學生的學習與成長.

3.2 發現思維

教師不但要幫助學生糾正迷思，還要通過發現學生思維的過程，來促進學生思維能力的提升與發展.教學設計中往往要思考內容知識序、學生認知序與教學序的問題，教學序的安排盡量要讓內容知識序符合學生的認知序，使學生在春風化雨、潤物細無聲的過程中實現發現學習.在“電能表與電功”教學設計中，課本是把電能表內容安排在電功內容之前，源于生活中每家每戶都有電能表和要交電費的情況，有利于情境創設，讓學生從生活走向物理；但是具體的情況是，城市中每家每戶的電能表都是在樓道集中安裝于一處的，學生不易觀察到，電費往往已實現電子交費，學生已看不到繳費單，所以該情境與現實不是很相符.同時家用電能表測量的是交變電流的電功，與先前歐姆定律部分研究的是直流電路，及電能表之后又先從直流電路建立電功的概念，中間冒一下交流電路比較突兀，與學生的認知序不是很相符.為此，發現該認知思維序后，將知識序作適當調整，讓學生先通過情境“活動1：觀察串聯電路燈泡發光”建構電功概念，再通過“活動2：電流對電功的影響”理解電功大小的決定因素與計算，進一步通過“直流電路電功的測量”過渡到電能表的學習.其過程比較符合學生的認知序，也就符合學生的思維發展過程.教學不但要發現整體的認知序，也要關注發現局部的認知序.

3.3 發現進階

使知識建構過程與學生認知序相符的目的是為了有利于促進學生的學習進階.“活動1：觀察串聯電路燈泡發光”通過燈泡亮暗的定性討論研究發現電能轉化的不同，從而定性建構電功概念.“活動2：電流對電功的影響”理解電功大小的決定因素與計算，將電功從定性到定量是知識的發展，也是思維從定性思維到定量思維方式的進階；“直流電路電功的測量”的設計是從伏安法測量電阻到測量電功的思維進階；再從“直流電路電功的測量”過渡到“交流電路電功的測量”也是思維的進階與發展，從而為后續家庭電路的學習奠定初步的認知基礎.

在“電能表使用”教學中，學生從“增量”思維方式，即認識較長的一段時間內（如1個月）電能表讀數增量W=W2-W1即為該段時間的用電量（做的電功），在積極理解電能表常數（如3200imp/kW·h），用“分配”思維方式，認識短時間通過指示燈閃爍次數計量用電量.從解決問題角度實現思維的進階，完成該部分內容的深度學習.

不論是知識建構過程中迷思概念的發現，還是思維發展過程中進階的發現，都要求我們從物理知識形成的角度、現代認知理論的角度研究教材與學生，設計符合學生認知進階的課堂教學方式，以促進學生的發現學習與關鍵能力的發展.

“讓教育成為發現與創造的藝術”，教育中積極地用發現的眼光、發現的方式去實現學與教的過程，就是創新、就是創造、就是深度學習.在課后教學反思中，我是這樣認識的“從實際教學實踐中來看，該設計符合學生的認知邏輯，也符合物理本身的知識邏輯，通過逐步深入與探究的深度學習，既促進了學生科學知識、方法與技能的提高，也發展了學生的高階思維.”科學探究是科學發展的原行動，科學探究是學生認識科學、發現科學知識的主動學習行為，科學探究是認知過程的不斷深入與推進，是深度學習的行動實踐.科學探究是基于發現的探究，是一種發現行為，是發現教育的重要方法.發現教育的發現不但是指向學生的發現學習；更重要的還是指向教師的教育教學（設計與實踐）過程中的教育發現.發現教育是實現學生深度學習和促進學生高階思維發展的重要途徑，有利于促進學生必備品格和關鍵能力的形成.教育發現，發現在處處，發現在時時，人人發現，發現人人.