基于CPS模型的物理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐①
——以“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)為例

劉江藝 李貴安 陳虹尹 余 洋

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710119)

1 引言

創(chuàng)造性問題解決模型(Creative Problem Solving,縮寫為CPS)由美國的帕恩斯提出,經(jīng)過多次修改完善,現(xiàn)階段使用最廣泛的為“四成分八階段”模型,通過理解挑戰(zhàn)(Understanding the Challenge)、生成想法(Generating Ideas)、準(zhǔn)備行動(dòng)(Preparing for Action)、規(guī)劃方法(Planning Your Approach)四個(gè)成分聚焦“創(chuàng)造性問題解決”,交替使用發(fā)散思維和聚斂思維,在不斷探索的過程中產(chǎn)生問題最優(yōu)解。[1]

將CPS模型與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合,可有效培育與提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。但將CPS模型直接搬入傳統(tǒng)課堂仍存在諸多問題,如傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容集中在課中階段呈現(xiàn),難以提供充足時(shí)間讓學(xué)生的思維自由發(fā)散,從而大大限制了學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮,且由于傳統(tǒng)教學(xué)的限制,學(xué)生獲得信息的途徑較少,使CPS模型中“頭腦風(fēng)暴”的實(shí)施效果大打折扣。CPS模型的運(yùn)用需要教師有較高的課堂應(yīng)變能力,若給予學(xué)生的反饋不及時(shí)、不恰當(dāng),則會(huì)極大降低課堂效率。翻轉(zhuǎn)課堂作為“課堂革命”浪潮中興起的一種基于新理念的教學(xué)模式,[2]打破了傳統(tǒng)課堂的時(shí)間和空間限制,將CPS模型融入翻轉(zhuǎn)課堂,有效解決了CPS模型與傳統(tǒng)課堂結(jié)合存在的弊端。學(xué)生可在課前通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)、實(shí)地考察等多種途徑充分汲取知識(shí),提出不同尋常的問題,建立超越“正確”答案的新想法,并帶著具有創(chuàng)新性和獨(dú)特性的思考成果進(jìn)入課堂,教師則作為學(xué)生的“引路人”,根據(jù)學(xué)生的課前反饋設(shè)定目標(biāo)和問題,為學(xué)生提供發(fā)揮創(chuàng)造力的課堂環(huán)境。

筆者以“法拉第電磁感應(yīng)定律”教學(xué)為例,將CPS模型與翻轉(zhuǎn)課堂理念相結(jié)合,探索基于CPS模型的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。

2 基于CPS模型的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

基于CPS模型的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程如圖1所示,各教學(xué)階段的具體內(nèi)容如表1所示。該教學(xué)模式將CPS模型中“理解挑戰(zhàn)”和“生成想法”兩個(gè)成分放在課前進(jìn)行,學(xué)生課前產(chǎn)生創(chuàng)新想法后,進(jìn)一步在課中“準(zhǔn)備行動(dòng)”,提出解決方法并實(shí)施,“規(guī)劃方法”則在課后進(jìn)行,對課前和課中的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行反思、總結(jié),優(yōu)化提升CPS模型,從而將正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)深度相融合。

表1

圖1

該模式在教學(xué)實(shí)踐過程中并不是線性的,而是動(dòng)態(tài)、靈活、開放、可調(diào)節(jié)的,可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整,問題解決者可以隨時(shí)提出新的想法,回到“生成想法”和“理解挑戰(zhàn)”的步驟當(dāng)中。每個(gè)成分既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系,教師在實(shí)際教學(xué)過程中,可隨時(shí)優(yōu)化改進(jìn)。[3]該模式具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,運(yùn)用得當(dāng)可使教學(xué)過程煥發(fā)出勃勃生機(jī)。

3 “法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)案例分析

3.1 課前:理解挑戰(zhàn),生成想法

3.1.1 尋找時(shí)機(jī)

教師利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提供課前學(xué)習(xí)資源:(1) 電磁爐使未接電源的LED燈發(fā)光的實(shí)驗(yàn)視頻;(2) 手機(jī)無線充電設(shè)備的圖片及視頻;(3) “發(fā)光地板裝置”的演示視頻。[4]

學(xué)生觀看視頻及圖片后提出問題:(1) 為什么LED燈未接電源卻可以持續(xù)發(fā)光?(2) 為什么手機(jī)不用充電線也能充電?(3) 為什么人在“發(fā)光地板裝置”上跳動(dòng)時(shí)燈泡能發(fā)光?(4) 以上三種情境中的電能是怎樣產(chǎn)生的?……

3.1.2 搜集資料

學(xué)生根據(jù)問題通過網(wǎng)絡(luò)搜集資料,觀察家里的電磁爐和無線充電裝置。教師提示、引導(dǎo)學(xué)生回憶楞次定律和電源電動(dòng)勢的定義,將電磁爐和手機(jī)無線充電設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)獲取相關(guān)信息,猜想“發(fā)光地板”的構(gòu)造。

3.1.3 生成問題

學(xué)生通過搜集資料、復(fù)習(xí)楞次定律和電源電動(dòng)勢等活動(dòng),發(fā)現(xiàn)上述三個(gè)情境中的共同之處:電路中有持續(xù)且穩(wěn)定的電流。聯(lián)想電動(dòng)勢的相關(guān)知識(shí),判斷電路中都有電動(dòng)勢的產(chǎn)生。由此,生成關(guān)鍵問題并發(fā)布在互動(dòng)平臺(tái)上:(1) 該電動(dòng)勢的大小與什么因素有關(guān)?(2) 磁通量的變化會(huì)影響該電動(dòng)勢的大小嗎?(3) 如何測量該電動(dòng)勢的大小?……

每個(gè)學(xué)生的問題不同,但本質(zhì)上應(yīng)與電動(dòng)勢相關(guān),教師要密切關(guān)注互動(dòng)平臺(tái),及時(shí)為學(xué)生提供幫助。最后,教師在互動(dòng)平臺(tái)上點(diǎn)明該電動(dòng)勢為感應(yīng)電動(dòng)勢,并確定最終問題:決定感應(yīng)電動(dòng)勢大小的因素有哪些?如何通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?

3.1.4 提出猜想和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案

學(xué)生猜想影響感應(yīng)電動(dòng)勢大小的因素如下:(1) 磁感應(yīng)強(qiáng)度B;(2) 磁體運(yùn)動(dòng)的速度v;(3) 線圈的橫截面積S;(4) 穿過線圈橫截面的磁通量Φ;(5) 線圈匝數(shù)n;(6) 磁體通過線圈的時(shí)間Δt……

學(xué)生思考驗(yàn)證猜想的實(shí)驗(yàn)方案,將想法發(fā)布在互動(dòng)平臺(tái)上。

評析:課前自主學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂的核心,學(xué)生需要先分析三個(gè)情境中隱含的信息。在此過程中教師不能過早介入,要留給學(xué)生充足的自主探索時(shí)間,為其提供思考方向,關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的連續(xù)性和階段性。學(xué)生在形成猜想時(shí),剖析、去除非本質(zhì)的因素,如“發(fā)光地板”是否由于跳動(dòng)產(chǎn)生的聲音而發(fā)光等,進(jìn)而提取關(guān)鍵信息,思維在發(fā)散后聚斂,在此基礎(chǔ)上提出猜想和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。

3.2 課中:準(zhǔn)備行動(dòng)

3.2.1 尋求方法

師生共同揭秘“發(fā)光地板裝置”的構(gòu)造及原理,利用磁體、螺線管和檢流計(jì)模擬發(fā)光過程(圖2),進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生更直觀地通過電流變化感知感應(yīng)電動(dòng)勢的變化。引導(dǎo)學(xué)生在課前猜想的基礎(chǔ)上,將磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈的橫截面積S兩個(gè)因素合并,歸納總結(jié)出感應(yīng)電動(dòng)勢的影響因素為:線圈匝數(shù)n、穿過線圈橫截面的磁通量的變化量ΔΦ、磁體通過線圈的時(shí)間Δt。

圖2

小組討論如何探究感應(yīng)電動(dòng)勢與n、ΔΦ、Δt之間的關(guān)系,分享課前準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)方案,每位成員發(fā)表想法,通過“頭腦風(fēng)暴”產(chǎn)生最佳實(shí)驗(yàn)方案。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材,組內(nèi)分工合作,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的可行性,準(zhǔn)備課堂展示。

3.2.2 展示與評價(jià)

小組匯報(bào)并展示。

(1) 定性探究

將磁體以不同的速度插入和拔出螺線管(圖3),速度越快,回路中的電流、電動(dòng)勢越大。據(jù)此得出結(jié)論:感應(yīng)電動(dòng)勢E與Δt成反比。將不同數(shù)量的磁體疊加在一起穿過螺線管,發(fā)現(xiàn)磁性越強(qiáng),即磁通量的變化量越大,回路中的電流、電動(dòng)勢越大。據(jù)此得出結(jié)論:感應(yīng)電動(dòng)勢E與ΔΦ成正比。增加螺線管線圈匝數(shù),將磁體穿過螺線管,發(fā)現(xiàn)匝數(shù)越多,回路中的電流越大,線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢越大。據(jù)此得出結(jié)論:感應(yīng)電動(dòng)勢E與n成正比。

圖3

(2) 定量探究

圖4

每組的展示結(jié)束后,教師引導(dǎo)其他組同學(xué)從實(shí)驗(yàn)器具、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)誤差等方面進(jìn)行評價(jià),提出質(zhì)疑,展開答辯,在思維的碰撞與交鋒中獲得新認(rèn)識(shí)。

教師總結(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容和表達(dá)式,幫助學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)過程,構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。利用PPT展示法拉第電磁感應(yīng)定律在現(xiàn)代生活中的廣泛應(yīng)用,如發(fā)電機(jī)、汽車車速表、電磁感應(yīng)式震動(dòng)報(bào)警器等,介紹我國的磁懸浮列車曾創(chuàng)下最高運(yùn)營時(shí)速、最低運(yùn)營溫度等世界紀(jì)錄,彰顯我國的科技實(shí)力。

評析:“頭腦風(fēng)暴”是CPS模型的重要步驟,學(xué)生在小組討論中生成不同實(shí)驗(yàn)方案,定性探究與定量探究結(jié)合,由感性認(rèn)知到定性判斷,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。在教學(xué)中有機(jī)融入課程思政元素,有利于提高學(xué)生的民族自豪感和自信心,實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理課程的育人功能。

3.3 課后:規(guī)劃方法

3.3.1 評估課題

教師布置課后任務(wù):了解磁生電的科學(xué)猜想和歷史背景,了解法拉第的科學(xué)研究方法、生平事跡和科學(xué)成就,學(xué)習(xí)法拉第堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神。學(xué)生查找資料,完成課后任務(wù)。

學(xué)生開展自我評估,教師評價(jià)學(xué)生的個(gè)體表現(xiàn)和小組表現(xiàn),對于創(chuàng)造性思維能力和探究過程可從流暢性、靈活性、原創(chuàng)性、詳盡性四個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。

3.3.2 總結(jié)問題解決過程

學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)探究思路及創(chuàng)造性問題解決過程,反思發(fā)散和聚合思維的使用情況,繪制問題解決思路圖(圖5)。教師回顧各環(huán)節(jié)教學(xué)效果,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),形成“閉環(huán)”教學(xué)。

圖5

評析:學(xué)生通過自我評價(jià),培養(yǎng)關(guān)于問題解決過程和創(chuàng)造技能的元認(rèn)知能力,繪制思路圖則可以使其有效審視問題解決過程,提高知識(shí)和方法的遷移能力。

4 結(jié)語

將“四成分八階段”的CPS模型與翻轉(zhuǎn)課堂的課前、課中和課后相結(jié)合,為學(xué)生提供了發(fā)揮自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)和解決問題的平臺(tái)。這種教學(xué)模式可與時(shí)俱進(jìn),借助信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué),大力推動(dòng)信息化教學(xué)改革,為中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供新的思路。