基于問題導向的深度學習教學設計
——以學習“導體的電阻”為例

王賢勇 張 亮 熊 雪

(貴州省畢節市第一中學,貴州 畢節 551700)

1 問題導向學習和深度學習

問題導向學習(Problem-Based Learning,簡稱PBL)是以問題為導向的學習,Howard,Robyn Tamblyn指出:在PBL學習中,知識的獲得源于對問題的認識和解決過程.[1]學習開始遇到問題,問題本身推動了解決問題和推理技能的應用,同時也激發學生查找信息,以學習關于此問題的知識和結構以及解決問題的方法.PBL要求學生對自己的學習負責,教師只是學習的引導者,隨著學生學習深入,教師的干預作用減少.PBL教學法主要基于認知心理學和自主學習的原則.[2]傳統教學與PBL教學的對比如表1所示.

表1 傳統教學與PBL教學的對比

傳統教學中,教師主要是授學生以魚.結果一般是:教師講得累,學生打瞌睡,離開教師后,方法又不會.PBL教學中,教師主要是授學生以漁.教師用智慧去激發學生的興趣和思維,重在培養學生學習的主導性和自主性,讓學生養成終身愛學習、會學習的良好習慣.

深度學習是指在理解的基礎上,學習者能夠批判地學習新思想和事實,并將它們融于原有的認知結構中,能夠在眾多的思想間進行聯系,并能將已有的知識遷移到新的情境中,作出決策和解決問題的學習.深度學習深在思維過程、豐富的學習結果和充分的教學引導.[3]其能力簡約框架如表2所示.[4]

表2 深度學習能力簡約框架

從認知領域來說,要求學生能夠掌握核心知識,并能遷移到其他情境,應用技術和工具發現和解決問題,能進行數據分析、統計推理、科學探究、創造性思維和創新性評價.

從人際領域來看,團隊協作能力要求學生能夠和他人合作完成任務,有共同的目標,能接受不同人的觀點.有效溝通要求能口頭表達、書面表述、提出建設性意見或建議、綜合不同的觀點、反復修改討論結果,形成最佳方案或結論.

個人領域方面要求學生能自我監控和管理,能獨立學習、自主學習,具有堅強的意志力,能持續地投入精力去學習,能尋找更好的學習方式來應對挑戰性的問題.

可見,問題導向能夠觸發學生查找信息,引導學生思考、理解、實踐、探究,從而解決問題.深度學習能根據學生的最近發展區,在理解的基礎上把學生的思維導向深處,豐富學習結果.教學中,二者的有機融合不僅能提高學生學習的效率,更重要的是能培養學生的問題意識,激發學生學習的積極性,促進學生素養的提升.

2 PBL導向下深度學習的教學設計

在傳統課堂中,教師一般都是根據教材內容和課標要求來確定教學目標.有經驗的教師會把高考要求的目標和教材結合起來教學.在課堂教學上,教師激情四射,聲情并茂.他們專注于自己所講的內容,認為只要自己講得正確、清晰、邏輯、完整、風趣、精彩、有深度即可達成目標.教師有時為了讓課堂活躍起來,時不時地“點名”回答,或拋出一些簡單的問題,只需要學生集體回答“正確”或“不正確”.這樣的課堂學生思維停留在淺表,他們主要專注于聽,往往是一聽就會,一做就錯.究其原因是教師教學不關注學生的學習過程,不了解學生的“需求”,沒有激發學生深層次的思維活動,違背了學生的認知規律(最近發展區).學生雖然熟記了一些概念、規律,但由于沒有設計感、沒有親自經歷獲取知識的過程,所以無法把這些概念和規律用來解決實際問題.基于此,需要重構課堂設計.筆者根據學生的最近發展區和布魯姆學習目標(記憶、理解、應用、分析、綜合和評價)的認知規律,嘗試了一種PBL導向下深度學習的教學設計,流程如圖1所示.

圖1 PBL導向下深度學習的框架圖

3 PBL導向下“導體的電阻”的深度學習

3.1 學習目標

通過多媒體、板書或導學案展示如表3所示的素養目標.

表3 “導體的電阻”核心素養目標

從認知(最近發展區)看,高中學生在初中已經學習了電流、電壓、電阻這3個物理量,知道這3個量在純電阻的條件下滿足歐姆定律.電路中小燈泡的亮、暗能把其兩端的電壓和流過的電流表征出來.學生初中已經學習了串并聯電路的初步知識,知道串聯可等效為增大導體的長度,并聯可等效為增大導體的橫截面積;知道滑動變阻器接入電路可以控制某一電阻的電流和電壓的變化范圍,會用電流表、電壓表接入電路測量電流和電壓.同時經過高一上學期的學習,學生初步學會了利用圖像處理數據的方法.

從人際和個人能力上分析,在人際領域,為了培養學生的有效溝通和團隊合作能力,根據學生的成績、興趣、性別、勝任力進行異質分組,力求均衡.當然也可以讓學生自行組隊,挑選自己喜歡的合作伙伴.

3.2 課程開發

該環節要解決的是“教什么”的問題,即為了達到教學目標,筆者提供的教學內容是新人教版(2019年)物理必修第3冊第11章第2節導體的電阻.

器材準備:筆記本電腦、功率不同的燈泡、滑動變阻器、裝修用的導線、不同材料的電阻絲、兩種阻值不同的定值電阻若干(合金)、鎢絲電阻(8個左右,可以自制)、干電池(或學生電源)、自帶接線夾的導線若干、開關、電烙鐵、焊錫、酒精燈、帶接線柱的木板等.

課前預習:開放物理實驗室,學生到實驗室預習前一定要強調安全問題.通過問題導向給學生布置任務,讓學生提前預習“導體的電阻”這一節內容.

上課環境:電學實驗室.

3.3 課堂教學

環節1:PBL導向,如何理解導體對電流的阻礙作用?通過預習,學生自主復習串并聯的知識,回顧比值定義法的特點,在初中的基礎上,采用比值定義法重新定義了電阻這個物理量.各小組選擇實驗器材:干電池(學生電源)、定值電阻(小電阻)、滑動變阻器、帶接線夾的導線、開關,坐標紙,利用圖2電路完成實驗,學生設計圖表4記錄U、I數據.

圖2 探究導體阻礙作用電路圖

表4 定值電阻的電壓與電流關系

根據實驗數據,學生在坐標紙上或利用筆記本電腦Excel軟件分別作出兩個定值電阻的U-I圖像,如圖3所示.根據作出的U-I圖像,學生分析、評估、交流.得出電壓U1相同,電流IA

圖3 定值電阻的伏安特性曲線

設計評價:根據問題導向(PBL)和學生在初中具備的電學知識,培養學生動手能力、設計感、讀數能力、作圖能力以及根據圖像分析問題和解決問題的能力.通過對圖像分析,學生加深了對比值定義法的理解,領會了只有在線性關系的U-I圖像中,斜率才表示電阻,同時為后面學習“探究燈泡的伏安特性曲線”打下基礎.

環節2(科學探究):探究影響導體電阻的因素.

猜想:如圖4所示,學生通過觀察燈絲、滑動變阻器、裝修所用的銅線,讓他們猜想影響導體電阻的因素可能有:導體的長度l、橫截面積S、材料特性.

圖4 變阻器、白熾燈、銅線

研究方法:控制變量法.

理論探究:學生已經學習了電阻的串并聯知識,知道串聯相當于增加導體的長度,并聯相當于增大導體的橫截面積.

探究1:當導體材料和橫截面積S不變時,增加導體的長度l,探究導體的電阻R與長度l的關系.教學中引導各小組增加導體的長度時,建構圖5所示的模型.

圖5 導體長度增加的等效結構

結論1:當導體材料和橫截面積不變時,導體的電阻R與長度l成正比,即R∝l.

探究2:當導體材料和長度l不變時,增加導體的橫截面積S,探究導體的電阻R與橫截面積S的關系.教學中引導各小組建構如圖6所示的模型.

圖6 電阻橫截面積增加等效結構

設計評價:培養學生觀察現象,提出問題的能力;培養學生利用已有知識,聯系新知識的能力;培養學生模型建構能力、抽象思維能力、歸納概括能力、演繹推理能力和等效的思想.

證據(驗證):把新人教版物理必修第3冊58頁的實驗由探究性實驗改為驗證和探究相結合的實驗,電路如圖7所示.[5]

圖7 驗證決定電阻大小因素的電路圖

學生選擇儀器:電阻演示儀,材料不同的電阻絲,電烙鐵、焊錫、米尺等器材,自己制作4段導體.如圖7所示,其中材料相同的3段導體a、b、c中,a和b橫截面積相等,b的長度是a的2倍(3倍也可以),a和c長度相等,c的橫截面積是a的兩倍.注意引導c可以用兩根相同的a并聯焊接而成,d與a長度、橫截面積相等,材料不同.

安全提醒:學生預習時,教師要親臨實驗室,并教會學生用電烙鐵焊接電阻絲的方法以及使用的注意事項.上課時再次交代注意事項,以免學生焊接時被電烙鐵燙傷.

實物連接方案1:把同一根電阻絲標記為長度不同的兩段即可得到導體a、b,把焊接好的導體c和b、d串聯焊接起來,按圖7連接電路.

實物連接方案2:改裝或自制電阻演示儀,如圖8所示.木板上安裝有左右等間距的8個接線柱,把材料相同的電阻絲從1依次連接到6,在5和6之間連成雙線(并聯),7到8之間連接材料不同的另一電阻絲(長度和橫截面積與1、2之間的電阻絲相等).1、2之間構成導體a,1、4之間構成導體b,5、6之間構成導體c,7、8之間構成導體d.電路圖如圖8所示.引導學生設計表5記錄數據,實驗中多次改變滑動變阻器滑片的位置,提高實驗可信度.

圖8 自制電阻演示儀

表5 各定值電阻的電壓記錄表

學生設計電路,連接好電路后,分別改變滑動變阻器滑片的位置,在表5中記為位置1、2、3、4,分別測出滑動變阻器在各位置時,導體a、b、c、d的電壓.要注意提醒學生使電壓表的指針偏轉盡量大一些,以便減小偶然誤差.數據分析,學生交流、歸納、總結、評價.

結論2:長度、橫截面積相等的導體,材料不同,電阻不相等,說明導體的電阻還與材料有關.

設計評價:根據問題導向(PBL)培養學生閱讀能力、實驗創新能力、動手能力、設計感、處理數據的能力,尋找證據、歸納總結的能力.這個環節中,根據最近發展區理論,在教師充分的教學引導下,學生學習的動機和已經具有的知識經驗完全被激活,建立了已儲備知識和新知識間的關聯,能多視角觀察、思考同一問題,靈活地、創造性地解決問題,同時經歷了復雜的思維過程,動腦設計、動手操作,獲得了豐富的學習成果.

解釋1:不同材料的導體ρ一般不同,在長度、橫截面積一定的條件下,ρ越大,導體的電阻越大,ρ表征了材料的導電性能,叫電阻率.

解釋2:表6為幾種材料在20 ℃時的電阻率.

表6 幾種材料的電阻率

問題導向:從表6的數據可以直接看出什么?能提出什么問題?

引導學生閱讀教材得知,純金的電阻率一般較小,合金的電阻率一般較大.家庭裝修采用銅線或鋁線,從電阻率和經濟成本上來看是最佳的選擇.表6列出幾種材料的電阻率時,標注了溫度是20 ℃,這可能說明什么?

學生猜想:電阻率可能與溫度有關.閱讀教材,設計如圖9的電路來驗證.

圖9 探究溫度對電阻的影響電路圖

學生驗證:引導學生分別在A、B之間接入鎢絲電阻和銅錳合金電阻,然后用酒精燈對其進行加熱,觀察燈泡亮度的變化情況.

學生總結:鎢絲的電阻率隨溫度的升高而增大,銅錳合金的電阻率受溫度的影響較小,幾乎不變.

引導學生挖掘教材,擴大結論適用范圍:純金屬的電阻率較小,合金的電阻率較大,用電器的電阻通常大于導線的電阻,一般情況下,導線的電阻可以忽略不計;純金屬的電阻率隨溫度的升高而增大,某些金屬電阻率隨溫度變化非常明顯,如鉑絲,可以用來制作溫度計;某些合金的電阻率幾乎不受溫度的影響,可以用來制作標準電阻;當溫度降低時,某些導體的電阻會減小,溫度特別低時,電阻會減小到0,這種現象叫超導.介紹我國科學家趙忠賢在超導方面的貢獻,激發學生崇尚科學的興趣和培養學生投身科學的精神.

問題導向:如圖10所示,有一材質均勻的長方體金屬導體,長為a,寬為b,高為h,電阻率為ρ.1、2、3、4分別為4個接線柱,若分別將1、2和3、4接入電路,導體對應的電阻各為多大?

圖10 長方體金屬導體

設計評價:培養學生回歸教材、重視教材、提出問題、對規律的理解和運用的能力以及再次經歷猜想、驗證的科學探究過程.讓學生的思維再次得到升華,動手能力再次得到訓練.通過教材強化物理學科在當代科技中的價值,在推動科技發展中的作用和地位.給學生們介紹我國科學家趙忠賢在超導方面的貢獻,培養學生愛國主義情懷,激勵學生學習我國科學家的奮斗精神,增強學生的民族自信心和自豪感.

環節3:這節課學生學到了什么?先即興進行個人總結交流,然后小組內對個人總結歸納梳理,例如可以用思維導圖、概念圖、樹狀圖等形式呈現出來,最后每組派一個代表進行展示交流,其余組員可以補充.這樣做的目的是,不同層次的學生都能分享自己的觀點,鍛煉了學生的表達能力、總結能力,同時看到自己的不足,加深對新概念的理解,評估自己和別人的差異,最終找到改進學習的方法和方向.

教師評價:以鼓勵為主,根據每個組的總結情況,抓住閃光之處進行點評,培養學生正確的態度和價值觀,但有錯誤或不嚴謹之處,一定要糾正或補充,因為正確可靠的學習成果才是學生求真理、悟道理、明事理的基礎保障.

4 教學反思

這次導體電阻的教學設計,與2018年筆者相同內容的教學設計比較,[6]可以說是一次理論與思想的進階.從理論的角度看,有最近發展區、布魯姆學習目標等理論的支撐;從理念的角度看,教師引導為次,學生“表演”為主,體現了以學生為中心的教學,更加符合新課標的理念;從操作的層面看,有理論推導、實驗設計,學生手腦并用,多角度培養學生的設計感;從用教材的角度看,筆者用教材教而不是教教材.在進行課堂教學設計時增加了教材之外的內容,把教材的探究實驗改為驗證和探究相結合的實驗.這樣修改的目的是契合觀察→猜想→理論→驗證→解釋→交流→評價的這一科學探究流程,[7]在此流程中,激發了學生的問題意識、提出了有價值的問題、培養了學生的問答能力,教師引導、質疑、解惑、點評,是一次有針對性地培養學生核心素養的嘗試.[8]

筆者在第一個班執行教學的過程中,因為實驗多,學生不熟悉實驗電路,組員之間分工不明確、配合不默契,故學生無法順利完成實驗,導致未能完成教學任務.故筆者在第二個班教學前做了大量的準備工作,以問題為導向(PBL)設計了導學案,帶領學生走進實驗室熟悉器材,然后再實施課堂教學,這樣就順利地完成了教學任務.過程是艱辛的,但每當想起學生們在課堂上精彩的表現,瞬間覺得自己是多么的幸福.當然,教學中還有很多瑕疵與不足,路漫漫,且教且修正.