基于思維進(jìn)階式發(fā)展的作業(yè)變式設(shè)計(jì)實(shí)踐研究
——以蘇科版初中物理“歐姆定律”作業(yè)設(shè)計(jì)為例

盧義剛

(南京市金陵中學(xué)龍湖分校,江蘇 南京 211500)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出：“物理課程旨在促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)合作、學(xué)會(huì)生活,為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).”[1]顯然,要落實(shí)物理課程標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)就必須從核心素養(yǎng)的基本要素出發(fā),研制與之有關(guān)的相應(yīng)教學(xué)策略與措施.現(xiàn)以物理作業(yè)設(shè)計(jì)為抓手來具體探討落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的教學(xué)措施.

以“生活·物理·社會(huì)”為理念,通過基礎(chǔ)性、拔高性、挑戰(zhàn)性、活動(dòng)性作業(yè)的變式設(shè)計(jì)和學(xué)生對(duì)這些作業(yè)的完成,來實(shí)現(xiàn)物理概念建構(gòu)與思維進(jìn)階式發(fā)展的教學(xué)目標(biāo),有效落實(shí)物理觀念、科學(xué)思維等學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng).

1 作業(yè)變式——基于思維進(jìn)階式發(fā)展的一種作業(yè)設(shè)計(jì)策略

作業(yè)是鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)、訓(xùn)練學(xué)生思維方法、診斷和檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段和方法,也是提高學(xué)生分析問題、解決問題能力的有效途徑.因此,作業(yè)設(shè)計(jì)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié).優(yōu)秀的作業(yè)設(shè)計(jì)不僅能夠達(dá)到預(yù)期的效果和目的,也能實(shí)現(xiàn)“雙減”工作的要求和目標(biāo).

作業(yè)設(shè)計(jì)的本質(zhì)內(nèi)涵是讓學(xué)生在真實(shí)情境下利用核心概念與規(guī)律來解決相應(yīng)的實(shí)際問題,從而訓(xùn)練與發(fā)展學(xué)生的思維;既能考查學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況,又能深化學(xué)生對(duì)相關(guān)核心概念、規(guī)律的理解、提升與拓展,進(jìn)而豐富學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).所以,學(xué)生完成物理作業(yè)的活動(dòng)過程,就是“通過體驗(yàn)和經(jīng)歷情境變化來完成對(duì)信息的檢索與加工,建構(gòu)物理模型,并應(yīng)用物理概念與規(guī)律來解決實(shí)際問題”的思維活動(dòng)過程.其設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示.

基于“發(fā)展每一個(gè)學(xué)生”的育人目標(biāo),物理作業(yè)設(shè)計(jì)要因不同學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力差異而進(jìn)行同一情境下的差別化設(shè)計(jì),即在依據(jù)因材施教的理念下開展作業(yè)變式設(shè)計(jì),布置適合不同學(xué)生的基礎(chǔ)性作業(yè)、拔高性作業(yè)、挑戰(zhàn)性作業(yè)、活動(dòng)性作業(yè)等.這些個(gè)性化的物理作業(yè)變式既可以減輕學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān),又能激起學(xué)生完成作業(yè)的斗志和學(xué)習(xí)興趣,讓每個(gè)學(xué)生因作業(yè)而得到個(gè)性化發(fā)展,使作業(yè)發(fā)揮最大的學(xué)習(xí)效益.作業(yè)變式設(shè)計(jì)的水平結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 作業(yè)變式設(shè)計(jì)流程圖

圖2 作業(yè)變式設(shè)計(jì)水平結(jié)構(gòu)圖

2 作業(yè)變式——基于思維進(jìn)階式發(fā)展的一次實(shí)踐研究案例

基于上述對(duì)作業(yè)變式設(shè)計(jì)的理解與認(rèn)識(shí),現(xiàn)以初中物理蘇科版“歐姆定律”的課后作業(yè)設(shè)計(jì)為例來說明作業(yè)變式設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與實(shí)踐操作技巧.

2.1 作業(yè)變式設(shè)計(jì)案例的背景分析

歐姆定律(I=U/R)是初中物理電學(xué)知識(shí)中的核心規(guī)律,其涉及到電學(xué)核心概念有電流強(qiáng)度(I)、電壓(U)、電阻(R),以R=U/I為原理的“伏安法”測(cè)量性實(shí)驗(yàn)是體現(xiàn)了電學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心思維方法.“歐姆定律”的課后作業(yè)設(shè)計(jì)在凸顯其核心地位和價(jià)值時(shí),要強(qiáng)化在學(xué)完“歐姆定律”內(nèi)容后善于利用“作業(yè)變式設(shè)計(jì)”來對(duì)相應(yīng)的物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科素養(yǎng)進(jìn)行完美詮釋和彰顯.

2.2 作業(yè)變式水平1——基礎(chǔ)性作業(yè)

作業(yè)設(shè)計(jì)1：使用電阻箱間接測(cè)量小燈泡的電阻.閱讀電阻箱的使用說明書,了解電阻箱的特點(diǎn)、接法和讀數(shù)方法.[2]

(1) 將待測(cè)的小燈泡接入如圖3所示電路的M、N兩點(diǎn)間,閉合開關(guān),讀出電流表的示數(shù)I.

圖3 電路實(shí)驗(yàn)圖

(2) 取下該小燈泡,將電阻箱接在M、N兩點(diǎn)間,調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,使電流表的示數(shù)仍為I,讀出此時(shí)電阻箱的阻值R.問：① 小燈泡的電阻值是多大?② 為什么?

試一試,將電流表換成小量程電流表,用類似的方法測(cè)出你自身的人體電阻,并和其他學(xué)生交流測(cè)量結(jié)果.

具體要求：(1) 只完成①②兩問,并通過歐姆定律推導(dǎo)說明此測(cè)量方法的合理性;(2) 畫出(1)(2)兩個(gè)操作步驟的電路圖;(3) 將兩個(gè)步驟中的電路圖合并為一個(gè)圖.

設(shè)計(jì)意圖1：要求(1)新授時(shí)學(xué)生已解決,在當(dāng)時(shí)學(xué)生由于還未學(xué)習(xí)“歐姆定律”的相關(guān)知識(shí),所以只能基于第14章第1節(jié)“電阻”中“活動(dòng)14.1嘗試改變電路中電流大小”所總結(jié)出的電流與電壓、電阻之間的定性關(guān)系來解題,但背后“定量的理”卻不清,只是“想當(dāng)然”而已;再做的目的是強(qiáng)調(diào)理性分析,找到背后“定量的理”——?dú)W姆定律,形成認(rèn)知閉環(huán),并實(shí)現(xiàn)“格物致理”.[3]而要求(2)則體現(xiàn)每個(gè)學(xué)生是否能對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行建?！嬰娐穲D,以便對(duì)前面所找到的“定量的理”進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)與鞏固.[4]要求(3)則是讓學(xué)生評(píng)價(jià)“先后對(duì)比”與“同時(shí)對(duì)比”哪一種方式更好,為后續(xù)更進(jìn)一步的等效替代法測(cè)電阻應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

效能評(píng)估1： 基于學(xué)生完成的情況來看,學(xué)生能否完成要求(1),可以反映學(xué)生能否通過歐姆定律及其變形公式來正確認(rèn)識(shí)電流與電壓、電阻之間的定量關(guān)系,可以幫助學(xué)生鞏固并深化對(duì)歐姆定律及其相關(guān)公式的掌握.能否完成要求(2)和(3)則可以反映出學(xué)生面對(duì)實(shí)際電路畫出其對(duì)應(yīng)的電路圖的能力是否已經(jīng)具備,但從實(shí)際情況來看學(xué)生根據(jù)新要求而自主設(shè)計(jì)符合新需求功能的電路能力還有些弱;從另一個(gè)側(cè)面也說明學(xué)生根據(jù)知識(shí)自主建立電路模型的能力尚欠缺,還需要教師在后續(xù)教學(xué)中逐步幫助提升.

2.3 作業(yè)變式水平2——拔高性作業(yè)

作業(yè)設(shè)計(jì)2： 若上述作業(yè)中的小燈泡上標(biāo)有“0.3 A”字樣,如何在沒有電壓表的情況下測(cè)量此小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻?原實(shí)驗(yàn)應(yīng)如何改進(jìn)?請(qǐng)利用歐姆定律來加以說明.

設(shè)計(jì)意圖2：“歐姆定律”學(xué)完后,學(xué)生們已經(jīng)知道小燈泡上所標(biāo)的“0.3 A”含義即小燈泡正常發(fā)光時(shí)的電流為0.3 A以及燈泡電阻隨溫度升高而變大的特點(diǎn).因此,本作業(yè)所要測(cè)量的小燈泡電阻就是當(dāng)燈泡中電流為0.3 A時(shí)的電阻.可是,當(dāng)小燈泡接入電路中時(shí),燈泡中的電流一定會(huì)恰好等于0.3 A嗎?如果不等于0.3 A,又該怎么辦呢?

為了解決這兩個(gè)問題,學(xué)生需要想到利用滑動(dòng)變阻器;還要想到原電路中會(huì)不會(huì)因?yàn)槎ㄖ惦娮鑂阻值過大而導(dǎo)致滑動(dòng)變阻器無論怎樣滑動(dòng)電流根本就無法達(dá)到0.3 A的可能.究竟是直接將滑動(dòng)變阻器串聯(lián)接入原電路中還是利用滑動(dòng)變阻器將定值電阻R替換掉?在具體操作中什么時(shí)候調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器、什么時(shí)候調(diào)節(jié)電阻箱?是兩個(gè)電路圖還是一圖兩用(在原基礎(chǔ)性作業(yè)上的進(jìn)階)?學(xué)生在解決上述問題的過程中,會(huì)逐步明晰題目背后所蘊(yùn)含的“理”——?dú)W姆定律.

“利用歐姆定律加以說明”不僅僅是讓學(xué)生在應(yīng)用歐姆定律解決問題的過程中深化對(duì)歐姆定律的認(rèn)識(shí)和理解,也促使學(xué)生在推導(dǎo)過程中理解“等效替代法”的科學(xué)應(yīng)用,即解決問題過程中必須要思考“誰替代誰?”及“何為等效?”等理性問題.此作業(yè)綜合應(yīng)用性強(qiáng),對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)與思維能力要求較高,符合臨界生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),能體現(xiàn)選拔的目的,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“歐姆定律”學(xué)習(xí)的再提升.

效能評(píng)估2：由于之前學(xué)生較多接觸的是定值電阻的測(cè)量,其間不需要考慮溫度對(duì)電阻的影響,其阻值大小的測(cè)量也就無須在特定大小的電流下進(jìn)行.因此,之前的作業(yè)不利于學(xué)生對(duì)導(dǎo)體的電阻這一屬性的全面深入地理解.而本作業(yè)則要求學(xué)生基于“溫度對(duì)導(dǎo)體電阻的影響”,設(shè)計(jì)測(cè)量其在正常工作狀態(tài)下的阻值,能更好地幫助學(xué)生理解“電阻”這一導(dǎo)體的物理屬性.從學(xué)生電路設(shè)計(jì)結(jié)果上來看,有沒有選擇滑動(dòng)變阻器可以考查出學(xué)生是否理解“要考慮溫度對(duì)燈泡電阻的影響”,即只能在燈泡處于正常工作的電流下對(duì)其阻值進(jìn)行測(cè)量;而隱藏在題目中的定值電阻R又是制約電路中的電流是否能夠調(diào)節(jié)到燈泡正常工作電流值的另一個(gè)不確定性因素,學(xué)生在設(shè)計(jì)電路時(shí)能否考慮到它的影響而直接利用滑動(dòng)變阻器將其替換掉,可以考查學(xué)生運(yùn)用歐姆定律對(duì)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行預(yù)判的能力,同時(shí)也能進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)歐姆定律的理解.

2.4 作業(yè)變式水平3——挑戰(zhàn)性作業(yè)

圖4 電路圖

作業(yè)設(shè)計(jì)3：如圖4是能巧測(cè)R2阻值的實(shí)驗(yàn)電路.圖中R為電阻箱,R0為定值電阻(阻值未知).若僅用電阻箱讀數(shù)表達(dá)R2的阻值,請(qǐng)?jiān)跈M線上填上適當(dāng)內(nèi)容,使之符合實(shí)驗(yàn)要求.

① 將開關(guān)接a,調(diào)節(jié)電阻箱和滑動(dòng)變阻器滑片P至適當(dāng)位置,記下________; ② 將開關(guān)接b,調(diào)節(jié)_______,保持________不變,記下________;③R2=________.

設(shè)計(jì)意圖3：此項(xiàng)作業(yè)考查學(xué)生對(duì)等效替代法中“誰替代誰?”及“何為等效?”是否明確,對(duì)等效替代法背后的“理”即核心概念和核心思維方法是否明確,是否具備面對(duì)新情境下的思維遷移能力及解決實(shí)際問題的能力.”[5]

此作業(yè)變式的綜合性強(qiáng),變化跨度大,真正能考查出學(xué)生對(duì)I=U/R的內(nèi)化與遷移應(yīng)用程度,還能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)“等效替代法”測(cè)電阻和伏安法測(cè)電阻是兩種方法還是同一種方法的深入思考.

效能評(píng)估3：本項(xiàng)作業(yè)與之前作業(yè)相比,最大的不同就是之前的兩次作業(yè)僅僅是利用電阻箱進(jìn)行“一次”替代,而本項(xiàng)作業(yè)則需要利用電阻箱進(jìn)行“二次”替代.但與前兩次作業(yè)相比,它們的共同之處都是通過歐姆定律可以分析出在兩次電路中電流相同的情況下,由于電源輸出電壓相同,所以兩次電路中的總電阻也是相同的;在保持兩次滑動(dòng)變阻器接入電路中阻值不變的情況下,待測(cè)電阻R2就等于電阻箱兩次的阻值之差,整個(gè)電路的分析與解決的依據(jù)與之前作業(yè)的思路完全一致.此項(xiàng)作業(yè)可以很好的考查學(xué)生將前兩次作業(yè)的思想方法遷移應(yīng)用到新情境中的能力.

2.5 作業(yè)變式水平4——活動(dòng)性作業(yè)

作業(yè)設(shè)計(jì)4：在沒有微小量程電流表的情況下,利用基礎(chǔ)性作業(yè)情境能否測(cè)出人體兩手之間的電阻(約為1 kΩ)?請(qǐng)結(jié)合自己的實(shí)踐活動(dòng),說出設(shè)計(jì)理由、操作步驟及該實(shí)驗(yàn)對(duì)滑動(dòng)變阻器規(guī)格的選擇有什么要求等?(見基礎(chǔ)性作業(yè)中的“試一試”)

設(shè)計(jì)意圖4：此項(xiàng)作業(yè)基于“生活·物理·社會(huì)”學(xué)科理念,將基于核心概念和規(guī)律的作業(yè)設(shè)計(jì)延伸到生活中估測(cè)人體的電阻,能夠體現(xiàn)出物理學(xué)科的生活性、趣味性及實(shí)用性.此項(xiàng)作業(yè)由于是大電阻測(cè)量,可以幫助學(xué)生在實(shí)際操作中學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)器材規(guī)格進(jìn)行評(píng)估與選擇.通過此項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)性作業(yè),可以進(jìn)一步讓學(xué)生明白測(cè)電阻背后的“理”,內(nèi)化對(duì)歐姆定律的認(rèn)識(shí),形成自己的相關(guān)物理觀念.當(dāng)然,此項(xiàng)作業(yè)也體現(xiàn)了“以主題為線索,構(gòu)建課程結(jié)構(gòu)”的課程理念,幫助學(xué)生對(duì)原有知識(shí)進(jìn)行再構(gòu).

效能評(píng)估4：本項(xiàng)作業(yè)是在沒有給出任何限定性器材和電路的情況下,要求學(xué)生完全自主選擇器材、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并且進(jìn)行操作的一項(xiàng)解決實(shí)際問題的活動(dòng)性作業(yè),實(shí)踐要求高,難度大.由于初中學(xué)生思維和學(xué)習(xí)方式的局限性,很多時(shí)候他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)往往是“理論上可行,而實(shí)踐卻難以操作”;故通過學(xué)生對(duì)滑動(dòng)變阻器、電阻箱的阻值規(guī)格選擇可以考查出學(xué)生應(yīng)用歐姆定律分析問題與解決問題的能力程度.通過學(xué)生是選擇電流表還是電壓表來進(jìn)行測(cè)量可以考查出學(xué)生對(duì)測(cè)量器材精度要求的認(rèn)知情況等.此項(xiàng)作業(yè)的完成過程均需要學(xué)生的親自參與,通過親身體驗(yàn)與經(jīng)歷一場(chǎng)科學(xué)分析、論證、實(shí)踐、評(píng)估、再分析、再論證、再實(shí)踐、再評(píng)估的過程,真正提升他們?cè)谡鎸?shí)情境下解決實(shí)際問題的能力,促使其學(xué)科素養(yǎng)真正得到培養(yǎng)與升華.

3 實(shí)踐研究結(jié)論

從物理作業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際效果來看,教師在作業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)通過“作業(yè)變式設(shè)計(jì)”,可以實(shí)現(xiàn)高效課堂與課后有效的延續(xù).

物理教師在進(jìn)行“作業(yè)變式設(shè)計(jì)”時(shí),要依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)的難度變式,以尊重學(xué)生,因材施教,使大家“跳一跳,都能夠得著”;要依據(jù)物理核心概念與規(guī)律進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)的思維變式,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與思維的雙進(jìn)階;要依據(jù)“題根”進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)的“一題多變,九九歸一”,讓學(xué)生在熟知的作業(yè)情境中找到自己學(xué)習(xí)的“最近發(fā)展區(qū)”,從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自信心,理解“不變與變”的物理辯證簡(jiǎn)約之美.