創(chuàng)設(shè)情境問題 培養(yǎng)高階思維
——以“靜電的防止與利用”為例

劉慧琰 田成良

(1. 北京市第二十中學(xué),北京 100085;2. 北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校,北京 100085)

1 引言

隨著新一輪課程改革的開展,發(fā)展學(xué)生高階思維能力,在課堂上實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)、落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)已經(jīng)成為教學(xué)的主旋律。按照布盧姆的目標(biāo)分類理論,認(rèn)知領(lǐng)域的學(xué)習(xí)目標(biāo)分為六個(gè)層次：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造,這六個(gè)層次由簡單到復(fù)雜,對(duì)應(yīng)的思維能力由低階到高階,高階思維能力包含并依賴低階的認(rèn)知技能。深度學(xué)習(xí)就是要發(fā)展高階思維,指向?qū)嶋H問題的解決,讓學(xué)生自主習(xí)得知識(shí)和方法,并融入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中,能夠?qū)?nèi)化的知識(shí)遷移到新情境中。

深度學(xué)習(xí)的育人追求,是讓學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜的真實(shí)問題時(shí)能創(chuàng)造性地分析、較快形成解決問題的思路、迅速進(jìn)行決策、快速整合資源解決問題。這種能力是學(xué)生在解決具體問題的實(shí)踐中及創(chuàng)生新意義的過程中形成和發(fā)展的,其中的重要載體就是情境素材。好的情境素材可以將核心素養(yǎng)和課程內(nèi)容進(jìn)行深度關(guān)聯(lián),形成將學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、持續(xù)性評(píng)價(jià)相統(tǒng)一的實(shí)踐性學(xué)習(xí)過程。

創(chuàng)設(shè)什么樣的情境,以什么樣的形式展現(xiàn)情境,以及如何將情境與知識(shí)統(tǒng)一,成為亟待研究的問題。筆者以“靜電的防止與利用”教學(xué)為例,探討利用創(chuàng)設(shè)情境問題落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)、促進(jìn)學(xué)生高階思維能力發(fā)展的路徑。

2 實(shí)施過程

2.1 目標(biāo)導(dǎo)向的情境選擇

情境是教學(xué)環(huán)境的一個(gè)即時(shí)條件,創(chuàng)設(shè)好的教學(xué)情境需要根據(jù)學(xué)情和教學(xué)目標(biāo),使學(xué)生在情緒上受到感染,產(chǎn)生共鳴,加深對(duì)課程內(nèi)容的理解,且與生產(chǎn)生活相結(jié)合,體現(xiàn)“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念。情境不是花哨的外衣,情境素材必須緊緊貼合教學(xué)內(nèi)容,服務(wù)于教學(xué)目標(biāo),選擇情境的第一步就是明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。

“靜電的防止與利用”是《靜電場(chǎng)及其應(yīng)用》一章的最后一節(jié)內(nèi)容,在這一章的教學(xué)中,通過對(duì)點(diǎn)電荷、庫侖定律、電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度等物理概念和規(guī)律的逐步學(xué)習(xí)、系統(tǒng)反思和遷移應(yīng)用,促進(jìn)學(xué)生的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念的形成(圖1)。這一階段的學(xué)習(xí)涉及模型建構(gòu)、類比、微小力放大、比值定義法等科學(xué)方法,著力培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力,建構(gòu)靜電場(chǎng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。本節(jié)就是在真實(shí)的生產(chǎn)生活情境中,利用靜電場(chǎng)知識(shí)分析、解決問題,強(qiáng)化物理學(xué)跟生活、社會(huì)的聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

圖1

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求是：“了解生產(chǎn)生活中關(guān)于靜電的利用與防護(hù)。”基于上述要求,梳理出本節(jié)課需要解決的3個(gè)問題：(1) 靜電平衡是怎樣形成的?(2) 處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體有何特點(diǎn)?(3) 靜電現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中有哪些應(yīng)用?這3個(gè)核心問題又可分解成子問題,循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生解決問題(圖2)。這些問題串不能零碎地、割裂地提出,要用一個(gè)大情境相貫穿,這樣才能保證學(xué)生在情境中的產(chǎn)生情緒共鳴,聯(lián)系生活實(shí)際;在解決實(shí)際問題的過程中發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中提出物理問題,在解決問題中掌握核心知識(shí),促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展;通過靜電平衡的概念和規(guī)律的理論探索與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,促進(jìn)學(xué)生理解、掌握靜電知識(shí),經(jīng)歷“問題”“解釋”“交流”“反思”的科學(xué)探究過程,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力;最后再創(chuàng)設(shè)類似情境,使學(xué)生能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到生活情境中解決問題,如通過聯(lián)系生產(chǎn)生活中的靜電現(xiàn)象及其應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系。

圖2

2.2 問題驅(qū)動(dòng)的情境呈現(xiàn)

為了讓情境服務(wù)于教學(xué)目標(biāo),要讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下能夠提出本節(jié)課的關(guān)鍵問題,所以情境不能太復(fù)雜,指向性要明確,呈現(xiàn)方式要自然、有趣。本節(jié)課的大情境是“探究汽車中的靜電知識(shí)”,并利用3個(gè)與汽車相關(guān)的情境問題作引領(lǐng),引導(dǎo)學(xué)生在情境中提出核心問題;通過模擬實(shí)驗(yàn)、小組討論等來解決問題,再引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想生活中的應(yīng)用,經(jīng)歷“情境化—去情境化—再情境化”的過程,踐行“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念,激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲,感悟環(huán)境保護(hù)和安全防護(hù)的必要性。

問題1：雷雨天人待在汽車?yán)锇踩珕?

為了渲染氛圍,增強(qiáng)情境的真實(shí)性,先播放雷雨天氣下行車的視頻,讓學(xué)生猜想并說明理由。對(duì)這個(gè)問題,學(xué)生會(huì)有不同的答案,部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為車是金屬架構(gòu),易導(dǎo)電,所以應(yīng)該下車。此時(shí),教師無需解釋,而是利用兩個(gè)金屬極板和高壓感應(yīng)圈模擬云層和大地之間的強(qiáng)電場(chǎng),用易拉罐和鋁箔包裹的小棒模擬小汽車和人,通過模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)學(xué)生的猜想(圖3)。

圖3

模擬雷擊車的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯,效果顯著,引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突,教師要求學(xué)生分組討論人在車內(nèi)不受雷擊的原因,提示學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)將真實(shí)情境簡化為可研究的物理問題。有小組提出：將云層和大地之間的強(qiáng)電場(chǎng)簡化為勻強(qiáng)電場(chǎng),小汽車簡化為金屬導(dǎo)體。情境簡化以后,教師有序提出問題,通過問題串引導(dǎo)學(xué)生討論、解決問題。

問題1：將金屬導(dǎo)體放在勻強(qiáng)電場(chǎng)中(圖4),電子如何運(yùn)動(dòng)?導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)如何變化?

圖4

問題2：如圖5所示,把導(dǎo)體中間挖空,形成一個(gè)空腔導(dǎo)體,那么空腔中A處的電場(chǎng)強(qiáng)度如何?

圖5

問題3：金屬殼有內(nèi)、外兩個(gè)表面,此時(shí)內(nèi)、外表面上是否都有感應(yīng)電荷?

問題4：你能利用靜電屏蔽來設(shè)計(jì)產(chǎn)品?

通過解決以上問題,讓學(xué)生經(jīng)歷“情境化—去情境化—再情境化”的過程,將真實(shí)情境抽象成物理問題,并自主推斷出靜電平衡的形成過程,進(jìn)而對(duì)靜電平衡下定義,經(jīng)歷從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍。引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想生活中靜電屏蔽的應(yīng)用,將知識(shí)遷移到新的情境中,培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí),加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,提高學(xué)生的問題解決能力。

教師向?qū)W生介紹汽車頂上鯊魚鰭的作用：“吸收”并“釋放”靜電,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行簡化處理,抽象成可研究的物理問題。

問題5：像鯊魚鰭一樣的不規(guī)則導(dǎo)體表面帶電時(shí)電荷的分布情況如何?教師提供實(shí)驗(yàn)儀器,請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來解決問題。

學(xué)生利用不規(guī)則導(dǎo)體、驗(yàn)電羽和感應(yīng)起電機(jī)做實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論：尖端處電荷密度較大。針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論,教師進(jìn)一步追問：為什么尖端電荷密度大就能釋放靜電呢?

接著,用鐵釘模擬鯊魚鰭,探究安裝了鯊魚鰭的小車在電場(chǎng)中的變化,并思考：為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。學(xué)生觀察到閃電都落在鐵釘尖端上(圖6),得出結(jié)論：尖端處電荷密度較大,形成強(qiáng)電場(chǎng),電離空氣,會(huì)產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象。

圖6

通過模擬實(shí)驗(yàn),分析尖端放電的原理。之后再情境化,提出問題：尖端放電在建筑上有哪些應(yīng)用?在生活中有哪些應(yīng)用?這些問題讓學(xué)生通過聯(lián)想生活中尖端放電的應(yīng)用,認(rèn)識(shí)避雷針、脈沖點(diǎn)火器、靜電駐極等裝置和工藝,將知識(shí)遷移到新的情境中,培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí),認(rèn)識(shí)到物理與社會(huì)的關(guān)系。

最后利用視頻向?qū)W生介紹工業(yè)中尖端放電的應(yīng)用——靜電駐極技術(shù),引入下一個(gè)情境問題。

問題6：在一些口罩的制作中,利用靜電駐極技術(shù)對(duì)熔噴布進(jìn)行處理,其作用是什么?

給學(xué)生布置任務(wù)：結(jié)合所學(xué)知識(shí),檢驗(yàn)口罩里是否有靜電?病毒的直徑一般在20～300nm之間,熔噴布纖維的直徑一般在1 000～5 000 nm之間,為何口罩能過濾病毒?

為每個(gè)小組準(zhǔn)備碎紙屑、口罩和剪刀,學(xué)生自己動(dòng)手剪開口罩,觀察口罩內(nèi)部結(jié)構(gòu),結(jié)合靜電知識(shí),發(fā)現(xiàn)口罩的熔噴布層可以吸附碎紙屑;在小組中交流,學(xué)生結(jié)合靜電知識(shí),能夠想到利用靜電駐極技術(shù),使熔噴布層攜帶靜電,根據(jù)靜電可以吸附輕小物體的性質(zhì),吸附病毒,達(dá)到防護(hù)的效果。

以空氣濾芯創(chuàng)設(shè)情境,可以再介紹一種過濾方式：靜電集塵式過濾,從而介紹靜電除塵技術(shù),并引導(dǎo)學(xué)生展開小組實(shí)驗(yàn)(圖7)。學(xué)生通過靜電除塵實(shí)驗(yàn)?zāi)M靜電集塵式空氣濾芯,并在小組中討論解釋集塵原理,加深對(duì)尖端放電的理解,經(jīng)歷“問題”“解釋”“交流”“反思”的科學(xué)探究過程,關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系。

圖7

2.3 去情境化的知識(shí)整合

情境創(chuàng)設(shè)的主要目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)從真實(shí)問題中抽象出可研究、解決的問題,從而獲得知識(shí),再利用所學(xué)知識(shí)研究復(fù)雜的真實(shí)情境問題。所以,在情境創(chuàng)設(shè)之后,要引導(dǎo)學(xué)生在情境中提取核心知識(shí),在原有的認(rèn)知基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化理解,才能在陌生情境中開展研究,解決問題。

3 結(jié)語

本節(jié)課通過對(duì)靜電場(chǎng)中導(dǎo)體的自由電荷運(yùn)動(dòng)情況的討論,分析靜電平衡狀態(tài)的形成過程;通過實(shí)驗(yàn)觀察,總結(jié)靜電平衡時(shí)導(dǎo)體的特點(diǎn),經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的形成,讓學(xué)生能夠運(yùn)用靜電平衡的特點(diǎn)來解釋生活中的現(xiàn)象;通過實(shí)驗(yàn)觀察和推理論證,學(xué)生能解釋靜電屏蔽、尖端放電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,能夠舉例說明靜電現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用,提升把情境與知識(shí)相關(guān)聯(lián)的意識(shí)和能力,培養(yǎng)基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和真實(shí)情境的分析歸納、推理論證等科學(xué)思維能力;通過小組討論交流,學(xué)生能夠準(zhǔn)確發(fā)表自己的觀點(diǎn),敢于對(duì)現(xiàn)象、問題提出有依據(jù)的猜想,提出實(shí)驗(yàn)方案和解決問題的策略,體會(huì)同一物理現(xiàn)象可以從不同的角度認(rèn)識(shí),學(xué)會(huì)用辯證統(tǒng)一的觀點(diǎn)看問題,培養(yǎng)他們的質(zhì)疑創(chuàng)新能力和科學(xué)探究能力;通過實(shí)驗(yàn)觀察和分析推理,理解汽車鯊魚鰭、汽車空氣濾芯、避雷針等裝置的工作原理,強(qiáng)化安全意識(shí),深刻認(rèn)識(shí)物理與技術(shù)、社會(huì)的關(guān)系,養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

基于本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐,筆者認(rèn)為,發(fā)展學(xué)生的高階思維能力有以下路徑：(1) 緊緊圍繞教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容提取一節(jié)課的核心問題,并圍繞核心問題設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)、由淺入深的問題串;(2) 創(chuàng)設(shè)能貫穿整節(jié)課的大情境,將核心問題和問題串與情境相融合,在情境中提出問題或任務(wù),驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行小組討論,自主分析物理問題,理解物理知識(shí);(3) 用實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)情境,培養(yǎng)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證猜想、基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析推理的能力;(4) 提出開放性的問題和任務(wù),指導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)遷移、應(yīng)用到真實(shí)的結(jié)構(gòu)不良問題中,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。