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初中物理“玩、学、悟、用”的深度教学策略
发布时间:2019-12-26

  摘    要: 深度学习是核心素养培育与发展的基本途径, 结合STEAM教育的物理深度学习, 有利于物理学科核心素养的落地.本文以“变阻器”教学改进为例, 阐述基于STEAM教育和深度学习理念, 以设计思维引领, 在不断生成问题中主动地、有意义地建构知识, 并将所学与生活链接, 解决实际问题, 促进学生核心素养发展.

  关键词: 设计思维; 深度学习; STEAM教育; 核心素养;

  深度学习是指学生基于教师预设的专业方案, 经历有指导、有挑战、高投入、高认知, 并获得有意义的学习过程.[1]深度学习强调基于理解, 具有联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用、价值与评价等特征, 其目的指向具体的、社会的人的全面发展, 是形成学生核心素养的基本途径.[2]

  STEAM是Science (科学) 、Technology (技术) 、Engineering (工程) 、 Arts (艺术) 、Maths (数学) 的缩写.STEAM 教育注重跨学科知识的综合运用, 注重动手实践, 注重过程, 是一种建构主义教学, 希望学生通过制作的过程, 建构起关于科学、技术、工程、艺术和数学的知识.STEAM教育的核心特征有: 跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术增强性.STEAM教育的核心是工程设计, [3]通过工程设计将科学、技术、数学、艺术教育有机融合, 故需设计思维的引领.

  STEAM学习是基于现实问题的探究式教学, 其本质也是深度学习, 与物理探究学习有共性, 符合物理课程的基本理念.基于物理核心概念和学习进阶, 结合真实问题情境进行整合学习, 实现相关学科领域的有机融合, 进而提出自己的解决问题思路, 是结合STEAM教育的物理深度学习.下面以“变阻器”教学改进为例, 着重阐述以设计思维引领, 实施“玩、学、悟、用”的深度教学策略, 培养学生解决问题和创新思维能力, 促进学生核心素养的发展.

  1、 创设情境, 在“玩”中学

  创设真实而具有一定挑战性的、像“玩”一样的问题情境, 在“玩”的过程中激活情感和思维的“燃点”, 目的是激发学习动机、预热知识经验, 这是深度教学的起点.“活动与体验”是深度学习的核心特征, 故创设的情境应具有以下特征: (1) 吸引学生注意, 唤起他们的好奇心和内在兴趣, 促进激活持续学习的愿望; (2) 具有较明确的指向性, 能引导学生发现问题、提出问题, 指向特定的学习目的; (3) 真实而富有挑战性, 使学生的互动参与成为必要, 在积极探索中运用高阶思维、交流合作、质疑甚至批判.激活是所有学习活动都必须重视和具备的环节, 我们利用学生的自主创新实验, 让他们在“玩”中体验, 并对问题本质思考.

  如, 在“变阻器”课前先布置分小组的家庭作业: (1) 动手试试:用3支铅笔芯 (两支短的长度相同, 另1支更长) 、两节干电池、几根导线、小灯泡, 你如何改变灯的亮暗?比比看:谁的办法多、且让灯亮暗变化的范围大. (2) 在不改变电源电压情况下, 灯的亮暗发生变化说明电路中什么物理量发生变化?这两个问题既有体验, 又有对问题本质的思考.
 

初中物理“玩、学、悟、用”的深度教学策略
 

  学生前一节学了电阻的概念, 知道电阻对电流有阻碍作用, 电阻的大小与导体的材料、长度、横截面积、温度有关.在任务驱动下, 让他们用铅笔芯动手实验, 既贴近生活, 又熟悉好玩, 要求采用不同的方法改变小灯泡的亮暗, 既需要灵活应用上节课的知识, 又要考虑尽量增大亮暗变化的范围, 需要一些新的知识 (铅笔芯串联或并联) , 这对学生来说是一个挑战.同时, 引导学生思考给予明确指向:灯的亮暗变化本质是由于电路中的电阻发生了变化, 隐含了问题解决的办法是要改变电阻的大小.

  2、 在“学”中建立联结, 深度加工

  学生所学的知识是有逻辑、有体系、有结构的知识, [2]已有的知识经验极大影响着他们对新知识的解释和理解, 影响着他们的记忆、推理、解决问题和获取新知的能力.这种影响在课堂深度学习中的表现之一就是“联结”.教学的关键是引导学生把握整体知识结构, 找准新知识与旧知识、新知识与已有经验之间的内在关联, 进行思维的深度加工, 内化所学.

  2.1、 展示分享创意, 建立联想

  课始, 针对“如何用铅笔芯来改变灯的亮暗”问题, 学生用贴在黑板上的磁吸实验器材展示和分享自己的创意.

  方案1:先将两支铅笔芯串联 (有的组用了两支相同长度的, 有的组用了一长一短的组合) , 灯基本不亮, 然后移动铅笔芯上的夹子, 灯变得更亮些, 再拆掉一支铅笔芯, 逐渐改变夹子在铅笔芯的位置, 发现灯越来越亮, 这相当于改变了电阻的长度.

  方案2:改变铅笔芯的横截面积.先将两支铅笔芯并联, 灯是亮的, 然后拆掉一支, 发现灯变得更暗, 但变化不是非常明显.

  这两种方案都在笔者的预设中, 但一组男生的方案大大出乎意料.

  图1
图1

  方案3:他先将一支铅笔芯折断一点, 让3支长度都不同, 然后并在一块, 再用4根带鳄鱼夹导线在铅笔芯的不同位置形成4个触头 (如图1所示) , 随意用哪一支单根都可以实现改变长度来改变电阻, 要想电阻最大, 就把3支串起来, 灯最暗;由于3支铅笔芯是并在一起的, 又可以采用并联的方法改变电阻, 他们居然还试过两支串再并一支、两支并再串一支的不同组合方法, 故他们改变灯亮暗的方法就有好多种, 既可以改变导体的长度, 又可改变导体的横截面积, 还可以同时改变二者.不得不佩服学生们的创意, 全班学生不由地给了他们热烈的掌声.

  学生在 “玩”中联想到决定电阻大小因素的知识并能灵活应用, 在比较电阻改变谁的方法多、谁的最为简单、谁的变化范围大的过程中, 又学会了分析评价.一方面, 学生在解决问题中已应用了串并联知识, 实现了学习进阶;另一方面, 师生间对话和赞赏, 让他们在情感上体验到一种成功快乐的涌流, 成就感剧增.认知神经科学的研究表明, 学生的大脑体验到一种专注或沉浸其中的高度投入的状态和学习的快乐经历, 大脑就会去追随这种理解式的学习, 他们就会有更充分的好奇心和探索欲, 在后续的学校学习中, 会更容易用内在动机而不是外在动机来驱动学习.[4]这样的“玩”成功地吸引了学生的注意, 唤醒了探究的内动力, 有利于进入下一阶段的深度学习.

  2.2、 设计认知冲突, 深化思维

  在玩实验的基础上, 学生很快就说用改变导体的长度来改变电阻大小最为简单且范围大.此时, 笔者拿出一根1m长航模用的碳纤维丝接入电路, 移动夹子, 让学生观察灯的亮暗变化.他们发现这么长的碳纤维导体还不如8cm长的铅笔芯改变灯亮暗的范围大, 与前面得出的结论产生认知冲突.此时再引导联想上节课学的不同导体材料的电阻表, 学生恍然发现要想使电阻改变的范围大些, 不仅电阻线的长度要长, 还应选用电阻率大的材料.这样引导学生进一步领会科学研究的方法, 学会控制实验的条件.

  2.3、 以设计思维引领, 头脑风暴创想

  情境学习理论告诉我们, 学习的本质就是对话.在设计过程中, 以设计思维引领, 通过头脑风暴进行深度对话, 实现思维的深度加工, 让学习真实发生, 在不断生成问题中深度学习.

  在达成“选用电阻率大的材料、使电阻线长度更长”的共识后, 笔者取出一根很长的镍铬合金丝, 开始了以问题驱动的头脑风暴, 以用户体验感受, 边设计、边操作、边对话, 启发学生自己提出解决问题的方法.例如, (1) 导线太长, 实验起来不方便, 怎么办?学生思考后观察到桌面器材中有一根塑料圆筒, 联想到测长度用的密绕法, 即将长导线用塑料圆筒绕起来, 使之变短, 且绕得越紧密, 在有限的塑料筒上可绕的导线越长. (2) 绕的过于紧密导致导线将粘在一起, 会发生什么现象?如何解决?学生联想到会短路, 必须将导线绝缘, 包上绝缘皮等方法. (3) 解决了绝缘问题, 移动的夹子要夹在哪呢?引导创想连续刮去绝缘线圈的同一部分, 再固定大夹子. (4) 为了固定元器件, 还需增加两个支架脚. (5) 你想要把它连接入电路, 还需要什么?再给它设计4个接线柱.至此, 通过不断改进、完善和优化, 一个可以改变接入电路的电阻值大小的元件就设计出来了.

  3、 在“悟”中把握本质, 建构知识

  感悟是学生对所获得的外部知识、信息的深层次内化, 是在心动的基础上, 运用智慧, 通过各种心理活动, 在联想、内化、创造中把握事物的本质, 最终达到一种自我的觉醒和提高.在教师的引导下, 根据当前的学习活动去联想、调动、激活以往的知识和经验, 以融会贯通的方式对学习内容进行组织, 从而建构出自己的知识结构.

  3.1、 学会定义概念, 深度理解内涵

  随着滑动变阻器设计和制作的完成, 学生既明白了改变电阻大小的本质——逐渐改变连入电路的电阻线的长度, 也悟出滑动变阻器的原理.此阶段要让学生把自己“悟”到的东西表达出来, 学会自己定义概念, 并深度理解其内涵.至此, 什么是变阻器?什么是滑动变阻器已水到渠成, 对照滑动变阻器的实物学生自己就可以画出其结构示意图, 启发联结电阻的符号, 就可以画出变阻器的符号, 知识由此建构形成了.

  3.2、 以测试为途径, 在动态中体验

  制作的滑动变阻器能否起到变阻作用需要实验测试.这其实是滑动变阻器如何正确使用的问题, 但通过工程测试的方式呈现, 将此时的探究学习变成了一个“信息输入、加工内化、输出分享”的综合体验.

  图2
图2

  滑动变阻器有4个接线柱, 电路连接只需接入两个, 怎么接才能起变阻作用?教师引导学生根据数学的排列组合, 思考有几种可能的连接方法.在与数学知识建立关联后, 学生自己设计出3个系列测试连接: (1) A与C、A与D、A与B; (2) B与C、B与D; (3) C与D.然后根据实验电路 (如图2所示) 分别进行实验.通过交流分享, 对实验现象分析比较, 找出等效的情况, 归纳得出有效变阻的连接方法是“一上一下”.

  3.3、 评价性能的优劣, 在感悟中创新

  教师再根据电流的走向分析让学生进一步明确滑动变阻器的使用及注意事项.在评价其优缺点时, 发现滑动变阻器可以连续改变连入电路的电阻, 但不能读出电阻值, 由此又提出需要改进的新问题:滑动变阻器不能读出阻值大小, 如何改进?在改进的过程中, 引出了电阻箱的学习.这样, 学生在不断感悟中学会创新.

  4、 在“用”中实现学生变化和学习增值

  深度学习强调迁移和应用, 要求学生能把知识应用到新情境中, 更强调迁移与应用的教育价值.“迁移”所解决的是间接经验直接化的问题, “应用”则是“迁移”的表征之一, 也是检验学习结果的最佳途径.一方面, 是认知结构进一步的扩充与完善;另一方面是把新学习的知识“应用”到类似的新情境中, 通过情境让学生内化的知识外显化和操作化, 并促进学生将所学知识转化为综合实践能力.

  图3
图3
 

  在课的最后阶段, 笔者引导学生将知识与生活链接, 以生活中的变阻器 (电位器) 和实际可变电阻 (自动测定油箱内油面高度的装置, 如图3所示) 分析为例, 让学生学会面临新情境解决问题的方法: (1) 判断, 对新情境进行分析和判断, 把握情境中问题的本质; (2) 提取, 将情境中需要解决的问题与已有的知识经验进行关联, 准确“提取”相关知识; (3) 运用, 分析思考相应情境和应用条件, 通过所提取的知识解决情境中的问题; (4) 总结, 对情境的类型及应用的条件进行总结, 并再次纳入已有的认知结构中.在对知识的迁移与应用过程中, 学生的探究能力、实践能力、创造能力得以提升.

  5、 反思评价, 嵌入学习的全过程

  深度学习强调学习者的知识关联结构化、情境中的策略灵活性, 这些都需要大量情境中问题解决式的实践.[4]在实践过程中难免遇到问题和困难, 教师要有同理心, 容忍失败, 站在学生的角度, 看他是怎么思考的, 引导学生将反思评价嵌入到学习的全程, 学会对所学知识及其过程进行评估, 正确地对人、事和活动进行评判, 关注其理性精神与价值观的形成.在引导以设计思维进行思考时, 鼓励学生发挥想象力, 考虑用户体验, 一步步引导学生改进和完善设计, 培养创新能力, 发展学生核心素养.

  参考文献

  [1] 尤小平.学历案与深度学习[M].上海:华东师范大学出版社, 2017.
  [2] 郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法, 2016, 36 (11) :25-32.
  [3] 胡卫平, 首新, 陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践[J].华东师范大学学报 (教育科学版) , 2017, 35 (4) :31-39+134.
  [4] 夏雪梅, 杨向东.核心素养中的“学会学习”意味着什么[J].课程·教材·教法, 2017, 37 (4) :106-112.

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