学习即研究：物理教学开展素养发展学习的途径——以“电荷”教学为例

祁红菊 耿宜宏

(1. 江苏省奔牛高级中学,江苏 常州 213131;2. 江苏省前黄高级中学,江苏 常州 213161)

为达成新课标所提出的发展学生核心素养的教学目标,物理教学要从以教为中心、以知识传输为主要目的,向以学为中心、以素养发展为主要目的进行课堂转型与重构.素养是人在面对复杂问题情境时,做出明智而富有创造性的判断、决策和行动的能力与品质,素养发展学习是发展理性批判与实践创造能力的学习,是培养学生面对真实情境发现问题和解决问题的能力和品质的学习.因此当前的物理教学,要从学科事实呈现转变为学科本质探寻、从强化“直觉经验”转变为发展“理性批判”,让学科核心观念根植于真实的问题解决实践中.这种素养发展学习的基本途径本质上就是“学习即研究”观点.[1]依据这一观点,将所需传授的知识转化为学生解决新问题、创造新思想的实践创造过程,即按照研究的逻辑、基于主体思维、开展自主实践,才能体现素养发展的价值.本文以笔者获得的江苏省高中物理优课大赛一等奖“电荷”教学实践为例,探讨在物理教学中,从“学习即研究”的观点出发,开展素养发展学习的实践策略.

1 基于核心素养,定位教学目标,把握教学设计的整体性

依据教材内容、课程标准及教学经验,在磨课前本节课的教学目标制订如表1所示.

以上目标的制订虽有一定的可取之处,但偏重知识的获得,素养发展的诉求并没有融合进学生学习的全过程.根据学科核心素养内涵,以素养发展为导向的教学目标的制订应兼具统一性、完整性与探究性.学科知识的获取、物理观念的形成、科学思维的培养、探究能力的发展及科学态度及责任感等应有机地融为一体,以学习情境为载体,结合丰富多样的教学活动,在潜移默化中内化为核心素养.[2]

表1 磨课前制订的“电荷”教学目标

基于学生素养发展学习的诉求,磨课后本节课的教学目标调整如表2所示.

表2 磨课后制订的“电荷”教学目标

教学目标从学生素养的发展出发,进行了整体性规划,每个教学目标均包含了核心素养的单个或多个维度.选择了具体的过程性目标行为动词,减少了例如“知道”“了解”等低阶认知水平的描述,增添了高阶思维能力和素养发展水平的目标要求,将知识的传输有效地转化为具体的研究任务,使得电荷本质探寻过程的学习意义远超出了知识本身.

2 基于主体思维,优化整合教材,强调研究思路的逻辑性

在上述目标的统领下,基于主体思维,对教材内容重新进行了整合和优化,从知识发生、发展的逻辑关系出发,确立课堂教学思路.本节课,结合演示实验的改进与创新、学习研究活动的层层递进与深化,以问题设置为桥梁,不断地诱发认知冲突,引导学生重走科学发现之路.从起电、验电,再到规律,最后到本质,将教学不断地引向深入,让学生在亲身体验中发现和领悟起电的本质,以此培养学生思维的严谨性、深刻性和创新性.

本节课,基于主体思维和认知逻辑的教学思路架构如图1所示.

图1 “电荷”教学思路

本节内容由电荷、静电感应、电荷守恒定律、元电荷4部分组成,教材设计的基本线索如下：首先从摩擦起电入手,介绍自然界中存在正、负两种电荷及其特性;接着建构物质的微观结构模型并解释摩擦起电的原因;再介绍物体带电的另一种方式——静电感应;最后讨论电荷在转移过程中遵循的规律,以及电荷量的量子化特征.重点放在了对电荷守恒定律的理解上,难点则是从物质微观结构的角度认识物体带电的本质.由于存在逻辑链条的断裂,学生对一些问题是存在困惑的,如：电荷为什么只有两种?电荷为什么会被命名为正电荷负电荷?感应起电背后蕴藏的物理规律是电荷守恒,所有的起电现象背后蕴藏的物理规律也都是电荷守恒吗?另外,起电的本质极其抽象,学生理解起来比较困难,如何在教学中突破这个难点?因此,需要优化和整合教材,将断裂的逻辑链条连接完整,通过逻辑推理和实验证据,让学生体悟电荷的种类和命名的探究过程,从而突破难点,解密困惑.

3 基于认识起点,挖掘内隐关系,体现学科知识的生成性

“学习即研究”的观点认为学习者就是研究者,学习的过程就是研究的过程,不唯结论,不按部就班,重发现中生成、生成中发展.因此,在课堂教学中,教师要以研究的视角来优化学习的过程,要善于从看似熟悉、常见的概念中挖掘出知识间内隐的逻辑关系,让学生从感性认识,上升到理性认识.例如本节中“起电”这一环节,就体现了这样的教学策略.

教师活动1：让学生回忆初中时学过的起电方式有哪几种,用何种方法可以判断出物体带电,并让学生通过小组讨论,设计出验证电荷间相互作用特点的实验方案.

学生活动1：小组讨论,设计方案,根据提供的实验器材动手实验,得出结论——带电物体能够吸引轻小物体,带电物体间的相互作用不是引力就是斥力.

教师活动2：启发学生深入思考,实验的现象和结论是否还暗示着什么?你是利用何种物理学的研究方法得出结论的?

学生活动2：小组集思广益,在教师的点拨下,利用物理学实验加推理的研究方法得出结论——暗示着自然界只存在两种电荷.

设计意图：感性认识是认识的起点.即便是经过了初中阶段的学习,但学生对电荷的认识仍然大多处于感性阶段,需要教师通过问题设计促进生成,引领学生层层剥茧,实现从感性认识到理性认识的质变.在“电荷间相互作用”这个教学环节,先后向学生抛出了两个问题：这个实验的现象和结论是否还暗示了什么?这里采用了物理学的什么研究方法?这两个问题的提出,不仅能让学生在合作交流中深入剖析实验现象,提出相应的观点或主张并在课堂上进行展示,凸显学生“研究者”的主体地位,而且能从对常见实验现象的反思和质疑中,挖掘出内隐的逻辑关系,让探究过程具有逻辑上的完整性,体现出课堂教学的流畅性,培养学生逻辑思维的严谨性.

4 基于科学思维,通过推理论证,激发学生学习的能动性

物理学科强调的是科学性、严密性和逻辑性,力求言之有理、严谨合理,才能养成科学思维的习惯.另外,学生素养也不可能凭空发展,而是必须依赖于学生自身的能动活动,通过能动地参与学习活动,亲身经历学习过程.教师要善于利用教学情境,挖掘具有思维含量的问题,在合理的逻辑结构的引领下,引导学生展开严谨的推理活动,训练科学思维.例如本节中“验电”这一环节,就体现了这样的教学策略.

教师活动3：每一个学习小组均提供玻璃瓶、铜丝、铝箔、PVC塑料棒等相同的实验材料,让学生设计一个能验电又能判断电荷种类的仪器.

图2 制作验电器

学生活动3：讨论并运用所学知识制作出如图2所示的验电器,并上台展示.

教师活动4：提出更具有挑战性的问题,电荷为什么会被命名为正电荷和负电荷呢?你能通过设计新的实验来找到电荷命名的依据吗?

学生活动4：小组猜测、讨论,并设计实验进行观察、分析和验证.实验发现,同种电荷可以累加,异种电荷可以消减,和数学上的代数运算相类似,正正相加结果增多,正负相加结果消减,故而推理出正电荷和负电荷命名的依据.

教师进行总结和评价,这种特性叫电荷的累加性和中和性.任何结论的得出,都要有证据来支撑,实验固然重要,但是逻辑思维的力量更伟大!它可以揭示事物的本质,是创新的源泉!

设计意图：验电这个教学环节,在引导学生制作验电器,并学会利用验电器判断电荷的正负后,依据“用研究的视角来优化学习的过程”理念,向学生提出了一个具有挑战性的、极易被忽略的问题：“电荷为什么被命名为正电荷和负电荷?”学习一定是从问题开始的,学生只有经历问题解决过程才意味着学习真正开始,其前提是教师能把简单的告知转变为问题研究,能基于真实情境预设出具有探索性和思维性的问题.在实际课堂教学中,学生通过对该问题讨论和分析,以及有理有据的推理,不仅知其然,而且知其所以然,有效地培养了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力.

又例如本节中“探寻规律”这一环节,也体现了这样的教学策略.

教师活动5：在摩擦起电实验中,“起电”过程是否创生出了电荷?请学生结合刚才的实验现象大胆地猜想,电荷被命名为正、负电荷是否意味着物体在带电过程中还隐藏了什么规律呢?

学生活动5：学生小组讨论交流并假设猜想,电荷的代数和可能保持不变.学生设计实验,验证猜想.

教师活动6：提供如图3所示自制的实验器材,将上端的金属球换成金属板的验电器(金属板上包裹一层塑料薄膜)、一对带有绝缘手柄的摩擦起电板(起电板的面积略小于验电器上端金属板的面积).

图3 验证电荷的代数和不变

学生活动6：手持绝缘手柄,将一对摩擦起电板摩擦后,其中一块小板放到原来不带电的验电器金属板上,验电器金箔张开,然后将另一块小板也跟金属板正对着接触,验电器金箔闭合,即证明两小板摩擦后带上的是等量异种电荷.

设计意图：学习的过程即研究的过程.故在电荷的规律这一教学环节,教师预设了一个颇具深度的问题：“正负电荷的命名,是否意味着起电过程还隐含着什么规律?”激发学生大胆猜测并提出自己的主张,最后通过实验验证收集相应的证据,强化了科学推理过程中的证据意识,有效提升了学生的科学探究意识和能力,真正地实现了知识的自主建构.以往的这一块教学中,教师以讲授为主,学生紧跟教师的步伐,这是一种被动的学习.本节课教师在此处设置了能产生认知冲突的问题,激发学生主动思考和解决问题,逐步形成尊重科学事实和证据、严谨、重逻辑的科学思维.

5 基于自主实践,揭示本质特征,培养学生思维的深刻性

“学习即研究”的观点认为,真实的学习就是浓缩的科学研究过程,与容易遗忘的知识与结论相比,学生在真实的自主实践中获得的思维能力才是刻骨铭心.引领回溯科学研究历程,重走科学发现之路,共情于科学家认识自然之艰辛,感悟前人在科学迷雾中摸索前行之勇气与智慧,是一种重要的学习方法和研究方法.这样既让学生认识到,科学探索并不是一蹴而就,而是曲折的、漫长的,也让学生亲自揭示隐藏在知识背后的规律,深刻理解科学的本质.

本节课中“本质”这一环节,就体现了这样的教学策略.

教师活动7：起电的过程为什么电荷的代数和不变呢?要解决这个问题,必须要明晰起电的本质.先让我们回顾一下,人类对起电本质认识的历史进程吧.课件展示1733年法国科学家杜菲提出“双电流质说”假说.1747年富兰克林提出了“单电流质说”假说等.科学是一个不断修正完善的过程.如今你知道摩擦为什么能使物体带电吗?

学生活动7：学生介绍原子的微观结构,并从微观角度分析摩擦起电的过程,从而得出结论——摩擦起电的本质是电子的转移,且在转移的过程中电荷的代数和保持不变.

教师活动8：跟丝绸摩擦后的玻璃棒是否一定要接触金属球,验电器箔片才会张开?有没有第3种起电方式呢?请小组两两合作,利用自制的验电器设计实验进行验证.

图4 静电感应实验

学生活动8：学生设计方案,实验操作,汇报交流.将两个自制的验电器上端的金属丝靠在一起,代替枕形导体,如图4所示.跟丝绸摩擦后的玻璃棒靠近金属丝时,两个自制验电器的金属箔片均张开;将两个验电器分开,取走玻璃棒后,验电器的金属箔片仍张开.

教师活动9：同学们刚才观察到的实验现象叫静电感应现象,这种起电方式叫感应起电.请同学们从微观角度来解释感应起电现象,并思考如下问题：感应起电过程电荷的代数和也是不变的吗?如何通过实验证明?

学生活动9：学生设计实验,合作演示——将已经分开的两验电器上端的金属丝再次接触,箔片均闭合.从而得出结论——在感应起电过程中电荷的代数和也是不变的.

教师总结,大量的实验表明,目前已知的所有起电方式,其本质均是电荷的转移,并且在转移的过程中遵循电荷守恒定律.

设计意图：从历史回顾,到理论分析,再到实验验证;从电荷正负的命名,到电荷的累加性和中和性,再到起电过程电荷的代数和不变,在历史和实验现象中不断寻找证据,并逐步揭示物体带电的本质.课堂教学过程中,学生用简易材料自制器材,全员参与动手实验.学生在历史的回顾中感悟,在实验的验证中体悟,在合作中展示研究成果.学习者也是研究者的主体地位充分体现,实现了学习及研究的真实发生,形成了实证的科学态度和正确的电荷观念.

6 教学反思

(1) 目标的制订要突出素养培育.课堂教学目标支配着一节课学习和研究的方向,整个教学活动必须围绕目标而展开.要实现知识课堂向素养课堂的转型,只有深刻领悟物理学科核心素养内涵,从物理学科核心素养的4个要素来合理制订教学目标、架构教学脉络,以此为依据设计学习过程和支持教学的策略、资源等等,让学科核心素养在一个个具体教学目标的落实中得到发展.

(2) 问题的设计要利于素养发展.学习的本质就是解决问题,没有问题就谈不上学习.因此在课堂教学中,教师要在深入研究文本的基础上,以问题链的形式设置有价值的、深刻性的本源性问题,来创生思维冲突,触发学生深入思考,让学生主动投入学习,展开深层对话,开展深度探究,最终实现由学生自主发现规律.学生所获得的不仅仅是结论,更重要的是领悟了知识的发生和发展过程,掌握了研究科学问题的正确方法.

(3) 学习的过程要体现研究发现.学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演,他们学习科学的心理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序.[3]所以,在物理教学中,教师应依据学生的认知结构,构建真实的探究情境和任务,让学生去发现、去创造.在探索发现中,学生不仅获取了知识,也领悟了科学思想方法.

总之,课堂的重构与转型是核心素养时代的教育诉求,[4]其根本任务是为了实现从“知识积累型学习”到“素养发展型学习”的转变,为此需从物理学科核心素养的4个要素来合理制订教学目标、架构教学脉络;需从“学习即研究”观点出发,在深入研究文本的基础上,深度挖掘内隐于知识深层的逻辑关系和人文价值,以问题链的形式设置有价值的、深刻性的本源性问题;需用研究的视角来优化学习的过程,精心设计自主实践活动,步步设疑,层层剥茧,触发学生深入思考,开展深度探究.学生从原来的知道、了解,上升为理解和领悟,且掌握了研究科学问题的正确方法,形成了严谨的科学态度,实现了素养的高阶发展.