基于思维进阶式发展的作业变式设计实践研究——以苏科版初中物理“欧姆定律”作业设计为例

卢义刚

(南京市金陵中学龙湖分校,江苏 南京 211500)

《义务教育物理课程标准》提出：“物理课程旨在促进学生核心素养的养成和发展,引导学生学会学习、学会合作、学会生活,为学生的终身发展奠定基础.”[1]显然,要落实物理课程标准的目标就必须从核心素养的基本要素出发,研制与之有关的相应教学策略与措施.现以物理作业设计为抓手来具体探讨落实课程标准要求的教学措施.

以“生活·物理·社会”为理念,通过基础性、拔高性、挑战性、活动性作业的变式设计和学生对这些作业的完成,来实现物理概念建构与思维进阶式发展的教学目标,有效落实物理观念、科学思维等学科素养的培养.

1 作业变式——基于思维进阶式发展的一种作业设计策略

作业是巩固学生所学知识、训练学生思维方法、诊断和检验学生学习效果的重要手段和方法,也是提高学生分析问题、解决问题能力的有效途径.因此,作业设计是物理教学的重要环节.优秀的作业设计不仅能够达到预期的效果和目的,也能实现“双减”工作的要求和目标.

作业设计的本质内涵是让学生在真实情境下利用核心概念与规律来解决相应的实际问题,从而训练与发展学生的思维;既能考查学生对相关知识的掌握情况,又能深化学生对相关核心概念、规律的理解、提升与拓展,进而丰富学生的物理学科素养.所以,学生完成物理作业的活动过程,就是“通过体验和经历情境变化来完成对信息的检索与加工,建构物理模型,并应用物理概念与规律来解决实际问题”的思维活动过程.其设计流程图如图1所示.

基于“发展每一个学生”的育人目标,物理作业设计要因不同学生的物理学习能力差异而进行同一情境下的差别化设计,即在依据因材施教的理念下开展作业变式设计,布置适合不同学生的基础性作业、拔高性作业、挑战性作业、活动性作业等.这些个性化的物理作业变式既可以减轻学生的作业负担,又能激起学生完成作业的斗志和学习兴趣,让每个学生因作业而得到个性化发展,使作业发挥最大的学习效益.作业变式设计的水平结构如图2所示.

图1 作业变式设计流程图

图2 作业变式设计水平结构图

2 作业变式——基于思维进阶式发展的一次实践研究案例

基于上述对作业变式设计的理解与认识,现以初中物理苏科版“欧姆定律”的课后作业设计为例来说明作业变式设计的特点与实践操作技巧.

2.1 作业变式设计案例的背景分析

欧姆定律(I=U/R)是初中物理电学知识中的核心规律,其涉及到电学核心概念有电流强度(I)、电压(U)、电阻(R),以R=U/I为原理的“伏安法”测量性实验是体现了电学实验的核心思维方法.“欧姆定律”的课后作业设计在凸显其核心地位和价值时,要强化在学完“欧姆定律”内容后善于利用“作业变式设计”来对相应的物理观念、科学思维和科学探究等学科素养进行完美诠释和彰显.

2.2 作业变式水平1——基础性作业

作业设计1：使用电阻箱间接测量小灯泡的电阻.阅读电阻箱的使用说明书,了解电阻箱的特点、接法和读数方法.[2]

(1) 将待测的小灯泡接入如图3所示电路的M、N两点间,闭合开关,读出电流表的示数I.

图3 电路实验图

(2) 取下该小灯泡,将电阻箱接在M、N两点间,调节电阻箱的阻值,使电流表的示数仍为I,读出此时电阻箱的阻值R.问：① 小灯泡的电阻值是多大?② 为什么?

试一试,将电流表换成小量程电流表,用类似的方法测出你自身的人体电阻,并和其他学生交流测量结果.

具体要求：(1) 只完成①②两问,并通过欧姆定律推导说明此测量方法的合理性;(2) 画出(1)(2)两个操作步骤的电路图;(3) 将两个步骤中的电路图合并为一个图.

设计意图1：要求(1)新授时学生已解决,在当时学生由于还未学习“欧姆定律”的相关知识,所以只能基于第14章第1节“电阻”中“活动14.1尝试改变电路中电流大小”所总结出的电流与电压、电阻之间的定性关系来解题,但背后“定量的理”却不清,只是“想当然”而已;再做的目的是强调理性分析,找到背后“定量的理”——欧姆定律,形成认知闭环,并实现“格物致理”.[3]而要求(2)则体现每个学生是否能对测量电路进行建模——画电路图,以便对前面所找到的“定量的理”进行进一步确认与巩固.[4]要求(3)则是让学生评价“先后对比”与“同时对比”哪一种方式更好,为后续更进一步的等效替代法测电阻应用奠定基础.

效能评估1： 基于学生完成的情况来看,学生能否完成要求(1),可以反映学生能否通过欧姆定律及其变形公式来正确认识电流与电压、电阻之间的定量关系,可以帮助学生巩固并深化对欧姆定律及其相关公式的掌握.能否完成要求(2)和(3)则可以反映出学生面对实际电路画出其对应的电路图的能力是否已经具备,但从实际情况来看学生根据新要求而自主设计符合新需求功能的电路能力还有些弱;从另一个侧面也说明学生根据知识自主建立电路模型的能力尚欠缺,还需要教师在后续教学中逐步帮助提升.

2.3 作业变式水平2——拔高性作业

作业设计2： 若上述作业中的小灯泡上标有“0.3 A”字样,如何在没有电压表的情况下测量此小灯泡正常发光时的电阻?原实验应如何改进?请利用欧姆定律来加以说明.

设计意图2：“欧姆定律”学完后,学生们已经知道小灯泡上所标的“0.3 A”含义即小灯泡正常发光时的电流为0.3 A以及灯泡电阻随温度升高而变大的特点.因此,本作业所要测量的小灯泡电阻就是当灯泡中电流为0.3 A时的电阻.可是,当小灯泡接入电路中时,灯泡中的电流一定会恰好等于0.3 A吗?如果不等于0.3 A,又该怎么办呢?

为了解决这两个问题,学生需要想到利用滑动变阻器;还要想到原电路中会不会因为定值电阻R阻值过大而导致滑动变阻器无论怎样滑动电流根本就无法达到0.3 A的可能.究竟是直接将滑动变阻器串联接入原电路中还是利用滑动变阻器将定值电阻R替换掉?在具体操作中什么时候调节滑动变阻器、什么时候调节电阻箱?是两个电路图还是一图两用(在原基础性作业上的进阶)?学生在解决上述问题的过程中,会逐步明晰题目背后所蕴含的“理”——欧姆定律.

“利用欧姆定律加以说明”不仅仅是让学生在应用欧姆定律解决问题的过程中深化对欧姆定律的认识和理解,也促使学生在推导过程中理解“等效替代法”的科学应用,即解决问题过程中必须要思考“谁替代谁?”及“何为等效?”等理性问题.此作业综合应用性强,对学生的学习与思维能力要求较高,符合临界生的学习特点,能体现选拔的目的,可以实现对“欧姆定律”学习的再提升.

效能评估2：由于之前学生较多接触的是定值电阻的测量,其间不需要考虑温度对电阻的影响,其阻值大小的测量也就无须在特定大小的电流下进行.因此,之前的作业不利于学生对导体的电阻这一属性的全面深入地理解.而本作业则要求学生基于“温度对导体电阻的影响”,设计测量其在正常工作状态下的阻值,能更好地帮助学生理解“电阻”这一导体的物理属性.从学生电路设计结果上来看,有没有选择滑动变阻器可以考查出学生是否理解“要考虑温度对灯泡电阻的影响”,即只能在灯泡处于正常工作的电流下对其阻值进行测量;而隐藏在题目中的定值电阻R又是制约电路中的电流是否能够调节到灯泡正常工作电流值的另一个不确定性因素,学生在设计电路时能否考虑到它的影响而直接利用滑动变阻器将其替换掉,可以考查学生运用欧姆定律对实验情况进行预判的能力,同时也能进一步强化学生对欧姆定律的理解.

2.4 作业变式水平3——挑战性作业

图4 电路图

作业设计3：如图4是能巧测R2阻值的实验电路.图中R为电阻箱,R0为定值电阻(阻值未知).若仅用电阻箱读数表达R2的阻值,请在横线上填上适当内容,使之符合实验要求.

① 将开关接a,调节电阻箱和滑动变阻器滑片P至适当位置,记下________; ② 将开关接b,调节_______,保持________不变,记下________;③R2=________.

设计意图3：此项作业考查学生对等效替代法中“谁替代谁?”及“何为等效?”是否明确,对等效替代法背后的“理”即核心概念和核心思维方法是否明确,是否具备面对新情境下的思维迁移能力及解决实际问题的能力.”[5]

此作业变式的综合性强,变化跨度大,真正能考查出学生对I=U/R的内化与迁移应用程度,还能进一步激发学生对“等效替代法”测电阻和伏安法测电阻是两种方法还是同一种方法的深入思考.

效能评估3：本项作业与之前作业相比,最大的不同就是之前的两次作业仅仅是利用电阻箱进行“一次”替代,而本项作业则需要利用电阻箱进行“二次”替代.但与前两次作业相比,它们的共同之处都是通过欧姆定律可以分析出在两次电路中电流相同的情况下,由于电源输出电压相同,所以两次电路中的总电阻也是相同的;在保持两次滑动变阻器接入电路中阻值不变的情况下,待测电阻R2就等于电阻箱两次的阻值之差,整个电路的分析与解决的依据与之前作业的思路完全一致.此项作业可以很好的考查学生将前两次作业的思想方法迁移应用到新情境中的能力.

2.5 作业变式水平4——活动性作业

作业设计4：在没有微小量程电流表的情况下,利用基础性作业情境能否测出人体两手之间的电阻(约为1 kΩ)?请结合自己的实践活动,说出设计理由、操作步骤及该实验对滑动变阻器规格的选择有什么要求等?(见基础性作业中的“试一试”)

设计意图4：此项作业基于“生活·物理·社会”学科理念,将基于核心概念和规律的作业设计延伸到生活中估测人体的电阻,能够体现出物理学科的生活性、趣味性及实用性.此项作业由于是大电阻测量,可以帮助学生在实际操作中学会对实验器材规格进行评估与选择.通过此项实践活动性作业,可以进一步让学生明白测电阻背后的“理”,内化对欧姆定律的认识,形成自己的相关物理观念.当然,此项作业也体现了“以主题为线索,构建课程结构”的课程理念,帮助学生对原有知识进行再构.

效能评估4：本项作业是在没有给出任何限定性器材和电路的情况下,要求学生完全自主选择器材、设计实验方案并且进行操作的一项解决实际问题的活动性作业,实践要求高,难度大.由于初中学生思维和学习方式的局限性,很多时候他们对实验的设计往往是“理论上可行,而实践却难以操作”;故通过学生对滑动变阻器、电阻箱的阻值规格选择可以考查出学生应用欧姆定律分析问题与解决问题的能力程度.通过学生是选择电流表还是电压表来进行测量可以考查出学生对测量器材精度要求的认知情况等.此项作业的完成过程均需要学生的亲自参与,通过亲身体验与经历一场科学分析、论证、实践、评估、再分析、再论证、再实践、再评估的过程,真正提升他们在真实情境下解决实际问题的能力,促使其学科素养真正得到培养与升华.

3 实践研究结论

从物理作业设计的实际效果来看,教师在作业设计时通过“作业变式设计”,可以实现高效课堂与课后有效的延续.

物理教师在进行“作业变式设计”时,要依据学生的学习能力进行作业设计的难度变式,以尊重学生,因材施教,使大家“跳一跳,都能够得着”;要依据物理核心概念与规律进行作业设计的思维变式,以激发学生的学习热情,实现学习与思维的双进阶;要依据“题根”进行作业设计的“一题多变,九九归一”,让学生在熟知的作业情境中找到自己学习的“最近发展区”,从而增强学习的自信心,理解“不变与变”的物理辩证简约之美.