基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的 “楞次定律”教學(xué)改進(jìn)實(shí)證研究

王 錒 瑪麗娜·阿西木汗 郭玉英

(1. 北京豐臺二中, 北京 100071; 2. 北京師范大學(xué)物理系, 北京 100875)

基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的“楞次定律”教學(xué)改進(jìn)實(shí)證研究

王 錒1瑪麗娜·阿西木汗2郭玉英2

(1. 北京豐臺二中, 北京 100071; 2. 北京師范大學(xué)物理系, 北京 100875)

“楞次定律”是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)．本研究用基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型改進(jìn)了教學(xué)設(shè)計(jì),將概念理解的進(jìn)階與培養(yǎng)建模能力的過程進(jìn)行整合．通過實(shí)驗(yàn)班與對照班的教學(xué)過程及前、后測結(jié)果的比較,可以看出改進(jìn)后的教學(xué)有效地突破了常規(guī)教學(xué)中的難點(diǎn),是一個比較成功的創(chuàng)新案例．

高中物理;學(xué)習(xí)進(jìn)階;楞次定律;教學(xué)改進(jìn)

楞次定律是高中物理電磁感應(yīng)主題中的重要內(nèi)容,是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)．在常規(guī)教學(xué)中,通常將螺線管和靈敏電流計(jì)組成閉合回路,在條形磁鐵插入或拔出螺線管時,根據(jù)靈敏電流計(jì)指針的變化,得出感應(yīng)電流的方向,然后引導(dǎo)學(xué)生分析感應(yīng)電流方向所遵循的規(guī)律．學(xué)生根據(jù)螺線管的繞向、電流表的擺動方向來判斷感應(yīng)電流的方向已經(jīng)很不容易,更難理解研究感應(yīng)電流的方向卻要先研究感應(yīng)電流磁場的方向,尤其不理解“阻礙”二字的由來及含義,建立對應(yīng)的心智模型對學(xué)生來說有相當(dāng)?shù)睦щy．心智模型起源于個體對自身經(jīng)驗(yàn)與觀點(diǎn)的操作,心智模型的建立過程也是發(fā)展學(xué)生的建模能力的過程．本設(shè)計(jì)依據(jù)基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型對楞次定律這節(jié)課進(jìn)行了教學(xué)改進(jìn)．

1 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型簡介

2004年,史密斯(Carol Smith)等學(xué)者代表“基礎(chǔ)教育階段科學(xué)學(xué)業(yè)成就評價委員會”向美國國家研究理事會(National Research Council)提交的報告中,學(xué)習(xí)進(jìn)階(Learning Progressions)第一次在科學(xué)教育領(lǐng)域被正式提出．[1]目前,研究者對于學(xué)習(xí)進(jìn)階已經(jīng)給出了多種的定義與描述．一般而言,這些定義都認(rèn)為“學(xué)習(xí)進(jìn)階”可以用來描述學(xué)生對科學(xué)概念的不同理解水平．[2]郭玉英等基于對我國物理教學(xué)的實(shí)證研究建構(gòu)了科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型(表1)和基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)模型(圖1)．[3]

表1 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

2 根據(jù)模型進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)

本研究依據(jù)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階模型對楞次定律這節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了概念進(jìn)階的研究,并依據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)模型改進(jìn)了教學(xué)設(shè)計(jì)．

2.1 基于進(jìn)階的學(xué)情分析

2.1.1 需要建構(gòu)的科學(xué)觀念

楞次定律是能量守恒在電磁感應(yīng)中的具體表現(xiàn),學(xué)生在力學(xué)部分學(xué)過機(jī)械能守恒定律,但不會從能量角度來分析電磁感應(yīng)問題.本節(jié)課需要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)電磁運(yùn)動中的能量守恒觀念．根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的難易規(guī)律和章節(jié)內(nèi)容之間的相關(guān)性,改變了教材的順序,先講法拉第電磁感應(yīng)定律,后講楞次定律．通過查閱物理學(xué)史資料,發(fā)現(xiàn)楞次定律的表述除人教版、教科版教材中描述的以外,還有另外一種表述:感應(yīng)電流的效果總是要反抗引起感應(yīng)電流的原因．這種表述更直觀,學(xué)生更容易理解．因此本節(jié)課采用楞次定律的兩種表述．

通過前測了解到學(xué)生原有的知識基礎(chǔ)(經(jīng)驗(yàn)水平):

(1) 知道產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是閉合回路的磁通量發(fā)生變化;

(2) 會判斷具體情況下能否產(chǎn)生感應(yīng)電流;

期望達(dá)成的理解水平(整合水平):

(1) 會用楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向;

(2) 知道楞次定律(阻礙)的實(shí)質(zhì):阻礙是能量守恒定律的必然結(jié)果．

2.1.2 希望培養(yǎng)的關(guān)鍵能力

本節(jié)課希望進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的建模能力．以往的研究表明,高二的學(xué)生有一定的科學(xué)探究能力、分析、歸納能力．但是對高中生思維能力的研究指出:絕大多數(shù)高中二年級的學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁學(xué)相關(guān)知識的過程中并不具備學(xué)習(xí)這部分知識所必須的形象思維能力及抽象思維能力,[4]形象思維能力和抽象思維能力與學(xué)生的心智模型發(fā)展有關(guān)．[5]學(xué)生的心智模型需要不斷修正完善,才能建立正確的科學(xué)模型.我國學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求也強(qiáng)調(diào)物理教育中建模能力發(fā)展的重要性,因此本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生建模能力的培養(yǎng)．

2.1.3 期望構(gòu)建的整合關(guān)系

本節(jié)課期望構(gòu)建楞次定律的概念學(xué)習(xí)進(jìn)階與建模能力發(fā)展的整合設(shè)計(jì)．引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)過的相關(guān)模型,解釋和預(yù)測電磁感應(yīng)現(xiàn)象,并通過楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向,不斷修正已有模型,最終建構(gòu)楞次定律的“阻礙”模型．

2.1.4 可能存在的中間狀態(tài)

本節(jié)課在學(xué)生的原有知識和期望達(dá)成的理解水平間可能有3個認(rèn)知狀態(tài)和關(guān)鍵進(jìn)階點(diǎn)．[6]L1: 針對問題情景觀察阻礙現(xiàn)象,選擇已學(xué)習(xí)過的感應(yīng)電流模型來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,初步建立感應(yīng)電流的“阻礙”模型;在事實(shí)經(jīng)驗(yàn)和楞次定律間建立起簡單的聯(lián)系,屬于映射水平;L2:知道感應(yīng)電流的效果總會阻礙引起感應(yīng)電流的原因,推斷感應(yīng)電流通過感應(yīng)磁場與原磁場相互作用;建立感應(yīng)磁場的“阻礙”模型,屬于關(guān)聯(lián)水平;L3:建立楞次定律概念模型,理解楞次定律的內(nèi)容,把握住楞次定律的本質(zhì)特征,屬于系統(tǒng)水平.

2.2 學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)和教學(xué)開發(fā)

邱美虹等人根據(jù)Halloun[7]的建模過程提出了建模教學(xué)的6個步驟: (1) 模型選擇； (2) 模型建立; (3) 模型的驗(yàn)證; (4) 模型的應(yīng)用; (5) 模型的調(diào)整; (6) 模型的重建．[8]本研究對此過程進(jìn)行了適當(dāng)簡化和順序調(diào)整,調(diào)整后的過程如下．

模型的選擇:根據(jù)測試結(jié)果確定學(xué)生已有的心智模型,通過恰當(dāng)?shù)尿?qū)動問題發(fā)展學(xué)生的心智模型．前測結(jié)果表明學(xué)生知道閉合回路中的磁通量變化會產(chǎn)生感應(yīng)電流,閉合回路部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動也能產(chǎn)生感應(yīng)電流．因此學(xué)生已具有在不同情境中運(yùn)用感應(yīng)電流模型的能力．教學(xué)第一環(huán)節(jié)學(xué)生觀察“落磁”實(shí)驗(yàn),根據(jù)教師設(shè)計(jì)的驅(qū)動問題和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)活動,學(xué)生調(diào)用感應(yīng)電流模型初步解釋阻礙效果:感應(yīng)電流的效果阻礙相對運(yùn)動．

模型的建立:建模教學(xué)過程設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究活動和小組討論建構(gòu)和完善自己的心智模型,在教師的引導(dǎo)下,建構(gòu)楞次定律的“阻礙”模型,同時發(fā)展個人的建模能力．首先以小組為單位探究磁極變換與水平圓環(huán)的轉(zhuǎn)動方向之間的關(guān)系,小組討論結(jié)束之后,學(xué)生代表出來展示,口頭或文字的形式表征自己的模型,展示學(xué)生個人觀點(diǎn)會提高學(xué)生對自己心智模型的表征能力,同時糾正學(xué)生錯誤的心智模型.通過關(guān)鍵問題的設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生分析解釋和論證自己的個人觀點(diǎn)以修正頑固的迷思概念.教師通過科技手段提供了表征圓環(huán)實(shí)驗(yàn)的動畫模型,幫助學(xué)生正確畫出感應(yīng)電流與感應(yīng)電流磁場方向,學(xué)生可以用感應(yīng)磁場模型來交流和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,說明學(xué)生在感應(yīng)電流的“阻礙”模型基礎(chǔ)上建立了感應(yīng)磁場的“阻礙”模型．

模型的檢驗(yàn)和調(diào)整:對于感應(yīng)電流的產(chǎn)生原因部分學(xué)生還是用原來的切割磁感線模型．針對學(xué)生的迷思概念,緊接著設(shè)計(jì)沒有相對運(yùn)動切割磁感線的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下分析原磁場的變化與感應(yīng)電流磁場的關(guān)系,再結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,調(diào)整學(xué)生原來頭腦中的切割磁感線模型,正確建構(gòu)楞次定律的第二種表述:感應(yīng)磁場的“阻礙”模型．

模型的應(yīng)用和重建:整合能量守恒與楞次定律模型,建構(gòu)學(xué)生的能量觀．最后教師引導(dǎo)學(xué)生從能量角度分析“落磁”實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步將學(xué)生能力提升到整合水平．假設(shè)感應(yīng)電流不遵循楞次定律,產(chǎn)生的感應(yīng)電流將促進(jìn)相對運(yùn)動,磁塊兒的速度越來越大,動能越來越大,感生電流也越來越大,而且沒有任何東西阻止這種增長,這與能量守恒定律發(fā)生了矛盾．由此證明楞次定律是能量守恒定律另一種表現(xiàn)形式．

下面的流程圖(見圖2)整合了學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)和教學(xué)開發(fā),左側(cè)虛線框內(nèi)由下到上是學(xué)生的概念理解水平及進(jìn)階分析,右側(cè)是依據(jù)進(jìn)階路徑設(shè)計(jì)進(jìn)行的教學(xué)活動流程及學(xué)習(xí)任務(wù)．

圖2 “楞次定律”學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)及教學(xué)開發(fā)流程圖

3 改進(jìn)前后的教學(xué)設(shè)計(jì)對比

在進(jìn)行電磁感應(yīng)這一章的教學(xué)之前,筆者對北京市某示范校高二年級全體理科學(xué)生進(jìn)行了前測,對原始數(shù)據(jù)用Rasch模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,算出班級的平均能力值．根據(jù)學(xué)生前測多重比較結(jié)果選出兩個平行班．結(jié)果表明3班與4班之間的差異顯著性水平為0.635(表2),表明兩班能力差異不顯著,因此3班和4班可視為平行班．3班的平均能力值略高于4班,選4班作為實(shí)驗(yàn)班,3班作為對照班．

表2 前測兩班能力值比較結(jié)果

實(shí)驗(yàn)班和對照班同時教學(xué),對照班的教師使用改進(jìn)前的教學(xué)設(shè)計(jì)即常規(guī)教學(xué)模式,實(shí)驗(yàn)班的教師用改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)，如表3.

表3 改進(jìn)前后的教學(xué)設(shè)計(jì)對比

4 實(shí)施效果分析

教學(xué)后對兩班進(jìn)行了后測．后測題目有兩個,第1題考察楞次定律的簡單應(yīng)用,判斷閉合圓環(huán)的磁場突然減少時的感應(yīng)電流方向．第2題考察楞次定律在比較復(fù)雜情況下的應(yīng)用,當(dāng)磁條接近平行導(dǎo)軌時,判斷導(dǎo)軌上面的兩個金屬棒的運(yùn)動情況和感應(yīng)電流的方向．兩個題目的滿分均為3分．實(shí)驗(yàn)班與對照班的測試成績?nèi)绫?.

表4 學(xué)生得分統(tǒng)計(jì)表

可以看出無論是基礎(chǔ)題還是能力要求比較高的復(fù)雜題目實(shí)驗(yàn)班都有明顯的優(yōu)勢．兩道題差異比較大的是第二道題,能夠正確判斷a,b棒運(yùn)動方向,并且說明了原磁場的磁通量變大或者感應(yīng)電流要阻礙磁通量的變化得2分,只是正確判斷a,b棒運(yùn)動方向,沒有說明或者說明錯誤得1分．對照班得2分以上的學(xué)生僅有33.4%,而實(shí)驗(yàn)班得2分以上的學(xué)生人數(shù)占66.7%,說明實(shí)驗(yàn)班的大部分學(xué)生對楞次定律的“阻礙”模型的應(yīng)用能力比較強(qiáng),而對照班的大部分學(xué)生還不能用模型解釋問題,只是根據(jù)記憶判斷感應(yīng)電流方向,但不能用模型預(yù)測和解釋物理現(xiàn)象．測試結(jié)果證明這節(jié)課的教學(xué)改進(jìn)有助于學(xué)生建構(gòu)正確的楞次定律模型,同時發(fā)展了應(yīng)用模型分析解釋問題的能力．

5 總結(jié)

科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型和基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)模型為一線教師改進(jìn)教學(xué)提供了理論依據(jù)和操作指南．本研究側(cè)重發(fā)展學(xué)生的概念理解和科學(xué)建模能力,在教學(xué)設(shè)計(jì)中將兩者進(jìn)行整合,設(shè)計(jì)了逐層進(jìn)階的教學(xué)過程．教師精心設(shè)計(jì)有效的驅(qū)動問題和學(xué)習(xí)任務(wù)來引導(dǎo)學(xué)生,建模過程根據(jù)核心概念的進(jìn)階水平調(diào)用建模過程的對應(yīng)階段,逐步修正學(xué)生原有的心智模型,建構(gòu)正確的楞次定律的科學(xué)模型．在模型的建構(gòu)和檢驗(yàn)使用上花費(fèi)的時間比較長,主要為了發(fā)展學(xué)生的建模能力．物理核心素養(yǎng)要求的其他能力的發(fā)展也可以和科學(xué)概念的進(jìn)階發(fā)展整合培養(yǎng),如科學(xué)論證、科學(xué)推理等,有待中學(xué)物理教師在實(shí)施新課程標(biāo)準(zhǔn)的過程中進(jìn)一步嘗試,同時希望在實(shí)踐過程中對本團(tuán)隊(duì)提出的教學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正．

基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況確定進(jìn)階路徑,因此同一課題的教學(xué)可以有不同的教學(xué)設(shè)計(jì),但都應(yīng)以學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為總目標(biāo)．教師需要關(guān)注物理觀念和科學(xué)思維能力的整合發(fā)展,真正把物理核心素養(yǎng)落實(shí)在每一節(jié)課的教學(xué)之中．

1 姚建欣,郭玉英.為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展建模:學(xué)習(xí)進(jìn)階十年研究回顧及展望[J]. 教育學(xué)報，2014(05):35-42.

2 魏昕.中學(xué)物理“能量”概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究[D].北京： 北京師范大學(xué), 2014.

3 郭玉英,姚建欣. 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 課程·教材·教法，2016(11): 64-70.

4 喬際平. 物理學(xué)習(xí)心理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1991.

5 何春生，郭玉英.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“功”為例[J].物理教師，2016(10)： 23-26.

6 R S Justi, J K Gilbert. Modelling, teachers’ views on the nature of modelling, and implications for the education of modellers[J]. International Journal of Science Education. 2002, 24(4):369-387.

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本文系教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型研究”(項(xiàng)目批準(zhǔn)號:13YJA880022)的研究成果．

2017-04-12)