刘慧琰 田成良

(1. 北京市第二十中学,北京 100085;2. 北京市海淀区教师进修学校,北京 100085)

1 引言

随着新一轮课程改革的开展,发展学生高阶思维能力,在课堂上实现深度学习、落实核心素养培养目标已经成为教学的主旋律。按照布卢姆的目标分类理论,认知领域的学习目标分为六个层次：记忆、理解、应用、分析、评价和创造,这六个层次由简单到复杂,对应的思维能力由低阶到高阶,高阶思维能力包含并依赖低阶的认知技能。深度学习就是要发展高阶思维,指向实际问题的解决,让学生自主习得知识和方法,并融入原有的认知结构之中,能够将内化的知识迁移到新情境中。

深度学习的育人追求,是让学生在面对复杂的真实问题时能创造性地分析、较快形成解决问题的思路、迅速进行决策、快速整合资源解决问题。这种能力是学生在解决具体问题的实践中及创生新意义的过程中形成和发展的,其中的重要载体就是情境素材。好的情境素材可以将核心素养和课程内容进行深度关联,形成将学习内容、学习活动、持续性评价相统一的实践性学习过程。

创设什么样的情境,以什么样的形式展现情境,以及如何将情境与知识统一,成为亟待研究的问题。笔者以“静电的防止与利用”教学为例,探讨利用创设情境问题落实核心素养培养目标、促进学生高阶思维能力发展的路径。

2 实施过程

2.1 目标导向的情境选择

情境是教学环境的一个即时条件,创设好的教学情境需要根据学情和教学目标,使学生在情绪上受到感染,产生共鸣,加深对课程内容的理解,且与生产生活相结合,体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念。情境不是花哨的外衣,情境素材必须紧紧贴合教学内容,服务于教学目标,选择情境的第一步就是明确教学目标和教学内容。

“静电的防止与利用”是《静电场及其应用》一章的最后一节内容,在这一章的教学中,通过对点电荷、库仑定律、电场、电场强度等物理概念和规律的逐步学习、系统反思和迁移应用,促进学生的物质观念、运动与相互作用观念和能量观念的形成(图1)。这一阶段的学习涉及模型建构、类比、微小力放大、比值定义法等科学方法,着力培养学生综合分析问题的能力,建构静电场的知识结构。本节就是在真实的生产生活情境中,利用静电场知识分析、解决问题,强化物理学跟生活、社会的联系,促进学生养成科学态度与责任。

图1

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对本节内容的要求是：“了解生产生活中关于静电的利用与防护。”基于上述要求,梳理出本节课需要解决的3个问题：(1) 静电平衡是怎样形成的?(2) 处于静电平衡状态的导体有何特点?(3) 静电现象在生产生活中有哪些应用?这3个核心问题又可分解成子问题,循序渐进地引导学生解决问题(图2)。这些问题串不能零碎地、割裂地提出,要用一个大情境相贯穿,这样才能保证学生在情境中的产生情绪共鸣,联系生活实际;在解决实际问题的过程中发展物理学科核心素养,引导学生在真实情境中提出物理问题,在解决问题中掌握核心知识,促进学生思维的发展;通过静电平衡的概念和规律的理论探索与实验验证,促进学生理解、掌握静电知识,经历“问题”“解释”“交流”“反思”的科学探究过程,培养学生的实验探究能力;最后再创设类似情境,使学生能将所学知识应用到生活情境中解决问题,如通过联系生产生活中的静电现象及其应用,引导学生认识科学、技术、社会、环境的关系。

图2

2.2 问题驱动的情境呈现

为了让情境服务于教学目标,要让学生在教师引导下能够提出本节课的关键问题,所以情境不能太复杂,指向性要明确,呈现方式要自然、有趣。本节课的大情境是“探究汽车中的静电知识”,并利用3个与汽车相关的情境问题作引领,引导学生在情境中提出核心问题;通过模拟实验、小组讨论等来解决问题,再引导学生联想生活中的应用,经历“情境化—去情境化—再情境化”的过程,践行“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,激发学生的好奇心、求知欲,感悟环境保护和安全防护的必要性。

问题1：雷雨天人待在汽车里安全吗?

为了渲染氛围,增强情境的真实性,先播放雷雨天气下行车的视频,让学生猜想并说明理由。对这个问题,学生会有不同的答案,部分学生会认为车是金属架构,易导电,所以应该下车。此时,教师无需解释,而是利用两个金属极板和高压感应圈模拟云层和大地之间的强电场,用易拉罐和铝箔包裹的小棒模拟小汽车和人,通过模拟实验检验学生的猜想(图3)。

图3

模拟雷击车的实验结果明显,效果显著,引发了学生的认知冲突,教师要求学生分组讨论人在车内不受雷击的原因,提示学生结合所学知识将真实情境简化为可研究的物理问题。有小组提出：将云层和大地之间的强电场简化为匀强电场,小汽车简化为金属导体。情境简化以后,教师有序提出问题,通过问题串引导学生讨论、解决问题。

问题1：将金属导体放在匀强电场中(图4),电子如何运动?导体内部的电场如何变化?

图4

问题2：如图5所示,把导体中间挖空,形成一个空腔导体,那么空腔中A处的电场强度如何?

图5

问题3：金属壳有内、外两个表面,此时内、外表面上是否都有感应电荷?

问题4：你能利用静电屏蔽来设计产品?

通过解决以上问题,让学生经历“情境化—去情境化—再情境化”的过程,将真实情境抽象成物理问题,并自主推断出静电平衡的形成过程,进而对静电平衡下定义,经历从感性认识到理性认识的飞跃。引导学生联想生活中静电屏蔽的应用,将知识迁移到新的情境中,培养学生的安全意识,加深学生对知识的理解,提高学生的问题解决能力。

教师向学生介绍汽车顶上鲨鱼鳍的作用：“吸收”并“释放”静电,引导学生对实际问题进行简化处理,抽象成可研究的物理问题。

问题5：像鲨鱼鳍一样的不规则导体表面带电时电荷的分布情况如何?教师提供实验仪器,请学生设计实验方案来解决问题。

学生利用不规则导体、验电羽和感应起电机做实验,得出结论：尖端处电荷密度较大。针对以上实验结论,教师进一步追问：为什么尖端电荷密度大就能释放静电呢?

接着,用铁钉模拟鲨鱼鳍,探究安装了鲨鱼鳍的小车在电场中的变化,并思考：为什么会产生这样的现象。学生观察到闪电都落在铁钉尖端上(图6),得出结论：尖端处电荷密度较大,形成强电场,电离空气,会产生尖端放电现象。

图6

通过模拟实验,分析尖端放电的原理。之后再情境化,提出问题：尖端放电在建筑上有哪些应用?在生活中有哪些应用?这些问题让学生通过联想生活中尖端放电的应用,认识避雷针、脉冲点火器、静电驻极等装置和工艺,将知识迁移到新的情境中,培养学生的安全意识,认识到物理与社会的关系。

最后利用视频向学生介绍工业中尖端放电的应用——静电驻极技术,引入下一个情境问题。

问题6：在一些口罩的制作中,利用静电驻极技术对熔喷布进行处理,其作用是什么?

给学生布置任务：结合所学知识,检验口罩里是否有静电?病毒的直径一般在20～300nm之间,熔喷布纤维的直径一般在1 000～5 000 nm之间,为何口罩能过滤病毒?

为每个小组准备碎纸屑、口罩和剪刀,学生自己动手剪开口罩,观察口罩内部结构,结合静电知识,发现口罩的熔喷布层可以吸附碎纸屑;在小组中交流,学生结合静电知识,能够想到利用静电驻极技术,使熔喷布层携带静电,根据静电可以吸附轻小物体的性质,吸附病毒,达到防护的效果。

以空气滤芯创设情境,可以再介绍一种过滤方式：静电集尘式过滤,从而介绍静电除尘技术,并引导学生展开小组实验(图7)。学生通过静电除尘实验模拟静电集尘式空气滤芯,并在小组中讨论解释集尘原理,加深对尖端放电的理解,经历“问题”“解释”“交流”“反思”的科学探究过程,关注科学、技术、社会、环境的关系。

图7

2.3 去情境化的知识整合

情境创设的主要目的是让学生学会从真实问题中抽象出可研究、解决的问题,从而获得知识,再利用所学知识研究复杂的真实情境问题。所以,在情境创设之后,要引导学生在情境中提取核心知识,在原有的认知基础上进一步深化理解,才能在陌生情境中开展研究,解决问题。

3 结语

本节课通过对静电场中导体的自由电荷运动情况的讨论,分析静电平衡状态的形成过程;通过实验观察,总结静电平衡时导体的特点,经历物理概念的建构与规律的发现过程,促进学生运动与相互作用观念的形成,让学生能够运用静电平衡的特点来解释生活中的现象;通过实验观察和推理论证,学生能解释静电屏蔽、尖端放电现象产生的原因,能够举例说明静电现象在生活中的应用,提升把情境与知识相关联的意识和能力,培养基于实验现象和真实情境的分析归纳、推理论证等科学思维能力;通过小组讨论交流,学生能够准确发表自己的观点,敢于对现象、问题提出有依据的猜想,提出实验方案和解决问题的策略,体会同一物理现象可以从不同的角度认识,学会用辩证统一的观点看问题,培养他们的质疑创新能力和科学探究能力;通过实验观察和分析推理,理解汽车鲨鱼鳍、汽车空气滤芯、避雷针等装置的工作原理,强化安全意识,深刻认识物理与技术、社会的关系,养成科学态度与责任。

基于本节课的教学实践,笔者认为,发展学生的高阶思维能力有以下路径：(1) 紧紧围绕教学目标和内容提取一节课的核心问题,并围绕核心问题设计层层递进、由浅入深的问题串;(2) 创设能贯穿整节课的大情境,将核心问题和问题串与情境相融合,在情境中提出问题或任务,驱动学生进行小组讨论,自主分析物理问题,理解物理知识;(3) 用实验模拟真实情境,培养学生利用实验手段验证猜想、基于实验现象分析推理的能力;(4) 提出开放性的问题和任务,指导学生将知识迁移、应用到真实的结构不良问题中,培养他们的创新能力。