PCRR教學(xué)模式及其在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中的應(yīng)用

周勝林 錢長炎 丁珂

摘? ?要：通過對PCRR教學(xué)模式基本思想的分析，結(jié)合“閉合電路歐姆定律”的內(nèi)容特點，以影響電源內(nèi)阻大小因素、閉合電路電勢變化規(guī)律和能量轉(zhuǎn)化過程等學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點為論證內(nèi)容，探討PCRR教學(xué)模式在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中的應(yīng)用，以期為落實學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)摸索切實可行的方法和途徑。

關(guān)鍵詞：PCRR教學(xué)模式;閉合電路歐姆定律;科學(xué)論證;模型建構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）9-0077-4

科學(xué)論證是科學(xué)家研究自然現(xiàn)象建立科學(xué)理論的常用方法，也是幫助學(xué)生獲得科學(xué)知識、發(fā)展科學(xué)思維和培養(yǎng)批判能力的有效方式，在新的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中被列為學(xué)科核心素養(yǎng)的一部分[1]。在核心素養(yǎng)目標(biāo)下，如何結(jié)合高中物理重要內(nèi)容的特點培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證能力，是擺在廣大物理教學(xué)研究者和物理教師面前的重要課題。

“閉合電路歐姆定律”是高中物理電學(xué)的重要內(nèi)容，在該教學(xué)中如何落實學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，我們做過一定程度的探討[2]。本文在此基礎(chǔ)上，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力為主旨，對PCRR（Present，Critique，Reflect and Refine）教學(xué)模式的基本思想及其在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中的應(yīng)用進行探討，以期為新時期高中物理教學(xué)提供有益的參考。

1? ? PCRR教學(xué)模式的基本思想

PCRR是一種滲透式導(dǎo)向的科學(xué)論證教學(xué)模式。它以探究為驅(qū)動，以證據(jù)為基礎(chǔ)，通過引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)解釋型模型理解科學(xué)現(xiàn)象，同時模仿科學(xué)研究工作和同行審閱模式交流評價信息，從而在課堂中營造論證的學(xué)習(xí)氛圍，促進學(xué)生對核心概念的深入理解。該教學(xué)模式主要有呈現(xiàn)、批判、反思和提煉四個環(huán)節(jié)，如圖1所示[3]。

PCRR教學(xué)模式首先要求學(xué)生呈現(xiàn)模型。呈現(xiàn)模型有兩種方式：一是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗和前概念建構(gòu)模型，然后在探究中收集證據(jù)為模型和主張進行辯護;二是在探究中根據(jù)數(shù)據(jù)建構(gòu)模型，這種方式更側(cè)重于證據(jù)而非前概念。繼之，每個小組在白板上呈現(xiàn)模型、探究方法和基于數(shù)據(jù)的論證過程，向全班進行展示，并由“同行”進行審閱?！巴小睂忛啎r在便箋上對該小組探究方法的恰當(dāng)性、模型的準(zhǔn)確性和論證的充分性等方面提出意見，在此過程中教師進行必要的監(jiān)督，以確保形成有效的討論和批判。在收到反饋意見后，引導(dǎo)學(xué)生反思最初所呈現(xiàn)的模型和論證過程，此時教師可以提出有針對性的探索問題，以幫助學(xué)生進一步完善。最后，學(xué)生利用不同顏色的筆對模型和論證過程進行提煉和修正。

PCRR教學(xué)模式結(jié)構(gòu)簡單，主要是在課堂中利用觀察或查找資料形成論據(jù)、論點以及推理，形式比較靈活，可以在一節(jié)課中循環(huán)使用，十分適合于物理概念或規(guī)律的教學(xué)[4]?！伴]合電路歐姆定律”是高中物理的難點內(nèi)容，既涉及到電動勢、電阻和電流等重要概念，又蘊含著閉合電路電勢變化和能量轉(zhuǎn)化等諸多模型。將PCRR教學(xué)模式應(yīng)用在“閉合電路歐姆定律”的教學(xué)中，能夠幫助學(xué)生建構(gòu)相關(guān)模型，深入理解“閉合電路歐姆定律”的主體內(nèi)容，更好地培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)的論證能力。

2? ? PCRR教學(xué)模式在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)對PCRR教學(xué)模式基本思想的分析，結(jié)合“閉合電路歐姆定律”的內(nèi)容特點，我們確定了“影響電源內(nèi)阻大小的因素”“閉合電路電勢變化規(guī)律”和“閉合電路能量轉(zhuǎn)化過程”三個論證內(nèi)容。

2.1? ? 影響電源內(nèi)阻大小的因素

學(xué)生對電源內(nèi)阻的存在一直感到疑惑，如何有效幫助學(xué)生對電源內(nèi)阻的理解是建立閉合電路歐姆定律的基礎(chǔ)[5]。我們通過演示實驗引導(dǎo)學(xué)生建立等效模型，了解影響可樂電池內(nèi)阻大小的因素，實驗裝置如圖2所示。銅片和鋅片浸入裝有可樂的容器中可以制成可樂電池，將可樂電池與電阻箱、電流表等串聯(lián)在電路中，閉合開關(guān)，電路中就有穩(wěn)定的電流。

首先，教師演示三組實驗，分別豎直向上抽出鋅片、水平向左移動鋅片和向容器中倒入更多可樂，提醒學(xué)生觀察電路中電流的變化，見表1。根據(jù)實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生思考電流大小變化的原因，并呈現(xiàn)模型對現(xiàn)象進行解釋。在教師的引導(dǎo)下，啟發(fā)學(xué)生類比固體電阻，建立等效模型，即影響可樂電池內(nèi)阻的大小可能與電極之間的距離和電極與液體的接觸面積有關(guān)，并交由“同行”進行審閱。

隨后的批判階段，提示“同行”該小組的論證過程是否充分，推理是否具有邏輯，如電動勢是電源的重要參數(shù)，電路中電流變化是否是因為改變電極之間的距離或電極與可樂的接觸面積導(dǎo)致電動勢變化所引起的。根據(jù)“同行”反饋，引導(dǎo)學(xué)生將圖2實驗裝置中的開關(guān)斷開，利用電壓傳感器測量實驗操作前后電源電動勢的變化，以此獲得更多的數(shù)據(jù)對等效模型和論證過程進行修正。實驗發(fā)現(xiàn)，三組實驗操作下可樂電池的電動勢大小不變，從而引導(dǎo)學(xué)生對論證過程進行提煉，并得出結(jié)論：可樂電池不僅存在電阻，而且電阻的大小和固體電阻類似，與電極之間的距離和電極與可樂的接觸面積有關(guān)。

對可樂電池內(nèi)阻的論證過程呈現(xiàn)了類比固體電阻的等效模型，直觀展示了電源內(nèi)阻的變化，促進了學(xué)生對電源內(nèi)阻的理解，為后面閉合電路歐姆定律的建立以及閉合電路電勢變化和能量轉(zhuǎn)化的論證做了良好的鋪墊。

2.2? ? 閉合電路電勢變化規(guī)律

閉合電路的電勢變化是“閉合電路歐姆定律”的重點內(nèi)容，是學(xué)生掌握電源電動勢、路端電壓和內(nèi)電壓定量關(guān)系的關(guān)鍵。在學(xué)生理解電源內(nèi)阻的存在時，提出探究問題：閉合電路中電勢如何變化？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)歐姆定律和電勢等先前經(jīng)驗和前概念建立等效電路，呈現(xiàn)閉合電路電勢變化模型，如圖3所示。

在“同行”審閱時，教師提醒“同行”該小組所呈現(xiàn)的閉合電路電勢變化模型是否準(zhǔn)確，是否有數(shù)據(jù)支持。根據(jù)反饋，引導(dǎo)學(xué)生對所提出的模型和論證過程進行完善，并設(shè)計實驗收集更多的證據(jù)支持自己的主張，實驗裝置如圖4所示。將兩根探針插入可樂電池內(nèi)部，緊靠銅片和鋅片，開關(guān)閉合前電壓傳感器1測量可樂電池的電動勢，開關(guān)閉合后，電壓傳感器1和電壓傳感器2分別測量路端電壓和內(nèi)電壓。改變內(nèi)外電路的電阻就可以獲得多組數(shù)據(jù)。由于可樂電池的內(nèi)阻在百歐以上，為獲得更好的實驗效果，實驗時應(yīng)保持外電路電阻在百歐或千歐以上?？蓸吩姵叵鄬τ诹蛩嵩姵?，安全有趣，實驗效果更好，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[6]。

學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：電源電動勢等于路端電壓和內(nèi)電壓之和，進而對模型和論證過程進行提煉，并用不同顏色的筆對模型和數(shù)據(jù)進行標(biāo)注。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生不難利用歐姆定律推演出閉合電路歐姆定律。

2.3? ? 閉合電路能量轉(zhuǎn)化過程

“閉合電路歐姆定律”是體現(xiàn)功和能關(guān)系的很好的素材，能夠充分展現(xiàn)功和能概念在物理學(xué)中的重要性[7]。因此，我們可以提出探究問題：閉合電路中的能量是如何轉(zhuǎn)化的？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗利用圖示、符號等方式呈現(xiàn)閉合電路能量轉(zhuǎn)化的概念模型，如圖5所示。

在“同行”批判模型和論證過程時，提示學(xué)生被審閱小組所呈現(xiàn)的模型是否可以進一步完善，如該模型是否顯示了閉合電路中能量是如何進行轉(zhuǎn)化的、各是多少等重要信息，并在便箋中提出意見?？紤]到學(xué)生完整呈現(xiàn)閉合電路能量轉(zhuǎn)化的概念模型難度較大，在反思過程中，教師可以提出探索性問題：其他形式的能轉(zhuǎn)化成的電能與電能轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能存在怎樣的數(shù)量關(guān)系，該概念模型適用于什么樣的電路？根據(jù)“同行”反饋和教師的提示，引導(dǎo)學(xué)生對閉合電路能量轉(zhuǎn)化的概念模型進行提煉，如圖6所示。最后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)能量守恒定律理論演繹出閉合電路歐姆定律，并明確閉合電路歐姆定律適用于純電阻電路。

基于閉合電路能量轉(zhuǎn)化的論證過程，一方面幫助學(xué)生厘清閉合電路能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從能量角度進一步理解閉合電路歐姆定律的主體內(nèi)容，明確定律的適用條件，有利于學(xué)生能量觀念的形成;另一方面，通過科學(xué)論證的過程，培養(yǎng)了學(xué)生模型建構(gòu)的思維能力，形成較為完整的功和能知識體系，同時也對概念模型有了一定的認識和理解[8]。

3? ? 小結(jié)與啟示

通過對PCRR教學(xué)模式基本思想和主要環(huán)節(jié)的分析，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和“閉合電路歐姆定律”的內(nèi)容特點，我們對PCRR教學(xué)模式在“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中的應(yīng)用做了較為全面的探討，不僅幫助學(xué)生更好地理解電源內(nèi)阻、電勢和閉合電路能量轉(zhuǎn)化等重要概念和規(guī)律，掌握閉合電路歐姆定律，而且發(fā)展了學(xué)生模型建構(gòu)和科學(xué)論證的能力，為落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)做了有益的嘗試。

此外，通過這些工作，我們深深地感受到根據(jù)物理知識內(nèi)容的特點和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，將PCRR教學(xué)模式合理地融入高中物理重要概念或規(guī)律的教學(xué)中，既能幫助學(xué)生加深對核心概念的理解，又能夠有效地落實學(xué)生科學(xué)論證能力的培養(yǎng)，是實現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的重要方式。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]周勝林，錢長炎.核心素養(yǎng)目標(biāo)下高中物理“閉合電路歐姆定律”教學(xué)設(shè)計及實施建議[J].物理教師，2020，41（1）：34-36.

[3]Kujawski D J.Present， Critique， Reflect， and Refine： Supporting Evidence-based Argumentation Through Conceptual Modeling[J]. Science Scope， 2015，39（4）：29-34 .

[4]弭樂，郭玉英.滲透式導(dǎo)向的兩種科學(xué)論證教學(xué)模型述評[J].全球教育展望，2017， 46（6） ：60-69.

[5]王治國.《閉合電路的歐姆定律》的教法研究與建議[J].物理教學(xué)探討，2017，35（1）：19-21.

[6]賴佳穎.“電源電動勢和內(nèi)阻、閉合電路歐姆定律”的教學(xué)優(yōu)化[J].物理教學(xué)，2015， 37（6） ：17-20.

[7]張穎.人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書選修3-1編寫思想[J].中學(xué)物理教學(xué)參考， 2007， 36（5）：6-10.

[8]陳欣.概念模型在高中生物學(xué)重要概念教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)生物教學(xué)，2014（10）：16-18.

（欄目編輯? ? 李富強）