基于學習進階的高中物理支架式教學

摘 要：支架式教學強調教師在教學過程中不斷給學生提供支架，以促進學生從現(xiàn)有發(fā)展水平上升到最近發(fā)展區(qū)，而學習進階理念著重學生對核心概念理解的逐級深入和持續(xù)發(fā)展。本文以“自感”一節(jié)為例，將支架式教學和學習進階理念有機融合，圍繞“自感電動勢”這一核心概念，設計了“猜盲盒”“繪制i-t圖像”“點亮日光燈”等一系列進階型活動，著重學生的自我探索，以解決傳統(tǒng)教學中缺乏引導、缺乏啟發(fā)、缺乏梯度的問題。

關鍵詞：學習進階；支架式教學；自感；高中物理

作為教育者，不僅要培養(yǎng)會回答問題的學生，還要培養(yǎng)能提出問題的學生；不僅要培養(yǎng)會解題的學生，更要培養(yǎng)能解決問題的學生。因此，教學不能停留在傳統(tǒng)的傳授式教學，而應更多地融入如體驗式學習、研究性學習、項目式學習等新型教學方式和手段。

在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》的基本理念中提出“引導學生自主學習，提倡教學方式多樣化。”［1］學生自主學習不是意味著教師完全放手，讓學生盲目探索，而是要為學生創(chuàng)設良好的探究環(huán)境，在必要的時候為學生提供支持。支架式教學就是一種符合自主學習理念的教學方式。

1 理論概述

1.1 支架式教學

支架式教學是基于維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論而建立的教學模式。維果斯基認為“兒童的智力發(fā)展狀態(tài)至少有兩種水準——現(xiàn)在的發(fā)展水準與最近發(fā)展區(qū)?！保?］最近發(fā)展區(qū)的本質是學生在他人幫助下“踮踮腳尖”才能夠觸碰到的高度。教學的目的其實就是讓學生不斷地突破最近發(fā)展區(qū)，不斷地成長，而在此過程中，離不開教師的支持，即“支架”。這也就意味著，教學不再是傳統(tǒng)意義上地由教師一手包辦，直接向學生灌輸知識，而是教師不斷搭建支架來支持學生的學習。

支架的類型多種多樣，主要包含“問題支架”“實驗支架”“類比支架”“情景支架”“工具支架”“圖表支架”“邏輯支架”“建議支架”等。在實際的教學設計中，教師應該根據(jù)內容特點，合理地選擇和組織各類支架，以發(fā)揮最佳的輔助效果。

1.2 學習進階

學習進階是對核心概念理解的逐級深入和持續(xù)發(fā)展，［3］是“記憶、理解、運用、分析、評價、創(chuàng)造”的深度體驗過程。教師需根據(jù)學生的現(xiàn)有水平，圍繞核心概念，設計有梯度的教學活動，選擇具有挑戰(zhàn)性的實際問題情境，并進行系統(tǒng)的規(guī)劃。比如，教學一開始可以設計以“觀察分析”為主的活動，然后設計一些轉化遷移的活動，如繪制圖像、作出預測等等，最后設計解決實際問題的活動。這對于學生深度理解概念、形成知識體系，鍛煉自身思維能力，以及提高自身解決問題的能力，有極強的促進作用。

1.3 融入學習進階理念的支架式教學

支架式教學和學習進階理念可以有機融合在一起，原因如下。

第一，兩者均是在學生現(xiàn)有發(fā)展水平與最近發(fā)展區(qū)的差距的基礎上開展設計的。

第二，學習進階對深度學習提出了更高的要求，也就意味著學習難度的提升。面對更高難度的學習，教師需要給予學生足夠的支持，也就是提供合適的支架，幫助學生完成自我探索。如果學生面對的是輕而易舉就能完成的學習任務，那么此時教師提供的支架便沒有太大意義，因此學習進階離不開支架的扶持，而支架在學習進階中才更能體現(xiàn)其價值和意義。融入學習進階的支架式教學流程如圖1所示。

2 以“自感”為例的融入學習進階的支架式教學設計

2.1 最近發(fā)展區(qū)分析

自感作為電磁感應現(xiàn)象的一種具體應用，通常放置于單元的最后一節(jié)，是對此單元知識的進一步深化與整合。學生在此之前，已經(jīng)學習了感應電動勢的大小和感應電流方向的判斷，故該課時非常適合教師放手，讓學生進行自主探究。

自感分為通電自感和斷電自感兩種，但核心均是對自感電動勢的理解。在實際教學中，學生往往能快速掌握通電自感，而對于斷電自感中燈泡是否閃亮的問題存在疑惑，并常在完成關于判斷斷電瞬間電流的方向和大小的圖像題時表現(xiàn)不佳。故本設計將斷電自感作為學生的最近發(fā)展區(qū)，圍繞這一教學難點開展教學設計。

在常規(guī)教學中，一般是由教師帶著學生直接對斷電自感的元件或電路進行電阻大小的分類討論，再由教師直接講解日光燈的原理，最后以演示點亮日光燈收尾。然而，在這樣缺乏啟發(fā)、缺乏引導、缺乏梯度的課堂中，學生的思維能力很難得到提升。

在本設計中，學生需掌握的核心概念是斷電自感電動勢，需培養(yǎng)的關鍵能力是對電路的分析能力使用以及繪圖能力，需掌握的實驗方法是使用電流傳感器，需解決的實際問題是點亮日光燈。由此，筆者在一開始設計了“猜盲盒”的活動，讓學生通過觀察和分析進而了解自感電動勢的基本概念；然后設計了繪制i-t圖像的活動，將肉眼看見的燈泡閃爍，轉化為對更為抽象的圖像的認知方式，鍛煉學生邏輯思維能力；接著設置了解釋“千人震”實驗的活動，對學生知識進行遷移；最后設計了“點亮日光燈”的活動，讓學生應用已學知識去選擇正確的方案。自感教學設計流程如圖2所示。

2.2 主要教學活動

2.2.1 情景激趣——體驗“千人震”（進入情景—情景

支架）

“千人震”實驗已被廣大教師所熟知，但筆者又嘗試在此基礎上加入現(xiàn)在流行的“盲盒”元素，將線圈“藏”在“盲盒”里。先使學生與盒子并聯(lián)，然后再閉合、斷開開關，發(fā)現(xiàn)斷開開關時學生有明顯觸電反應。進而提出，為什么通電時沒感覺，反而斷電時有感覺呢？引導學生猜測“盲盒”里可能有什么。在學生多次猜測后，教師再打開“盲盒”，取出這節(jié)課的主角——線圈。實驗裝置如圖3所示。

值得一提的是，要使學生在安全的前提下有較明顯的觸電感受，線圈可以直接替換為變壓器，并接入1400匝線圈，且變壓器有鐵芯，此時效果更明顯。在后續(xù)有燈泡的電路實驗中，也可以采用這種變壓器。

2.2.2 模型建構——抽象電路圖

為便于之后的研究，教師可引導學生建構模型，如圖4（a）所示。讓學生思考在電路二中，斷開開關時小燈泡的發(fā)光情況，并進行實驗演示，實驗現(xiàn)象對比圖如圖4（b）所示。

2.2.3 概念習得——自感電動勢（類比支架）

在此教學環(huán)節(jié)中，教師可提示學生先回憶之前學習的感應電動勢，結合此時的電路，應用演繹推理法，從一般到特殊，并提示學生磁通量的變化正比于電流的變化，將公式E＝nΔФΔt中ΔФ改為ΔI，匝數(shù)n改為自感系數(shù)L，便得到自感電動勢的計算式。

設計意圖：在前三個環(huán)節(jié)中，讓學生更多停留在對“千人震”實驗現(xiàn)象的觀察以及對燈泡閃爍現(xiàn)象的簡單分析。

2.2.4 理論分析——繪制i-t圖（獨立探索、協(xié)作學習—圖表支架）

由于本節(jié)屬于電磁感應的應用章節(jié)，學生已經(jīng)有了一定的基礎，所以教師可以讓學生獨立繪制圖4（a）電路二中斷電前后燈泡的i-t圖像，來對已知信息進行更直觀的整合和呈現(xiàn)，并利用軟件投屏展示作答情況，進行學生之間的相互點評。點評活動中，筆者發(fā)現(xiàn)學生最常見的問題是不知道斷電瞬間燈泡的電流方向和大小。部分學生作答情況如圖5所示（注：斷電前燈泡電流為i1，且規(guī)定為正方向，線圈電流為i2）。

2.2.5 技術觀測——對比DIS圖像（工具支架）

在之后的討論中，學生能夠認識到電路中開關斷開瞬間燈泡的電流變向，但對于電流大小還存在爭議，有人認為會突增，有人認為是從燈泡原電流i1開始減小，也有人認為是從i2開始減小。

這時，筆者先引導學生認識到開關斷開瞬間，是線圈的電流流經(jīng)燈泡，所以只需探究線圈的電流變化情況即可知道燈泡的亮度變化情況。然后，將DIS電流傳感器串聯(lián)進線圈所在支路，得到i-t圖像如圖6（a）所示，即線圈電流是從i2開始降低的。最終學生整合該信息，修正圖像，得到燈泡i-t圖像如圖6（b）所示。

設計意圖：筆者設計繪制i-t圖像的進階活動，轉化學生認知方式，將肉眼可見的燈的閃爍現(xiàn)象以圖像形式體現(xiàn)。這對學生關于電流的大小和方向的變化的認知，有了更高的要求。

2.2.6 知識遷移——解釋“千人震”（邏輯支架）

在得到燈泡的i-t圖像后，筆者繼續(xù)提問i1和i2的大小之間的關系。學生往往能根據(jù)實驗現(xiàn)象得到i2＞i1，進一步推導出燈泡電阻更大。

筆者自制了如圖7（a）所示的實驗裝置，來檢驗學生的想法。該裝置中，加入了一個滑動變阻器與線圈串聯(lián)，通過調節(jié)滑動變阻器，改變線圈所在支路的總阻值，并推測其阻值比燈泡小時，斷開開關燈泡閃亮，反之燈泡不閃。進行實驗檢驗。如圖7（b）所示

為筆者利用慢鏡頭捕捉的調節(jié)滑動變阻器前、后斷電瞬間燈泡的發(fā)光情況，調節(jié)前線圈所在支路的總阻值比燈泡小，此時燈泡會閃亮，調節(jié)后線圈所在支路總阻值比燈泡大，燈泡直接熄滅。

以上都是筆者為解釋“千人震”實驗所搭建的邏輯支架。鋪墊了燈泡閃亮的例子后，學生會更容易通過思考明白，“千人震”是因為人的電阻比線圈電阻大，導致斷開開關時線圈中相對較大的電流流經(jīng)人體，人便有了觸電的感覺。當然，電流只是一瞬間的，且電流較小，故對人體幾乎沒有影響。

設計意圖：筆者設計先讓學生分析兩支路電阻的比較與斷電時燈泡是否會閃爍的關系，以期讓學生對剛才的分析有一個更加概括性的認識，再設計解釋“千人震”實驗的活動，以回扣課堂的引入環(huán)節(jié)，完成知識遷移。

2.2.7 方案選擇——點亮日光燈（獨立探索、協(xié)作學習、效果評價—建議支架）

最后，對本節(jié)課的效果進行評價。筆者采用最經(jīng)典的“日光燈”例子，但是如何跳出由教師直接講授的慣用方式，調動學生積極參與，引起了筆者深入的思考。思考后，筆者決定采用給學生提供建議支架的教學設計，即為學生提供有關日光燈的必要的補充材料，然后由學生先獨立閱讀探索，再與同伴協(xié)作學習，對筆者提供的A、B方案進行選擇，并由學生上臺陳述選擇理由。呈現(xiàn)的材料和方案的教學PPT如圖8所示。

方案選擇——點亮日光燈

線索一：鎮(zhèn)流器本質是一個自感線圈，自感系數(shù)非常大。

線索二：閉合開關后，啟動器將自動閉合再斷開。

線索三：點亮日光燈需高壓，點亮后需施加低于220 V的電壓（日光燈兩端燈絲未連通，內壁涂有熒光粉，需要兩端加上高壓才能將管內氣體擊穿，形成通路；擊穿時發(fā)出的紫外線照在熒光粉上，發(fā)出熒光）。

思考：如何讓燈管持續(xù)發(fā)光？從A、B方案中選擇一種，并說出理由。

在實際教學中，選擇B方案的學生人數(shù)上略多于A方案，但選擇B方案的同學上臺陳述時指出，A方案閉合開關后，啟動器斷開，回路（圖8中已用粗實線標注）無法形成持續(xù)電流，而B方案可以持續(xù)發(fā)光，且此觀點得到了絕大多數(shù)同學的支持。

之后，為加深學生對斷電自感的理解，筆者進一步提出問題：如果啟動器缺失了，只剩兩根引腳，日光燈還能點亮嗎？并提供關于啟動器的材料作為建議支架。學生思考后能得到解決方案，即手動閉合兩根引腳后再分開，人為創(chuàng)造“斷開”的情景，如圖9所示。

設計意圖：點亮日光燈的實際應用的活動設計，讓學生采取閱讀材料和討論的方式，來對可行方案進行選擇，采用了學生自主探索與協(xié)作學習相結合的模式進行教學。最后設置“啟動器缺失”的突發(fā)情況，再次增加難度，以增強學生對啟動器作用的理解。

2.2.8 分析現(xiàn)象——通電判現(xiàn)象

因為通電自感相對于斷電自感更加簡單，故筆者只布置了一道相關的課堂練習題。學生需判斷通電時兩燈泡的發(fā)光順序并闡述理由（電路圖如圖10所示）。然后教師再用DIS電流傳感器探測LA、LB燈泡的電流變化情況，讓學生有更直觀的理解，如圖11所示。

在得到電流圖像后，學生會發(fā)現(xiàn)LB燈泡電流在突增后又出現(xiàn)了一段下降的過程，教師可將此作為課后思考題，給學生留下思維拓展空間。

3 結語

在新一輪基礎教育課程改革的浪潮下，物理課堂教學也迎來了全新的挑戰(zhàn)。只有促進學生的深度學習，才能真正提升學生的核心素養(yǎng)，而融入學習進階理念的支架式教學，則是一種較好的教學模式。它注重學生的自我探索，但不是盲目探索，而是由教師一步步設置更具挑戰(zhàn)性的任務，并給予恰當?shù)闹С?，讓學生實現(xiàn)從現(xiàn)有發(fā)展水平進階到最近發(fā)展區(qū)。在此過程中，教師的角色更多是活動的規(guī)劃者、情景的創(chuàng)設者、問題的提出者、工具的提供者，而學生才是教學的主體，真正體現(xiàn)了“以學生為主體，以教師為主導”的教學理念。

參考文獻

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［2］徐穎.支架式教學在初中物理課程中的實踐與思考——以“磁現(xiàn)象 磁場”教學為例［J］.中學物理，2023，41（12）：25-30．

［3］戴耀東.基于學習進階的高中物理實驗教學設計——以“探究加速度與力、質量的關系”為例［J］.物理教師，2023，44（9）：13-16．