【发表论文】潘书朋：引导深度学习自然发生——基于学生自主创新实验的“有效失败”项目式学习设计（2021.01）
山东省莱州市玉皇中学 （261400） 潘书朋
摘要：基于学生自主创新实验的思维型教学的核心是思维，学习的关键是思考，在课堂教学活动中，师生的核心活动就是思维碰撞活动，从传统课堂的“无效成功”走向思维课堂的“有效失败”，“有效失败”是在某种教学干预下发生在学生身上的学习现象。学生自主创新实验的思维型教学就是让学生的学习过程并非一帆风顺，教师适度进行教学干预，制造一定的障碍或困境，让学生经历真正的探究，通过发掘当下挫折或试错中的价值而逐步实现预期目标的方法论和思维方式，这样学生对获得的认识往往印象深刻，理解也较深入。实践证明，适度的探索空间才可能有效激发学习者的主体性活动，促进学习的发生、记忆保持和知识迁移。
关键词：学生自主创新实验；有效失败；项目式学习
教育是传承文明和知识、创造美好生活的根本途径，是提高人民综合素质、促进人的全面发展的重要手段，为此，我们国家提出“立德树人”的根本要求，这就需要我们培养学生的核心素养，也就是要在教育过程中培养学生的必备品格和关键能力。深度学习是落实核心素养的有效途径，而基于学生自主创新实验的思维型教学是一种全新的课堂教学模式，同时也是学生思维参与的深度学习方式。深度学习的前提是深度思考，深度思考的成果取决于有无强烈的“问题意识”。教师引导学生进行自主创新实验，就是让学生全方位参与学习，这种方式既可以发现学生“学没学”问题，引发学生高质量的输入和加工，又可以解决“好不好”的问题，有利于提高学习质量。
一、从“无效成功”走向“有效失败”
我们在教学中要注意培养学生的学科核心素养，其核心是学生的思维发展。判断是否是一节好的物理课不在于教师讲了多少知识点，课堂的知识容量有多大，而在于这节课到底有多少思维含量，学生的思维活动被调动了多少，学生的思维是否得到了发展。反思传统课堂，我们是否太过于专注“教师的教”——知识传授，而忽视了“学生的学”——思维发展[1]。
纵观目前学生的学习普遍存在虚假学习的现象，没有过程只有结果，用不科学的方法学科学（物理学科不做实验，教师画实验，学生背实验现象很普遍），这都是假学习，不是真学习。更多的时候，我们的课堂教学“无效成功”的现象很普遍，由于课时限制等诸多因素，很多教师采用“短平快”的方式给学生提供结构化的指导和详细的说明，让学生在最短的时间内完成教学任务，并且作为课堂评价的重要标准。然而很多研究表明，学生能够在课堂上成功完成教学任务，并不意味着他们进行了深度学习，只是在为应试而机械地学习、背诵记忆、枯燥训练，整天刷题，刷到一看就会、一做就对，遗憾的是学生心中无物，眼里没有生活，题目都会做，物理真的不懂，这就属于浅层次的学习，这种看似“成功的教学”其实是非常低效甚至无效的，因为学生只是发生了识记、简单模仿等浅层学习，对于物理学科本质的学习并没有发生，已经忽略了思维能力的培养、忽略了科普知识的渗透，忽略了科技创新应有的地位，就是说把人的最重要的核心素养培养让位给了分数，这就导致学生会做题却不会解决真实问题的现象较为普遍，也就是为何一直无法破解“学生的学习负担过重”这一难题的原因所在，已经偏离了学校教育“育人为本”的正确轨道。
基于学生自主创新实验的思维型教学的核心是思维，学习的关键是思考，在课堂教学活动中，师生的核心活动就是思维碰撞活动，从传统课堂的“无效成功”走向思维课堂的“有效失败”。有效失败（Productive failure）的概念由卡普尔（Manu Kapur）于2008 年第一次提出并不断补充完善，是指由某种教学干预所导致的，发生在学习者身上的一种学习现象或学习机会，表现为学习者同时产生了表现上的失败和学习的发生[2]。学生自主创新实验的思维型教学就是让学生的学习过程并非一帆风顺，教师适度进行教学干预，制造一定的障碍或困境，让学生经历真正的探究，通过发掘当下挫折或试错中的价值而逐步实现预期目标的方法论和思维方式，这样学生对获得的认识往往印象深刻，理解也较深入。实践证明，适度的探索空间才可能有效激发学习者的主体性活动，促进学习的发生、记忆保持和知识迁移[3]。
二、“有效失败”的项目式学习设计
基于学生自主创新实验的思维型教学的核心特征是：理解与批判、联系与构建、迁移与应用。下面就以“铅笔芯”为例，谈谈如何进行“有效失败”的项目式学习设计。
1.创设情境，设疑激趣，引发认知冲突
有效失败能够引发学习的发生，很大程度上源于学习支持支架的不足引发了学习者的认知冲突，因此，有效失败可以以皮亚杰的认知发展理论为理论基础。皮亚杰认为学习涉及同化（将新信息吸收到已有图式中）和顺应（修改或新建图式以适应新信息）两个主要认知过程。通过干扰，打破认知平衡状态，引发认知冲突，就会引发相应的同化和顺应过程，直至重建平衡。新的平衡状态往往会伴随更强大、更全面的图式，所以认知冲突是认知结构重新组织和发展的基础，对学习者的学习具有重要意义[4] 。
案例1:火焰开关
师：小宇同学为了“探究铅笔芯电阻与温度的关系”设计了如下的电路（图1），连好电路，把鳄鱼钳夹在铅笔芯的两段，放在铁架台上，可以看到小灯泡发光。如果用打火机将蜡烛点燃，使烛焰正对铅笔芯a（图2），你猜想小灯泡会出现什么现象？
图1 图2
生：变暗（熄灭）......（异口同声）
师：你们为何做出这样的猜想？
生：前面我们刚刚学习过，导体的电阻随着温度的升高而增大，铅笔芯也是导体，当用蜡烛的烛焰对铅笔芯加热时，铅笔芯的温度升高，电阻增大，因此电流会变小,小灯泡的亮度变暗甚至会熄灭。
师：果真是这样吗？大家一起来见证奇迹的发生......小灯泡随着铅笔芯温度的不断升高而逐渐变亮（图3）。
图3
生：哇！不会吧？！（惊奇）
“火焰开关”小实验的设计非常具有巧妙，也有很好的对比性。因为，在学习影响导体电阻大小因素的实验中，我们是利用金属导体作为研究对象，在“探究金属导体的电阻与温度的关系”时，得出的实验结论：对大多数金属导体来说，温度越高，电阻越大。因此，学生已有的知识就会干扰对新知的理解，如果对于“铅笔芯电阻与温度的关系”这个知识点，教师采用直接“灌输”的方式，学生很难将金属导体与铅笔芯进行区分，通过设计这个创新小实验可以很好地将大多数金属导体与石墨电阻与温度的关系进行区分对比，让学生的猜想经历“有效失败”，引发认知冲突。其实有效失败中的“失败”只是一种外在表现，而“有效”则是指向学习的真正发生。通过这种认知冲突的思维碰撞，是非常有思维张力的，教学也是深刻的，这比教师直接告诉学生答案要强百倍，这对于学生好奇心探究欲的保持，以及思维能力的提升很有助推作用。
2.知识建构，深度探究，优化实验方案
有效失败强调教学之初不提供结构化的支架，但不等于不提供支架。支架的帮助度需要把握，既要能给学生的探索提供必要的方向性引领，又不至于使学生按图索骥很顺利地完成任务。支架提供的支持不仅包括学习层面，还包括精神层面[3]。在经历了“铅笔芯的电阻与温度关系”的定性分析之后，接着可以引导学生进行（半）定量研究。
案例2:探究铅笔芯的电阻与温度的关系
师：在“火焰开关”实验中为了间接反映铅笔芯电阻大小的变化，可以通过观察小灯泡的亮度，不过通过眼睛的观察毕竟要有一定的局限性。另外，这个实验只是定性分析“铅笔芯的电阻与温度的关系”，如果（半）定量研究二者的关系，你将如何改进和优化小宇同学设计的“基础版”实验方案？
（生分组讨论、思维碰撞、交流分享）
生1:只用眼睛观察小灯泡的亮度有局限性，可以增加一只电流表。另外，用蜡烛对铅笔芯加热不科学，可以采用酒精灯（图4）。
图4 图5 图6
探究铅笔芯的电阻与温度的关系
生2：我觉得用酒精灯也不好，铅笔芯受热不均匀，而且铅笔芯容易燃烧（图5）。
生3：我觉得可以不用对铅笔芯加热，将铅笔芯靠近发光的小灯泡（小灯泡会发热发光）也是可以的（图6）。
师：刚才这两位同学谈的都很好，他们都想到了加热源的问题，大家想想还有哪些困难需要克服？
生4:不能直接测量铅笔芯的温度，要想定量研究“铅笔芯的电阻与温度的关系”，必须将铅笔芯的温度测出来。
师：大家想一想，有什么办法可以测出铅笔芯的温度？
生5：老师，如果有能够用像红外线测温枪（图7）测量人的体温那样的仪器，不就可以测量铅笔芯的温度了吗？
图7
师：你讲的太棒了！这就涉及到技术领域了，其实可以用温度传感器。
师：刚才大家围绕着实验出现的困难进行了思考，那么这个实验探究还需要注意哪些问题？
（生继续独立思考、同伴交流、思维碰撞、智慧共享）
生6：我觉得这个实验还要注意控制变量法，要控制接入电路中铅笔芯的长度、横截面积以及电压不变。
生7：还要进行多次实验寻找普遍规律，要用不同导电性能的铅笔芯。
师：大家的思维度越来越高了，已经充分考虑到控制变量法和多次实验的要求。下面请同学们根据刚才讨论的结果完善你们设计的实验方案，然后小组合作完成实验探究。
（生分组实验，探究规律）
有效失败的教学原则强调，让学生有机会解释自己设计的实验方案，有机会比较不同的解决方案，有较多探索的时间去完成探究实验。也就是说，不要急于让学生动手做实验，而是通过在“有效失败”中经历方案的设计和改进优化可以很好促进学生思维的成长，这对发展学生的核心素养是非常有好处的[1]。
案例3：自制调光小台灯
在经历“探究铅笔芯的电阻与温度的关系”之后，对于“变阻器的工作原理”的学习，也可以改变传统课堂学生自学课本直接得结论的方式，通过设计学生自主设计对比实验找到改变小灯泡亮度的最佳方法，既让学生经历“有效失败”充分理解“变阻器的工作原理”，又为后面知识的“迁移应用”做了很好的铺垫。
方案1：探究铅笔芯电阻与温度的关系（见案例2）
方案2：探究不同材料铅笔芯的导电性。用不同材料的铅笔芯（HB、2B、4B、6B、8B、EE）分别在白纸上画出一个大小相同的小矩形（图8），将发光二极管与电流表串联连接好，将导线漏出铜丝的一端分别触碰小矩形（或铅笔芯），观察发光二极管的亮度，并记录电流表示数大小（图9）。可以看到五种材料的铅笔芯接入电路都会使二极管发光，并且2B和HB接入电路时，电流表示数几乎相等，都是0.02A;4B和6B电流表示数几乎都是0.04A;8B接入电路中，电流表示数为0.06A。由此可见，铅笔芯的主要成分是石墨，具有非常好的导电性。不过不同材质的铅笔芯其导电性能不一样，HB、2B导电性相对较弱，8B导电性最强。
图8 图9
探究不同材料铅笔芯的导电性
方案3：探究铅笔芯的电阻与长度的关系。按照如图示连接电路。将铜线绑在铅笔芯的一端，另一端用鳄鱼夹夹住（图10）。左右移动鳄鱼夹在铅笔芯上的位置，观察灯泡亮度的变化情况。可以看到鳄鱼夹向左移动时，灯泡变亮；向左移动时，灯泡变暗。这是因为当鳄鱼夹向左移动时，铅笔芯连入电路的长度变短，电阻变小，小灯泡变亮；向右移动时，铅笔芯连入电路的长度变长，电阻变大，小灯泡变暗。
图10
探究铅笔芯的电阻与长度的关系
方案4：探究铅笔芯的电阻与横截面积的关系。如图所示连好电路（图11）。用鳄鱼夹分别夹住材料、长度都相同，横截面积不同的铅笔芯，观察小灯泡的亮度和电流表的示数（图12）。可以看到当接入较细的铅笔芯时，小灯泡发光较暗，电流表示数为0.26A；当接入较粗的铅笔芯时，小灯泡发光较亮，电流表示数为0.28A。由此可知，当铅笔芯的材料和长度一定时，横截面积越小，铅笔芯的电阻越大，横截面积越大，铅笔芯的电阻越小。
图11 图12
探究铅笔芯的电阻与横截面积的关系
师：刚才大家设计并进行了四种实验方案，虽然都可以改变电路中的电阻，导致小灯泡（发光二极管）的亮度发生改变，但是从操作简单方便的角度看，你认为哪种方案是最优的？通过什么方式改变电阻大小的？
生：第3种，改变长度（异口同声）。
对于“变阻器的工作原理”这个看似非常简单的知识点，既没有直接告诉学生答案，也没有通过学生自读课本这种浅层学习的方式，而是利用铅笔芯进行课本实验“探究影响导体电阻大小因素”的拓展延伸，让学生通过亲身体验之后，充分理解“改变铅笔芯的长度”是“自制调光小台灯”最优的实验方案，从而为后面学习滑动变阻器以及老式电话机话筒的工作原理做好充分的知识和心理准备。
3.应用迁移，实验创新，提升思维品质
经过“有效失败”完成认知冲突、知识建构之后，接下来是学习知识的最终目的——应用迁移。这是核心素养的基本要求，因为一个人只有在真实情境中的问题解决中才会体现出核心素养，而要想培养学生的素养，就必须让学生将所学的知识技能和方法态度应用到真实情境中。
在学习“老式电话机话筒原理”时（图13），传统的课堂基本上采用教师“课件展示”或者学生自读课本完成这个知识点的学习。学生由于是在进行浅层学习，只是停留在机械性记忆的层面，在脑海中停留的时间也不会太久。由于在前两个阶段学生已经经历“有效失败”的思维成长，为此，就可以让有能力的学生自主设计创新实验模拟电话的工作原理。由于这个环节属于高阶思维训练，学生更要经历一次次“有效失败”，这也是学生通过自主创新实验进行深度学习的最好典范。
在火柴盒上扎4个洞，然后把2根长铅笔芯穿进去，再在2根长铅笔芯上架一根短一点的铅笔芯（图14），连上导线和电池，然后连上喇叭（图15）。
图14 图15
闭合开关，用镊子夹住短的铅笔芯，在长铅笔芯上进行滑动（图16），注意听喇叭发出声音的变化。可以听到喇叭发出断断续续的声音（图17）。这是因为当声波使石墨棒振动时，就会使石墨棒和电线接触点的电阻略微发生变化，从而改变电流的大小。通过这种方式，声音信号就被转化为了电信号。
图16 图17
自制火柴盒式麦克风
小航同学自制的火柴盒式麦克风与实际的麦克风并不一样。麦克风是一种换能器，它可以把声能转化为电能，把声音的信号转化成电信号。在普通麦克风里，有一些振动膜可以随着声波而振动。接着，麦克风里的元件（线圈和磁铁）可以把振动膜的振动转化为电信号，通过导线传导到耳机或扬声器里，是电磁感应很好的实例。用的时候，一个人戴着耳机，另一个人对着火柴盒说话，戴着耳机的人就可以听到火柴盒传来的声音。当然了，2个人如果距离很近，就体现不出火柴盒麦克风的效果。最好用长一点的导线，这样在远距离也可以听到对方的声音了。小航同学自主设计的火柴盒麦克风，是让那根短的铅笔芯架在2根较长铅笔芯上随着声波振动，它和其他2根铅笔芯接触点的电阻也会随着振动改变，从而影响电流的大小，从而引起声音的变化，是在学习欧姆定律之后一个非常有创意的小实验，可以很好理解老式电话机话筒的工作原理。
总之，基于学生自主创新实验的“有效失败”项目式学习是学生非常喜欢的教学模式，只要教师保证学生探索时间的充分，内容难度的把握，适度学习支架的提供，学生先前知识的储备，就可以让深度学习自然发生，就可以很好阐释思维型教学的基本原理，即：动机激发——认知冲突——自主建构——自我监控——应用迁移。作为一线物理教师就是要树立“为思维而教”的理念，要通过“学生自主创新实验”这种最优的物理教学模式，激发学生的思维火花，启迪学生的智慧，让学生真正体会知识的魅力、学习的魅力和思维的魅力，让我们的物理教学能够真正培养学生的核心素养。
参考文献：
[1]丁一圣. 以实验为载体 用问题促进“思维”生长[J]. 中学物理,2019(05):38-40.
[2]KAPUR M.Productive Failure[J].Cognition and Instruction
[3]朱彩兰. 基于“有效失败”的小学Scratch教学研究[J]. 数字教育,2020(01):80-85.
[4]安德鲁，陶菲克，荣慧, 等. 从失败中学习: 受挫学习的统一设计方法[J]. 数字教育,2017,3(6):84-92.
[5]汤金波.汤老师创新物理实验室（项目式）[M].浙江：浙江大学出版社，2020.