蘇元宗
摘 要:物理概念具有高度的抽象性和概括性,一般高于學(xué)生的認(rèn)知,概念教學(xué)是物理教學(xué)的核心之一。本研究采用“問(wèn)題-發(fā)現(xiàn)”模式創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,讓學(xué)生“參與”概念的建立;采用“精加工”策略創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈促進(jìn)概念的鞏固;采用認(rèn)知沖突策略創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,“誘出”前概念,引發(fā)認(rèn)知沖突,促進(jìn)概念的正確運(yùn)用。最后,闡明創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈?zhǔn)谴龠M(jìn)物理概念教學(xué)的一種有效策略。
關(guān)鍵詞:物理概念;問(wèn)題鏈;“問(wèn)題-發(fā)現(xiàn)”模式;精加工;前概念;認(rèn)知沖突
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2015)8-0077-4
學(xué)習(xí)物理,概念是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在物理概念的形成過(guò)程中,科學(xué)思維最重要,因此物理概念的教學(xué)應(yīng)該著眼于發(fā)展學(xué)生的思維。著名的瑞士心理學(xué)家皮亞杰從認(rèn)知發(fā)生和發(fā)展的角度提出認(rèn)知的主要過(guò)程是同化、順應(yīng)和平衡。由于物理概念形成的復(fù)雜性,皮亞杰認(rèn)知理論可以把物理概念的建立、發(fā)展和完善的過(guò)程用下面的模式來(lái)概括(圖1):
新的刺激可以來(lái)自教師創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題鏈。問(wèn)題鏈?zhǔn)墙處煾鶕?jù)學(xué)生的原有知識(shí)或前概念,預(yù)計(jì)學(xué)生可能產(chǎn)生的困惑或錯(cuò)誤,把教學(xué)內(nèi)容分解成一連串的教學(xué)問(wèn)題;這些教學(xué)問(wèn)題具有系統(tǒng)性,層次鮮明,互相聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立。本文以認(rèn)知心理學(xué)理論為指導(dǎo),以具體概念的教學(xué)為案例,探討如何創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,以建立、鞏固、運(yùn)用物理概念。
1 運(yùn)用“問(wèn)題-發(fā)現(xiàn)”模式創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,促進(jìn)物理概念的建立
“問(wèn)題-發(fā)現(xiàn)”教學(xué)模式的目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的思維能力、科學(xué)態(tài)度和意志力,具體做法是教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題。物理概念學(xué)習(xí)的主要障礙是感性認(rèn)識(shí)不足。運(yùn)用該模式在新概念的教學(xué)中可以讓學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)。下面以“位移”的教學(xué)為案例,在該模式下創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,讓學(xué)生在問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、解決過(guò)程中參與概念的建立。
1.1 教材、學(xué)情分析
位移是高中生要學(xué)習(xí)的第一個(gè)描述運(yùn)動(dòng)的矢量概念。雖然描述運(yùn)動(dòng)的日常語(yǔ)言非常豐富,但不如矢量語(yǔ)言準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔,且矢量語(yǔ)言不依賴選擇坐標(biāo)系?;谶@些優(yōu)點(diǎn),物理概念中有大量的矢量。對(duì)第一次接觸矢量的高中學(xué)生,學(xué)習(xí)、掌握矢量工具比較困難。初學(xué)者既感到奇怪又難以理解,這些不僅有大小還有方向的矢量運(yùn)算法則還和標(biāo)量不同。因此,在矢量教學(xué)中要重點(diǎn)展現(xiàn)和標(biāo)量的不同。
1.2 直接講解的弊端
因?yàn)閷W(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中缺乏相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備,如果運(yùn)用“傳遞-接受”模式,直接按照課本內(nèi)容提問(wèn)“北京到重慶有什么不同和相同”,然后倉(cāng)促得出位移的概念,會(huì)導(dǎo)致感性認(rèn)識(shí)不足,在后繼的學(xué)習(xí)和應(yīng)用中容易重復(fù)犯錯(cuò),并且負(fù)遷移到其他矢量的學(xué)習(xí),忽略矢量的方向性。久而久之,極易造成被動(dòng)學(xué)習(xí)、機(jī)械學(xué)習(xí),不利于學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的發(fā)揮。
1.3 運(yùn)用“問(wèn)題-發(fā)現(xiàn)”模式讓學(xué)生參與概念的建立
由于開(kāi)學(xué)前剛經(jīng)歷過(guò)軍訓(xùn),感性認(rèn)識(shí)較為豐富,因此筆者以教官指揮學(xué)員行走為問(wèn)題情境,創(chuàng)設(shè)了如下的問(wèn)題鏈:設(shè)一學(xué)員處于位置O,東西南北方位如圖2所示。聽(tīng)從教官的下列指令后,他的位置會(huì)在哪里?
問(wèn)題①:“行走8米”。學(xué)生沉思一會(huì),發(fā)現(xiàn)這個(gè)指令不明確,只是交代路程8米,沒(méi)有具體行走方向,末位置不能確定。經(jīng)交流討論后,得出他可能處于以O(shè)為圓心、半徑8米的圓面內(nèi)(如圖3)。這個(gè)問(wèn)題可以使學(xué)生的發(fā)散性思維得到一定展現(xiàn)。
問(wèn)題②:“直行8米”。有了第一個(gè)問(wèn)題作為鋪墊,學(xué)生很快回答:他可能的位置在這個(gè)圓周上,但末位置還是不確定的。
問(wèn)題③:“向東直行8米”。這次運(yùn)動(dòng)方向明確,因此有了明確的末位置A(如圖4)。
問(wèn)題④:“沿著曲線走到A點(diǎn)”(圖5)。學(xué)生回答后,教師再提示比較③和④的不同:運(yùn)動(dòng)路徑不同(③是直線運(yùn)動(dòng),④是曲線運(yùn)動(dòng)),路程不同,但位置變化相同。
經(jīng)過(guò)這幾個(gè)問(wèn)題,學(xué)生充分感受到了位置變動(dòng)方向的重要性,方向不同,到達(dá)的位置也不同。從認(rèn)知心理學(xué)角度理解,學(xué)生從最初試圖用路程同化位移,到后來(lái)發(fā)現(xiàn)兩者根本的不同,只好順應(yīng),建立了新的命題網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生參與了位移概念的建立,明確了位移概念引入的必要性,位移的定義也可以順理成章的得出。
初步了解了位移和路程的區(qū)別后,繼續(xù)設(shè)問(wèn),加深位移具有方向性的理解。
問(wèn)題⑤:“從A回到O”,位移和路程和④相比都相同嗎?此時(shí)起點(diǎn)為A,終點(diǎn)為O,位置變化方向與④相反,位移不同,但路程相同。
位移的學(xué)習(xí)在新知識(shí)構(gòu)建形式中,既不是上位學(xué)習(xí),也不是下位學(xué)習(xí),而是并列結(jié)合學(xué)習(xí)。學(xué)生在思考問(wèn)題過(guò)程中新舊概念發(fā)生相互作用、建立實(shí)質(zhì)聯(lián)系,新的概念在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中基本形成。雖然所花時(shí)間是直接講解的幾倍,但學(xué)生經(jīng)歷了概念的形成過(guò)程,為長(zhǎng)時(shí)記憶和遠(yuǎn)遷移起到了較好的促進(jìn)作用。關(guān)于矢量和標(biāo)量、一維直線運(yùn)動(dòng)的位移可以就這個(gè)情境繼續(xù)設(shè)問(wèn)。
2 運(yùn)用精加工策略創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,促進(jìn)物理概念的鞏固
“精加工”是鞏固陳述性知識(shí)的一個(gè)策略,是在具體情境中對(duì)要鞏固的知識(shí)精心增加相關(guān)額外的信息以達(dá)到記憶和理解的學(xué)習(xí)方法。相關(guān)額外的信息可以是知識(shí)的細(xì)節(jié)、應(yīng)用的例子和推論或與其他概念的區(qū)別等。這種方法可以用于平均速度、瞬時(shí)速度和速率這幾個(gè)概念的鞏固。
2.1 學(xué)情分析——初學(xué)者的困惑
《速度》這節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容,從初中學(xué)的單一速度一下派生出平均速度、瞬時(shí)速度和速率這幾個(gè)既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念。這幾個(gè)相關(guān)概念對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是不容易清晰區(qū)分的,和生活現(xiàn)象發(fā)生聯(lián)系時(shí)如何辨別,都考驗(yàn)著初學(xué)者對(duì)這幾個(gè)概念的理解和把握是否到位、深刻。對(duì)于極限思想是第一次接觸,這種理論推導(dǎo)有什么現(xiàn)實(shí)意義?對(duì)于瞬時(shí)速度的定義會(huì)有疑惑:某一個(gè)位置竟然會(huì)有速度?對(duì)于瞬時(shí)速度的矢量性(具有方向)會(huì)很不習(xí)慣,很容易忽略。瞬時(shí)速度和速率有什么區(qū)別和聯(lián)系?這些都需要補(bǔ)充相關(guān)的材料才能促進(jìn)概念的鞏固。
2.2 貼近生活的問(wèn)題——讓概念更生動(dòng)
受教材里“STS”欄目費(fèi)恩曼所舉的有趣實(shí)例的啟發(fā),筆者創(chuàng)設(shè)了與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)有關(guān)的道路限速、測(cè)速的問(wèn)題情境。
問(wèn)題①:“這是我們校門口的交通標(biāo)志,你們知道是表示什么意思嗎?”出示圖片(圖6,紅圈黑字),絕大多數(shù)學(xué)生都知道這是限速標(biāo)志,已有的生活經(jīng)驗(yàn)被調(diào)動(dòng)起來(lái)。
問(wèn)題②:“限的是平均速度還是瞬時(shí)速度?說(shuō)出你的理由?!背^(guò)半數(shù)學(xué)生回答是瞬時(shí)速度,少數(shù)認(rèn)為是平均速度。有的學(xué)生舉出了道路測(cè)速儀為佐證,測(cè)速儀測(cè)的是該位置的速度,超過(guò)50 km/h即為超速,因此這個(gè)路段限速50 km/h指的是任何一個(gè)位置速度都不能超過(guò)50 km/h,所以是瞬時(shí)速度。教師贊賞學(xué)生的觀察力和推理能力,接著播放視頻(關(guān)于某司機(jī)超速被抓拍的新聞片段,如圖7),為缺乏該生活經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生補(bǔ)充鮮活材料,并提出下個(gè)問(wèn)題。
問(wèn)題③:“視頻測(cè)速的原理是什么?”這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)難,對(duì)學(xué)生要求有些高,只有個(gè)別學(xué)生才能回答。學(xué)生回答后,出示圖片(如圖8),再次說(shuō)明瞬時(shí)速度的測(cè)量完全是通過(guò)平均速度的測(cè)量進(jìn)行替換的。△t越小,兩者越接近。設(shè)計(jì)這個(gè)問(wèn)題,一方面是從應(yīng)用角度詮釋極限思想的實(shí)際意義,另一方面為光電門測(cè)速和利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速作好鋪墊。
問(wèn)題④:“如果視頻兩次拍到同一輛車以相同速度經(jīng)過(guò)同一位置,一次拍到車頭,一次拍到車尾,說(shuō)明該車——”反應(yīng)快的學(xué)生馬上接話“這輛車逆行了!”教師贊揚(yáng)該學(xué)生“你可以做偵探了!”接著問(wèn):“從物理角度看,這兩次速度相同嗎?”因?yàn)橛辛苏掌谋葘?duì),學(xué)生很容易回答出“不同,因?yàn)榉较蛳喾础?。生活中的速度和物理學(xué)的速度存在很多不一致的地方,強(qiáng)調(diào)速度的矢量性是物理的特征,這也是科學(xué)研究追求精確的要求。
問(wèn)題⑤:“那么,開(kāi)這輛車的司機(jī)能從駕駛室的速度計(jì)上看出兩次的不同嗎?”不能,因?yàn)樗俣扔?jì)表示的是速率,即瞬時(shí)速度的大小。這個(gè)問(wèn)題是把生活中的速度和物理中的速率之間的聯(lián)系建立起來(lái),有利于該知識(shí)的同化。
問(wèn)題⑥:“只在一個(gè)位置安裝測(cè)速儀,有什么缺點(diǎn)?”頭腦靈活見(jiàn)識(shí)廣泛的學(xué)生馬上說(shuō),裝上“電子狗”,有測(cè)速的地方開(kāi)慢一點(diǎn),沒(méi)有的地方就開(kāi)快一點(diǎn)。“你能想到有什么辦法防止這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生嗎?”學(xué)生議論紛紛,各抒己見(jiàn)。
此時(shí),教師打開(kāi)新聞鏈接(2015-02-16 08:58:29杭州網(wǎng)):浙江高速在上三線24公里新昌段試行區(qū)間測(cè)速,在同一段路安裝兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn),記錄同一輛車通過(guò)兩個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的時(shí)間,計(jì)算該車在這一路段的平均行駛速度,判定車輛是否超速。新昌段限速90公里/小時(shí),以這個(gè)速度行駛,至少需要16分鐘。如果某車輛跑完這段路程的時(shí)間在16分鐘內(nèi),說(shuō)明該車平均速度超過(guò)了90公里/小時(shí),就會(huì)被認(rèn)定超速。
問(wèn)題⑦:“新聞里平均速度和物理中平均速度含義一樣嗎?”學(xué)生經(jīng)過(guò)思考發(fā)現(xiàn)兩者不同,新聞里平均速度是以路程除以時(shí)間,物理中平均速度是位移除以時(shí)間。學(xué)生會(huì)疑惑了:“物理里有沒(méi)有概念對(duì)應(yīng)呢?”此時(shí),教師適當(dāng)解釋平均速率的概念,只作了解。
新課標(biāo)注重滲透STS教育,強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在常見(jiàn)的生活現(xiàn)象中感受物理,將物理知識(shí)與熟悉的生活情境聯(lián)系起來(lái),逐步學(xué)會(huì)從物理的視角觀察、分析社會(huì)生活與科學(xué)技術(shù)。以學(xué)生熟悉的道路這個(gè)情境作為創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈的背景,是秉承“從生活走進(jìn)物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念。經(jīng)過(guò)這7個(gè)問(wèn)題,學(xué)生對(duì)平均速度、瞬時(shí)速度、速率等物理概念和生活相關(guān)現(xiàn)象建立了有效的聯(lián)系,知識(shí)得到了同化,概念得到了鞏固。并且通過(guò)分析、比較、推理這些邏輯思維,原來(lái)只是陳述性知識(shí)的概念向程序性知識(shí)轉(zhuǎn)化。
3 運(yùn)用認(rèn)知沖突策略創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,促進(jìn)物理概念的運(yùn)用
奧蘇貝爾在《教育心理學(xué):一種認(rèn)知觀》說(shuō)過(guò):“影響學(xué)習(xí)的最主要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容”。通過(guò)生活經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)在學(xué)生頭腦中已經(jīng)形成的這些相關(guān)的已知內(nèi)容可能是不完整、有偏差、甚至錯(cuò)誤的,即前概念。在教學(xué)中,教師必須首先設(shè)法讓學(xué)生暴露他們的前概念。即使在概念運(yùn)用階段,比如在月地檢驗(yàn)教學(xué)中,很多前概念仍然影響著學(xué)生的思維活動(dòng)。因此,創(chuàng)設(shè)問(wèn)題鏈,揭示前概念,引發(fā)認(rèn)知沖突,是行之有效的教學(xué)策略。
3.1 教材、學(xué)情分析
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)是體現(xiàn)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)而又富有創(chuàng)造的科學(xué)態(tài)度的科學(xué)發(fā)展史,是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思辨能力的好素材。本章的教學(xué)應(yīng)該在歷史背景下,讓學(xué)生用已有的知識(shí)儲(chǔ)備,運(yùn)用邏輯思維,自己“發(fā)現(xiàn)”萬(wàn)有引力定律。
萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中,“月-地檢驗(yàn)”是其中關(guān)鍵的一環(huán)。它統(tǒng)一了“人間”的力與“天上”的力,進(jìn)而擴(kuò)大到萬(wàn)物之間的引力。牛頓從蘋(píng)果落地發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的故事影響巨大,教學(xué)中通常把月球和蘋(píng)果相比較。這部分內(nèi)容牽涉很多概念:引力、重力、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、向心加速度、重力加速度,以及由這些概念組成的規(guī)律——牛頓運(yùn)動(dòng)定律。而在進(jìn)行兩者比較的時(shí)候,選擇的參考系也不同。研究月球的運(yùn)動(dòng)以地心為參考系,研究蘋(píng)果則是忽略地球的自轉(zhuǎn),以地面為參考系。因此,這部分內(nèi)容的教學(xué)是個(gè)難點(diǎn)。
3.2 問(wèn)題門檻太高,學(xué)生接不上茬
聽(tīng)課時(shí),筆者發(fā)現(xiàn)教師都是這樣問(wèn):“蘋(píng)果受到地球的重力而下落,如果蘋(píng)果樹(shù)長(zhǎng)到月球一樣的高度,蘋(píng)果還會(huì)不會(huì)掉下來(lái)?”學(xué)生的反應(yīng)很是出乎意料,同聲回答“不會(huì)”。確實(shí),月亮是“懸掛”在空中的,蘋(píng)果到月亮那個(gè)高度也是懸掛著的。為什么該縣最好的學(xué)生也會(huì)犯這樣明顯的錯(cuò)誤呢?原因在于教師所提的問(wèn)題。新課標(biāo)的編寫(xiě)意圖是引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考,科學(xué)家是經(jīng)常性甚至長(zhǎng)年累月的思考相關(guān)問(wèn)題,學(xué)生顯然不能在短時(shí)間內(nèi)思維層次達(dá)到科學(xué)家一樣的高度。但學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和圓周運(yùn)動(dòng),知識(shí)儲(chǔ)備已經(jīng)足夠了,為什么不能運(yùn)用呢?很顯然,前概念起了干擾作用。
3.3 問(wèn)題原始化,揭示前概念, 引發(fā)認(rèn)知沖突
現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為,失去了有助于回憶的編碼線索,長(zhǎng)時(shí)記憶中信息不能提取。要想激活學(xué)生原有的知識(shí)儲(chǔ)備,必須設(shè)計(jì)適切的問(wèn)題,“引誘”出學(xué)生的前概念,造成認(rèn)知沖突。因此,筆者設(shè)計(jì)了如下的問(wèn)題鏈。
問(wèn)題①:“蘋(píng)果受地球引力從樹(shù)上落下,月球也受地球引力,為什么不掉下來(lái)?”這個(gè)問(wèn)題相當(dāng)“原始”,也許很多人孩童時(shí)代都曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)如此疑問(wèn)。之所以這樣問(wèn),是對(duì)學(xué)生前概念的了解。果然,聲音最響亮的回答是“太陽(yáng)對(duì)月球也有引力,把地球?qū)υ虑虻囊ζ胶饬恕?。看?lái),剛學(xué)的天體間的引力相關(guān)知識(shí)產(chǎn)生了前攝抑制。并且他們的前概念是月球處于平衡狀態(tài),真的是“懸掛”在空中。另外一個(gè)回答是“蘋(píng)果質(zhì)量小,會(huì)掉下來(lái);月球質(zhì)量大,所以不掉下來(lái)。”第二個(gè)回答應(yīng)用了牛頓第二定律,值得肯定,但暫后回應(yīng)。
問(wèn)題②對(duì)于第一個(gè)回答筆者將計(jì)就計(jì),“既然兩個(gè)引力平衡了,那么月球處于哪個(gè)位置呢?”學(xué)生根據(jù)平衡條件(大小相等、方向相反)得出月球處于太陽(yáng)和地球的連線上。在出示圖9的時(shí)候,就有學(xué)生反應(yīng)過(guò)來(lái):“這是月球在發(fā)生日全食時(shí)的位置”。對(duì)于大小是否相等,比較復(fù)雜,不討論(實(shí)際上太陽(yáng)對(duì)月球的引力是地球?qū)υ虑蛞Φ?.5倍)。
問(wèn)題③:“月球處于平衡狀態(tài)嗎?”原來(lái)喊得最響的那些學(xué)生如夢(mèng)初醒,“不對(duì),月球在繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)?!背鍪緝蓚€(gè)數(shù)據(jù):月球軌道半徑3.8×108 m,月球公轉(zhuǎn)周期是T=27.3天,讓學(xué)生計(jì)算月球繞地球的線速度有多大。
學(xué)生經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),肉眼看上去不怎么動(dòng)的月球速度竟是如此之快。并且引發(fā)了聯(lián)想:“蘋(píng)果速度也這么快,也會(huì)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),不掉下來(lái)了?!比鐖D10,這不就是牛頓的人造衛(wèi)星發(fā)射原理嗎?
問(wèn)題④:“這位同學(xué)你剛才說(shuō)月球質(zhì)量大,所以不掉下來(lái),能具體解釋下嗎?”該同學(xué)振振有詞“根據(jù)牛頓第二定律F=ma”。有學(xué)生這樣反駁:月球質(zhì)量再大,也是有加速度的,盡管很小,經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間月球最終還是會(huì)掉下來(lái)的。但幾十億年過(guò)去了,月球還是在空中運(yùn)動(dòng)。
問(wèn)題⑤:“看來(lái)地球的引力對(duì)月球產(chǎn)生的加速度不是讓它下落的加速度,那是什么?”討論到這里,排除了前概念的影響,學(xué)生原有知識(shí)被激活了,記憶中的正確的信息才能被有效提取。學(xué)生陸陸續(xù)續(xù)回答“向心加速度”。如果還有學(xué)生不明白,再演示小實(shí)驗(yàn)過(guò)山車模型,當(dāng)小球以足夠速度經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)時(shí),盡管受到重力,也不會(huì)掉下來(lái)。
通過(guò)上述問(wèn)題的解決,思維障礙被一一掃除,概念得到了正確的運(yùn)用,規(guī)律的應(yīng)用水到渠成。
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(欄目編輯 鄧 磊)