胡先濤

(東莞市東華初級(jí)中學(xué)，廣東 東莞 523128)

有研究表明,學(xué)生經(jīng)過(guò)初中浮力知識(shí)的學(xué)習(xí),并不能有效轉(zhuǎn)化前概念為科學(xué)觀念而持續(xù)保持.[1]就像學(xué)生關(guān)于力的前概念在教學(xué)后并未得到有效轉(zhuǎn)變一樣,[2]這種現(xiàn)象在教學(xué)中經(jīng)常發(fā)生.這是因?yàn)樵诟拍罱虒W(xué)中,往往非常注重對(duì)客觀事物的共同特征和本質(zhì)屬性的概括和抽象,強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)的屬性,而很少關(guān)注到學(xué)生原有觀念的影響和個(gè)人對(duì)知識(shí)的主觀理解.為解決這個(gè)問(wèn)題,David Hestenes提出了認(rèn)知建模理論,并引起廣泛的關(guān)注.[2-4]認(rèn)知建模理論主張,學(xué)生的個(gè)體心智模型,在建立、檢驗(yàn)與完善、應(yīng)用模型的3個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程中,能夠被激發(fā)并發(fā)展成科學(xué)概念模型,強(qiáng)調(diào)“思維的個(gè)體建構(gòu)”.[2]郭玉英教授團(tuán)隊(duì)在研究科學(xué)建模能力時(shí)也指出,學(xué)生的個(gè)體心智模型是基于原有認(rèn)識(shí)、觀察、分析物理現(xiàn)象等初步形成,通過(guò)推理、論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為對(duì)心智模型進(jìn)行修正,并最終形成概念模型,是一種主動(dòng)的內(nèi)在心智行為能力.[4]它們都從認(rèn)知的角度強(qiáng)調(diào)把學(xué)科知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)人的認(rèn)知結(jié)構(gòu),主張從“概念教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝^念教學(xué)”,促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化,形成“學(xué)生個(gè)人的知識(shí)”.

在認(rèn)知建模理論的指導(dǎo)下,筆者對(duì)“認(rèn)識(shí)浮力”這節(jié)課進(jìn)行了多次課堂實(shí)踐,探索了浮力概念向浮力觀念轉(zhuǎn)變的幾點(diǎn)實(shí)踐做法,在此介紹,期望拋磚引玉.

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情景,建立典型心智模型

在心理學(xué)中,心智模型是指人在決策過(guò)程中的傾向性以及人們所表現(xiàn)出來(lái)的某些技能.學(xué)生個(gè)體在與環(huán)境的相互作用中,必然會(huì)在頭腦中形成自己對(duì)世界的一種理解,這種理解就是心智模型,并以此來(lái)理解客觀世界.例如,在生活中,持有“浮力大小與深度有關(guān)”的觀念,初中生占20%,高中生占33%,大學(xué)生占近50%;持有“浮力大小與物體體積有關(guān)”的觀念,初中生占80.39%,高中生占52%,大學(xué)生占近52.09%.這說(shuō)明學(xué)生的前觀念對(duì)浮力的學(xué)習(xí)有較大干擾,且在教學(xué)中難以有效轉(zhuǎn)化[1].因此選擇“浮力與深度關(guān)系”作為學(xué)生的初始心智模型,是對(duì)學(xué)生充分分析的結(jié)果,同時(shí)這個(gè)心智模型還可以作為認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的固定點(diǎn)成為后續(xù)教學(xué)展開(kāi)的基礎(chǔ).課堂實(shí)踐證明了選擇這個(gè)初始心智模型是正確且有效的.

核心片段教學(xué)1.

師:進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,請(qǐng)同學(xué)們觀察:圓柱體在空氣和水中下落的快慢一樣嗎?如圖1所示,第1次將圓柱筒(體積適宜且比水的密度稍大)放在一定的高度靜止后松手,圓柱筒下落至桌面上.第2次將同一個(gè)圓柱筒放在同一高度,然后松手,圓柱筒下落至水中.

圖1 觀察圓柱體在空氣和水中下落

生:在空氣中下落得快;在水中下落得慢.

師:同一個(gè)圓柱筒,為什么下落的快慢不一樣呢?

生1:在水中受到浮力.

生2:它可能受到水給它的一個(gè)向上的力.

師:這個(gè)力可以測(cè)量嗎?請(qǐng)大家討論一下,并用桌上的彈簧測(cè)力計(jì)想辦法測(cè)量一下.

生:略(匯報(bào)測(cè)量過(guò)程與結(jié)果).

師:演示手托住圓柱筒使測(cè)力計(jì)示數(shù)減小,總結(jié)浮力的定義.

師:同學(xué)們剛才測(cè)量圓柱筒所受的浮力大小不一樣,你認(rèn)為浮力大小與什么因素有關(guān)?

生:與深度有關(guān),深度越深,浮力越大.

在這個(gè)活動(dòng)中,通過(guò)創(chuàng)設(shè)具體的實(shí)驗(yàn)情景,借此觀察、描述發(fā)生的現(xiàn)象,分析找出導(dǎo)致快慢不同的原因,引出浮力定義和測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象的定性觀察到物理量的定量測(cè)量,為后面的實(shí)驗(yàn)探究提供必要的操作技能.同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)情景還為學(xué)生提出問(wèn)題和猜想假設(shè)提供了真實(shí)的感性認(rèn)知.課堂實(shí)踐表明,學(xué)生根據(jù)這個(gè)情景猜想浮力的影響因素時(shí),絕大部分學(xué)生都?xì)w因于深度,得以充分暴露學(xué)生的前觀念.

2 制造認(rèn)知沖突,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

學(xué)生在生活過(guò)程中會(huì)形成自己關(guān)于自我、自己的行為以及環(huán)境方面的觀念.當(dāng)這些觀念出現(xiàn)“非配合性”時(shí),就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知不協(xié)調(diào),這種不協(xié)調(diào)會(huì)產(chǎn)生心理壓力,使個(gè)人改變?cè)械挠^念.認(rèn)知建模理論指導(dǎo)下的建模教學(xué),實(shí)質(zhì)上是一種探究式教學(xué),通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)心智模型進(jìn)行驗(yàn)證、修正.[4]

2.1 實(shí)驗(yàn)記錄,獲取證據(jù)

學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探究活動(dòng),通過(guò)學(xué)生自己的實(shí)際測(cè)量并獲取數(shù)據(jù)來(lái)制造認(rèn)知沖突,從而不斷修正自己的心智模型.

核心片段教學(xué)2.

師:請(qǐng)同學(xué)們按設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案結(jié)合導(dǎo)學(xué)案的指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

生:根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并把數(shù)據(jù)記錄在表1中.

表1 測(cè)力計(jì)的示數(shù)與深度的關(guān)系

學(xué)生的前觀念通常是樸素而頑固的.為此教學(xué)中給予學(xué)生足夠的時(shí)間親自動(dòng)手測(cè)量和記錄數(shù)據(jù),為創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突提供事實(shí)支撐.

2.2 多種方式表征,外顯模型的修正

解釋和論證是科學(xué)探究的核心.在分析論證中,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用列表、個(gè)人語(yǔ)言、圖像3種方式進(jìn)行表征,促使學(xué)生進(jìn)行深度思考,外顯學(xué)生心智模型的修正過(guò)程.

核心片段教學(xué)3.

師:請(qǐng)根據(jù)表1的數(shù)據(jù)在如圖2中描繪出測(cè)力計(jì)的示數(shù)F示與鉤碼底部到液面深度h的圖像.

圖2 測(cè)力計(jì)的示數(shù)與深度的關(guān)系

生:描點(diǎn)繪圖.

師:請(qǐng)根據(jù)列表和圖像,測(cè)力計(jì)的示數(shù)F示與鉤碼底部到液面的深度h有什么關(guān)系?

生:浸沒(méi)前,測(cè)力計(jì)的示數(shù)減小;浸沒(méi)后,測(cè)力計(jì)的示數(shù)不變.

師:請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)時(shí)鉤碼所受浮力大小F浮并填寫在表2中,在圖3中描繪出浮力大小F浮與鉤碼底部到液面深度h的圖像.

表2 浮力與深度的關(guān)系

生:描點(diǎn)繪圖.

師:請(qǐng)根據(jù)列表和圖像,浮力大小F浮與鉤碼底部到液面的深度h有什么關(guān)系?

生:浸沒(méi)前,浮力增大;浸沒(méi)后,浮力不變.

這個(gè)活動(dòng)是對(duì)學(xué)生的初始心智模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正的關(guān)鍵活動(dòng).教學(xué)中同樣給予學(xué)生足夠的時(shí)間進(jìn)行描點(diǎn)繪圖、分析概括和思考討論.課堂實(shí)踐表明:學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究活動(dòng),絕大部分學(xué)生對(duì)深度的影響進(jìn)行了重新評(píng)價(jià)和修正,一致認(rèn)為在浸沒(méi)前,浮力與深度有關(guān);浸沒(méi)后,浮力與深度無(wú)關(guān).

圖3 浮力與深度的關(guān)系

3 發(fā)現(xiàn)建構(gòu),完善模型

學(xué)生的心智模型發(fā)展到科學(xué)概念模型需要經(jīng)歷一系列的認(rèn)知活動(dòng).當(dāng)學(xué)生不能借助自己個(gè)體的認(rèn)知進(jìn)一步探索新知時(shí),教師應(yīng)該提出問(wèn)題,創(chuàng)設(shè)情景進(jìn)行啟發(fā),引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī).

核心片段教學(xué)4.

師:我們可以從上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以找出一個(gè)新的物理量來(lái)替代深度,在圓柱筒浸沒(méi)在水中前后都可以描述對(duì)浮力的影響嗎?(提示阿基米德的故事,略)

生1:水面升高的高度.

生2:物體的體積.

生3:水面升高的那部分體積.

師:同學(xué)都觀察到水面升高的現(xiàn)象,水面為什么升高呢?請(qǐng)同學(xué)們進(jìn)行小組討論.

生1:物體浸入的那部分體積.

生2:被物體排開(kāi)的液體的體積.

學(xué)生經(jīng)歷一定的活動(dòng)后,只是部分修正了自己的原有心智模型,因此必須設(shè)計(jì)活動(dòng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo),并且要有適量的提示,讓學(xué)生特意觀察和討論分析“水面升高”這個(gè)關(guān)鍵的現(xiàn)象,從而找到是物體浸入的那部分體積導(dǎo)致水面升高,從而建構(gòu)起被物體排開(kāi)的液體的體積的觀念,實(shí)現(xiàn)對(duì)深度原有觀念的替代.

4 科學(xué)探究,應(yīng)用模型

在應(yīng)用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究時(shí),有些因素在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中不是位于同一層次的.在探究浮力大小與被物體排開(kāi)的液體的體積時(shí),是不能控制浸入的深度保持不變的.只有在明確深度對(duì)浮力大小沒(méi)有影響后,并以此作為認(rèn)知結(jié)構(gòu)中同化的固定點(diǎn),再進(jìn)行浮力大小與被物體排開(kāi)的液體的體積的關(guān)系探究,更貼近學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和控制變量法的本質(zhì).

認(rèn)知建模教學(xué)的核心在于幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu).借助一明一暗的兩條主線:一條明線是利用科學(xué)探究促進(jìn)學(xué)生習(xí)得學(xué)科知識(shí);一條暗線是將學(xué)生的心智模型外顯并轉(zhuǎn)化為科學(xué)概念模型,不斷地把心智模型往更高更科學(xué)的層次推動(dòng),使得從“概念”向“觀念”的轉(zhuǎn)變得以實(shí)現(xiàn).