胡先濤

摘? ?要：物理概念從學(xué)科知識(shí)角度強(qiáng)調(diào)對(duì)本質(zhì)屬性的概括和抽象，物理觀念從人的認(rèn)知角度強(qiáng)調(diào)人的個(gè)體主觀感悟。從概念教學(xué)轉(zhuǎn)化為觀念教學(xué)，認(rèn)知建模理論給出了一個(gè)有效選擇。在簡(jiǎn)述認(rèn)知建模理論的基礎(chǔ)上，以“浮力與深度”的核心片段教學(xué)為例進(jìn)行了實(shí)證。實(shí)踐證明，運(yùn)用建模教學(xué)，可以有效促進(jìn)心智模型向科學(xué)概念模型的深度轉(zhuǎn)變，內(nèi)化物理觀念。

關(guān)鍵詞：物理觀念;認(rèn)知建模;建模教學(xué);浮力

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）3-0031-3

有研究表明，學(xué)生經(jīng)過(guò)初中浮力知識(shí)的學(xué)習(xí)后，并不能有效轉(zhuǎn)化和積淀為物理觀念而持續(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。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，引起廣泛的關(guān)注，并被證明是一種優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)理論[2-3]。本文介紹了認(rèn)知建模理論，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，對(duì)物理觀念的教學(xué)進(jìn)行了探討。

1? ? 認(rèn)知建模理論簡(jiǎn)介

亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家David Hestenes創(chuàng)立的認(rèn)知建模理論認(rèn)為，個(gè)人知識(shí)是主觀的，科學(xué)概念模型是客觀的，學(xué)生的個(gè)體心智模型在建立、檢驗(yàn)與完善、應(yīng)用三個(gè)不斷循環(huán)的核心階段中，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)，在觀察、分析物理現(xiàn)象后初步形成的，再通過(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]。他們都從認(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，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化，內(nèi)化為學(xué)生個(gè)人的物理觀念。

2? ? “浮力—深度”觀念教學(xué)模式

建模教學(xué)是一種探究式教學(xué)模式[3]，科學(xué)建模能力不僅體現(xiàn)為一種內(nèi)隱的心智行為能力，而且也是一種外顯的科學(xué)探究能力[4]。認(rèn)知建模教學(xué)的核心在于幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。借助一明一暗的兩條主線：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);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)。

本文參考科學(xué)探究的要素，以及Hestenes認(rèn)知建模理論的三個(gè)核心階段，結(jié)合長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐，依據(jù)心智模型的發(fā)展過(guò)程，采用“整合”思想，提出“浮力—深度”觀念教學(xué)模式，如圖1所示。

3? ? “浮力—深度”觀念教學(xué)實(shí)踐案例

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，并對(duì)“浮力—深度”觀念教學(xué)模式進(jìn)行具體解讀。

3.1? ? 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境，激發(fā)典型心智模型

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)生在與環(huán)境的相互作用中，會(huì)在頭腦中形成自己對(duì)世界的一種理解，并以此來(lái)理解客觀世界，這種理解就是學(xué)生的初始心智模型。例如，持有“浮力大小與深度有關(guān)”觀念的初中生占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)”觀念的初中生占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。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)它還可以作為認(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)。

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，圓柱筒在空氣和水中下落的速度一樣嗎？如圖2所示，第一次將圓柱筒（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。第二次將同一個(gè)圓柱筒放在同一高度，然后松手，圓柱筒下落至水中。

生：在空氣中下落得快，在水中下落得慢。

師：同一圓柱筒，為什么下落快慢不一樣呢？

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)們剛才所測(cè)量的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)情境，觀察、描述發(fā)生的現(xiàn)象，分析出導(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)探究鋪墊操作技能。同時(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)情境還為學(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。

3.2? ? 制造認(rèn)知沖突，發(fā)展學(xué)生心智模型

學(xué)生心智模型的發(fā)展，是一個(gè)個(gè)人與外部環(huán)境相互作用的過(guò)程，必須經(jīng)歷推理、論證等一系列的內(nèi)在認(rèn)知行為來(lái)對(duì)心智模型進(jìn)行驗(yàn)證、修正和完善。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。

3.2.1? ? 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)實(shí)際測(cè)量獲取數(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：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并把數(shù)據(jù)記錄在表格1中。

學(xué)生的前觀念通常是樸素而頑固的。為此，教學(xué)中要給予學(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。

3.2.2? ? 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、圖像三種方式進(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：

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。實(shí)踐表明，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)。

3.2.3? ? 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)生不能自己進(jìn)一步探索新知時(shí)，教師應(yīng)該提出問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)情境進(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：我們從上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以找出一個(gè)新的物理量替代深度來(lái)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)們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，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。

3.3? ? 學(xué)生科學(xué)心智模型應(yīng)用

當(dāng)學(xué)生的心智模型發(fā)展為科學(xué)概念模型之后，就可以用現(xiàn)有的心智模型去認(rèn)識(shí)客觀事物和解決實(shí)踐中的一些問(wèn)題，從而對(duì)科學(xué)概念模型有更深層次的修正、完善，加深對(duì)客觀世界的理解。

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)的液體的體積的關(guān)系時(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)。

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)浮力與深度的科學(xué)觀念掌握得非常牢固，并能持續(xù)保持。學(xué)生經(jīng)歷自己個(gè)人的“思維的個(gè)體建構(gòu)”，即初始心智模型的激發(fā)、發(fā)展和科學(xué)概念化，就能實(shí)現(xiàn)“浮力與深度”從概念到觀念的轉(zhuǎn)化，從而根植于大腦當(dāng)中。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）