洪志浩　余鵬　梁金寶　楊英

摘? ?要：物理教學過程中的邏輯思維培養(yǎng)一直是教學工作者關心的問題。以人教版高中物理必修三“電荷”的三種起電方式為邏輯主線進行教學設計，采用先行組織者策略，通過三個層次分明的實驗方案設計，讓學生對“電荷”的三種起電方式建立新舊知識之間的認知結(jié)構(gòu)聯(lián)系，從而使學生在學習“電荷”概念的過程中實現(xiàn)由淺入深的邏輯進階。同時，通過有意義學習理論的教學指導，促進物理學科核心素養(yǎng)中科學思維和科學探究能力的發(fā)展。

關鍵詞：有意義學習理論；先行組織者策略；高中物理；核心素養(yǎng)；邏輯

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0036-6

研究者［1-2］從不同研究角度提出在物理教學過程中邏輯的重要性，由此可見如何在教學過程中貫徹邏輯主線和培養(yǎng)學生邏輯思維能力一直是當前研究的熱點。筆者以人教版必修三第九章第一節(jié)“電荷”的教學為例，結(jié)合《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中對本章的要求“通過實驗，了解靜電現(xiàn)象，能用原子結(jié)構(gòu)模型和電荷守恒的知識分析靜電現(xiàn)象”［3］，在有意義學習理論的指導下，通過先行組織者策略討論如何激活學生已有的知識，增強學生學習心向，以此建立教學過程中的邏輯主線。

1? ? 有意義學習理論概述

有意義學習理論由美國心理學家奧蘇伯爾提出，他認為學生的學習應該是有意義的，而不是機械的。有意義學習理論強調(diào)學生在學習過程中應該能夠理解和掌握知識，從已有認知結(jié)構(gòu)中生長出新知識，而不僅僅是記住事實和信息。物理學習興趣分為直覺興趣、操作興趣、因果興趣以及理論興趣四種水平［4］。在學生不同興趣水平下，新知識與已有認知結(jié)構(gòu)的聯(lián)系程度不同，當新知識與學生認知結(jié)構(gòu)中已有觀念發(fā)生相互作用時，這種交互作用便會導致新舊知識的有意義同化。有意義學習理論的前提是對學生學情有充分了解。要進行有意義學習需要滿足兩個方面的要求（圖1）：（1）客觀條件：①學習材料本身具有邏輯意義；②材料符合學生心理年齡，在其能力范圍以內(nèi)，可以通過理解去獲取知識所具有的意義。（2）主觀條件：①學生具有學習欲望，能夠積極主動地去思考并獲取知識；②認知結(jié)構(gòu)中具有可以進行同化新知識的舊知識［5］。

2? ? 先行組織者教學策略

奧蘇伯爾認為，在有意義學習理論下，為實現(xiàn)這種有意義的知識同化，需貫徹知識不斷分化和融會貫通的原則，同時注重新舊知識之間的邏輯關系，實施先行組織者策略［6］。如圖2所示，在有意義學習理論中，先行組織者是先于教學任務所呈現(xiàn)的引導材料，其目的在于為新知識提供觀念上的固著點或者認知框架，促進學習遷移。

從與新知識關聯(lián)角度出發(fā)，先行組織者可以分為兩類：一類能夠與新知識產(chǎn)生聯(lián)系并為其提供適當?shù)念悓僬?，稱之為陳述性組織者；一類與新知識界限模糊容易發(fā)生混淆，能為其提供相同的知識屬類，稱之為比較性組織者，如磁場與電場、重力勢能與電勢能。從義務教育階段起，教材內(nèi)容整體先易后難、先簡后繁，前一階段教學內(nèi)容與后一階段教學內(nèi)容存在著深層的邏輯關系。因此，基于先行組織者策略、不同學情以及教師經(jīng)驗，選擇合適的先行組織者能夠為教學提供更有效的思維固著點，提高知識的同化效率。

高中生在邁入必修三“靜電場”學習時，經(jīng)過初中及前期學習，在認知結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)具有本節(jié)課所需要的基礎知識，如電荷種類、電荷間相互作用力的關系、摩擦起電以及牛頓第一定律等。因此，可將此作為新知識的先行組織者，為新知識提供固著點，在學習新內(nèi)容的同時，增加新舊知識之間的可辨認性。

基于上述分析，將電荷中三種起電方式的教學內(nèi)容依邏輯關系進行重新設計，融合演示及學生探究實驗，在培養(yǎng)學生邏輯思維能力的同時，將課標要求落地，進一步提高學生的科學探究能力。第一階段逐級分化的設計思路如圖3所示。

完成第一階段教學后，進行第二階段的融會貫通：將第一階段教學成果作為第二階段教學的先行組織者材料，通過相互之間的區(qū)別與聯(lián)系，揭露本節(jié)課教學重點——“物體起電的實質(zhì)為電荷的轉(zhuǎn)移”。通過教師的組織和學生的類比討論，可獲得守恒觀念，完成“電荷守恒定律”部分的教學。

2.1? ? 基于三種起電方式的邏輯主線到逐級分化的進階設計

2.1.1? ? 摩擦起電實驗方案

設計理念：

麥克斯韋說過，一項演示實驗使用的材料越簡單，學生就越熟悉，就越想徹底獲得所驗證的結(jié)果。這種實驗的教育價值往往與儀器的復雜程度成反比，所以演示實驗越貼近生活，越有趣味性，同時也越有效。實驗將原本下落的塑料絲排斥至空中，并且懸浮，相比于常規(guī)的“吸引”現(xiàn)象，“排斥”所帶來的認知沖突以及實驗現(xiàn)象更為明顯，更能直接引起學生的直覺興趣。學生回顧認知結(jié)構(gòu)中的相關知識，借此為后一階段教學提供知識的固著點——塑料棒與塑料絲帶上同種電荷，在電荷間的相互作用力下，兩者相互排斥，呈現(xiàn)出“懸浮”現(xiàn)象。該實驗不僅促進新知識同化，更為新舊知識的學習形成良性循環(huán)奠定基礎。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，塑料絲。

實驗過程：

（1）使用毛皮先后摩擦塑料絲（圖4）以及塑料棒（圖5）。

（2）將塑料絲從空中釋放。

（3）塑料絲自由下落，在塑料棒靠近后，運動狀態(tài)從下落轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙?，最終懸?。▓D6）。

除摩擦起電外，學生還需要掌握接觸起電以及感應起電，按照新舊概念概括水平以及聯(lián)系的不同，有三種同化方式：①下位學習：將概括水平較低的新概念歸屬到認知結(jié)構(gòu)中概括程度較高的適當概念下；②上位學習：將一系列已有觀念包含于其下，從而使得新概念具有意義；③并列學習：新舊知識之間并無上下位關系，它們之間只能憑借組合關系來理解意義。在知識結(jié)構(gòu)上看，三種起電方式并無上下位關系，但起電的實質(zhì)原因卻相同，可將該部分摩擦起電知識以及實驗作為后續(xù)新知識的先行組織者，進行并列式教學，促進新知識的認知同化，這種教學策略與“類比架橋”有異曲同工之妙。

2.1.2? ? 接觸起電實驗方案

設計理念：

該實驗的現(xiàn)象與摩擦起電相同，不經(jīng)過摩擦的物體也帶上同種電荷，發(fā)生排斥。接觸起電是摩擦起電的并列概念，教師提出問題“沒有摩擦是否也能使物體帶電”，通過設問將前后知識進行連接?；趯W情，學生認為會有不同的起電方式，思考卻得不到答案，因而產(chǎn)生學習欲望。通過不同方式使得物體帶電，得到相同實驗現(xiàn)象，學生不僅在此過程中再次受到認知沖突，同時上一階段的知識便成為新知識的先行組織者，新知識得以在原有認知結(jié)構(gòu)上生長，學生不斷地從前一部分摩擦起電的教學中得到同化，獲取鋁箔與塑料棒帶上同種電性這一教學關鍵點。此時，教師進行教學目標引導：“鋁箔在何時帶上同種電荷”。將學生的直覺興趣提升至操作興趣，將課堂主導權交還給學生，引導學生探究科學原理，完善學生核心素養(yǎng)的教育過程。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，鋁箔。

實驗過程：

（1）教師摩擦塑料棒，使塑料棒（帶電體）帶有負電。

（2）將鋁箔從空中自由釋放。

（3）鋁箔從空中下落，在接觸塑料棒（帶電體）后被排斥，運動狀態(tài)由下落變成上升，最終懸浮在空中（圖7）。

類比摩擦起電實驗，學生不難發(fā)現(xiàn)鋁箔運動狀態(tài)的變化發(fā)生在與帶電體“接觸”時，經(jīng)多次觀察，結(jié)合對已有知識的分析可以得出，鋁箔在“接觸”帶電體后受到力的作用，運動狀態(tài)發(fā)生改變，最終得出結(jié)論——“接觸”這一動作使得鋁箔具有電性。教學過程中結(jié)合實驗，在實驗過程中指向?qū)W生學科核心素養(yǎng)的提高，不僅促進知識同化，也完成了新知識的教學。

2.1.3? ? 感應起電實驗設計

設計理念：

經(jīng)過摩擦起電和接觸起電實驗，兩者都為感應起電的教學提供了感性材料，為貫徹教學統(tǒng)一的邏輯，不妨將其作為感應起電教學內(nèi)容的比較性組織者。教師提出問題“不接觸能否使物體帶電”，該問題與學習接觸起電時的問題遙相呼應，將三者對等串聯(lián)起來，在經(jīng)歷完接觸起電實驗后，學生會對此時提出的問題表示肯定，但又思考不出答案，表現(xiàn)出強烈的期待以及學習心向。在此實驗設計中，實驗現(xiàn)象將與前兩者的實驗現(xiàn)象完全相同，均為“排斥、懸浮”，現(xiàn)象相同可以很好地幫助學生進行知識同化，不同實驗過程將給予學生足夠的認識沖突以提升他們的學習興趣。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，吹泡管（一部分為導體），泡泡液。

實驗過程：

（1）教師通過毛皮摩擦塑料棒，使塑料棒（帶電體）帶有負電。

（2）帶電體靠近吹泡管導體一端，保持靠近的狀態(tài)。

（3）在帶電體靠近導體的狀態(tài)下吹出氣泡（圖8）。

（4）氣泡在空中下落，在帶電體靠近后，發(fā)生“排斥”，運動狀態(tài)改變?yōu)樯仙?，最終“懸浮”在空中（圖9）。

如圖10所示，學生認知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)具有物體被帶電體排斥是由于帶上了同種電荷這一前概念，因此會快速且主動地實現(xiàn)新舊知識之間的聯(lián)系，得出此時氣泡也帶上了與塑料棒同種電性電荷的結(jié)論。同時，學生注意點也會落在本節(jié)課的教學難點——實驗中氣泡是何時以何種形式帶上相同電荷，因此可在感應起電的基礎上增加對比實驗，進行以學生為主的探究實驗。

帶電體在不靠近導體時將氣泡吹出，對比氣泡運動狀態(tài)，可以得出此時氣泡不帶有同種電性。為證明氣泡是否帶電，可將手直接靠近氣泡，通過氣泡是否會向手靠近（靜電具有吸附輕小物質(zhì)的性質(zhì)，力的作用是相互的）來進一步證明。

學生參與實驗，不僅對已有知識進行鞏固，通過分析過程，從不同角度思考問題，都起到培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的作用。綜合上述對比實驗，學生由自身認知結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)接觸起電這一已有知識完成了感應起電部分知識同化，識別出了“靠近”會使得物體帶電這個教學重點。

2.2? ? 掌握物理規(guī)律，現(xiàn)象與本質(zhì)的融會貫通

多個實驗層層遞進，前一階段舊知識均是后一階段新知識的先行組織者，體現(xiàn)出強關聯(lián)性，相互之間又具有帶電方式不同的明顯可辨別性。經(jīng)過多次實驗的強化后，將學生的興趣水平提高至了因果興趣［4］。具有因果興趣的學生觀察到某種物理現(xiàn)象時，會迫切想要了解這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；當原因被知曉后，學生又會渴望了解物理現(xiàn)象發(fā)展的后續(xù)，從而對事物的因果關系顯示出極強的興趣，此時學生的求知心向?qū)⒎浅娏?，結(jié)合先行組織者策略，如圖11所示，此時可將新學習的三種起電方式進行融會貫通，攻克教學難點。

在義務教育階段，學生具有“摩擦起電是由于原子核束縛電荷能力不同導致的”這一前概念，因此兩個物體相互摩擦過程中，束縛能力強的會得到電子，束縛能力弱的將失去電子。由于自然界中物體一直在進行電荷交換，電荷數(shù)處于一個動態(tài)平衡。從這一已有知識出發(fā)將不利于中學階段學生獲得守恒思想，因此筆者將過程理想化，人為固定了物體所含有的電荷數(shù)量，將物體內(nèi)部的電荷運動過程在實驗中進行圖示（圖11），以此促進學生對知識的有意義建構(gòu)，讓學生體會到電荷并不是從無到有，而是在物體之間或者物體內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而打破原有平衡，最終對外顯現(xiàn)電性，以此來建構(gòu)學生的守恒觀念。教師可通過圖示來引導學生完成另外兩種起電方式從感性認識到理性認識的過渡，實現(xiàn)學生思維邏輯的自洽，得到起電實質(zhì)是由于電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移這一結(jié)論。

具有邏輯主線的教學方法，可以激發(fā)學生的理論興趣，幫助他們更好地理解和掌握物理規(guī)律。理論興趣是學生學習物理的最高興趣水平，學生不滿足于局部物理現(xiàn)象的因果關系，而是對某一類物理現(xiàn)象的物理規(guī)律更加有探索的欲望［4］，學生完成前、后實驗的自洽，在心理上得到滿足，此時需要教師提供一定的引導，如思考“電荷總數(shù)在轉(zhuǎn)移過程中的變化情況”，學生可快速完成余下的教學重點突破，即“電荷守恒定律”守恒觀念的建立。

3? ? 結(jié)論與建議

如何調(diào)動學生已有知識，提高學習積極性一直是研究者們關心的問題。在新課改背景下，教學與實驗應該學用一體、知行合一，使學生能在拓展性學習中強化創(chuàng)新意識、科學精神、社會責任等物理素養(yǎng)［7］。學生并非一無所知地進入教室，他們在日常生活和以往的學習中積累了豐富的經(jīng)驗。教師可引導學生運用課程中形成的物理觀念和科學思維去分析和解決生活中的問題，進一步增強實踐意識，養(yǎng)成科學態(tài)度。這樣不僅能鍛煉學生的獨立思考能力，還能讓他們在實踐中理解和掌握物理知識，從而提高他們的探究能力和創(chuàng)新能力?？偟膩碚f，理論興趣的培養(yǎng)和高中物理課程的教授是相輔相成的。

從義務教育開始，學生基本形成了一定的物理觀念、科學思維和科學探究能力；高中階段，在物理觀念的學習過程中，我們對學生的科學思維和科學探究能力等提出更高的要求，即對物理概念、規(guī)律等具有更深刻的邏輯關系認識。在高中的教學設計和實施中，可以結(jié)合有意義學習理論，實行先行組織者策略，強調(diào)如何從學生已有知識出發(fā)，激發(fā)學生的學習欲望，同時將知識進行串聯(lián)，形成鮮明的前后邏輯關系，這對于培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)和邏輯思維能力具有重要的指導意義。

參考文獻：

［1］王強.邏輯思維鏈在物理概念建立過程中的應用——一次師范生講課比賽后的反思［J］.物理教學，2021，43（7）：16-18.

［2］田望璇，邢紅軍.建構(gòu)邏輯主線? 彰顯教學本質(zhì)——以“電荷及其守恒定律”為例［J］.中學物理教學參考，2018，47（15）：10-12.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］梁樹森.物理學習論［M］.南寧：廣西教育出版社，1996.

［5］奧蘇伯爾，諾瓦克，黑伊西.教育心理學——認知觀點［M］.余星南，宋鈞，譯.北京：人民教育出版社，1994.

［6］王惠來.奧蘇伯爾的有意義學習理論對教學的指導意義［J］.天津師范大學學報：社會科學版，2011（2）：67-70.

［7］吳新.基于新課改的高中物理教學模式優(yōu)化研究［J］.廣西物理，2022，43（4）：159-161.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2024-04-03

基金項目：2021重慶市教育科學“十四五”規(guī)劃重點項目“基于‘STEAM+理念的青少年人工智能教育教學案例研究”（2021-GX-013）；2022重慶市高等教育教學改革研究項目“構(gòu)建‘STEAM+特色的人工智能課程體系研究”（223145）；2022重慶市研究生教育教學改革研究項目“面向新時代創(chuàng)新能力提升的物理學研究生教學改革實踐”（yjg223075）；2023重慶市研究生教育“課程思政”示范項目“物理課程與教學論”（YKCSZ23102）。

作者簡介：洪志浩（1993-），男，碩士研究生，主要從事物理學科教學論研究。

*通信作者：楊英（1978-），女，教授，主要從事物理學科教學論研究。