基于認知建模理論的“浮力—深度”觀念教學實踐研究

胡先濤

摘? ?要：物理概念從學科知識角度強調對本質屬性的概括和抽象，物理觀念從人的認知角度強調人的個體主觀感悟。從概念教學轉化為觀念教學，認知建模理論給出了一個有效選擇。在簡述認知建模理論的基礎上，以“浮力與深度”的核心片段教學為例進行了實證。實踐證明，運用建模教學，可以有效促進心智模型向科學概念模型的深度轉變，內化物理觀念。

關鍵詞：物理觀念;認知建模;建模教學;浮力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）3-0031-3

有研究表明，學生經過初中浮力知識的學習后，并不能有效轉化和積淀為物理觀念而持續(xù)保持[1]，就像學生關于力的前概念在教學后并未得到有效轉變一樣。這是因為在概念教學中，往往非常注重對客觀事物的共同特征和本質屬性的概括和抽象，強調科學知識的屬性，而很少關注學生原有觀念的影響和個人對知識的主觀理解。為解決這個問題，David Hestenes提出了認知建模理論，引起廣泛的關注，并被證明是一種優(yōu)于傳統(tǒng)教學的教學理論[2-3]。本文介紹了認知建模理論，并結合教學實踐，對物理觀念的教學進行了探討。

1? ? 認知建模理論簡介

亞利桑那州立大學理論物理學家David Hestenes創(chuàng)立的認知建模理論認為，個人知識是主觀的，科學概念模型是客觀的，學生的個體心智模型在建立、檢驗與完善、應用三個不斷循環(huán)的核心階段中，能夠被激發(fā)并發(fā)展成科學概念模型，強調“思維的個體建構”[2]。郭玉英教授團隊在研究科學建模能力時也指出，學生的個體心智模型是基于原有認識，在觀察、分析物理現(xiàn)象后初步形成的，再通過推理、論證等復雜的認知行為對心智模型進行修正，并最終形成概念模型，是一種主動的內在心智行為能力[4]。他們都從認知的角度強調把學科知識轉化為學生個人的認知，促進學生認知結構的同化，內化為學生個人的物理觀念。

2? ? “浮力—深度”觀念教學模式

建模教學是一種探究式教學模式[3]，科學建模能力不僅體現(xiàn)為一種內隱的心智行為能力，而且也是一種外顯的科學探究能力[4]。認知建模教學的核心在于幫助學生進行科學認知結構的建構。借助一明一暗的兩條主線：明線是利用科學探究促進學生習得學科知識;暗線是將學生的心智模型外顯并轉化為科學概念模型，不斷把心智模型往更高、更科學的層次推動，使得從“概念”向“觀念”的轉變得以實現(xiàn)。

本文參考科學探究的要素，以及Hestenes認知建模理論的三個核心階段，結合長期教學實踐，依據(jù)心智模型的發(fā)展過程，采用“整合”思想，提出“浮力—深度”觀念教學模式，如圖1所示。

3? ? “浮力—深度”觀念教學實踐案例

在認知建模理論的指導下，筆者對《認識浮力》這節(jié)課進行了多次課堂實踐，探索了浮力概念向浮力觀念轉變的幾點實踐，并對“浮力—深度”觀念教學模式進行具體解讀。

3.1? ? 創(chuàng)新實驗情境，激發(fā)典型心智模型

心智模型是指人在決策過程中的傾向性以及人們所表現(xiàn)出來的某些技能。學生在與環(huán)境的相互作用中，會在頭腦中形成自己對世界的一種理解，并以此來理解客觀世界，這種理解就是學生的初始心智模型。例如，持有“浮力大小與深度有關”觀念的初中生占20%，高中生占33%，大學生占近50%;持有“浮力大小與物體體積有關”觀念的初中生占80.39%，高中生占52%，大學生占近52.09%。這說明學生前觀念對浮力的學習有較大干擾，且在教學中難以有效轉化。因此，選擇“浮力與深度關系”作為學生的初始心智模型，是對學生充分分析的結果，同時它還可以作為認知結構中的固定點成為后續(xù)教學展開的基礎。

核心片段教學1：

師：進行實驗演示，請同學們觀察，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向上的力。

師：這個力可以測量嗎？請大家討論一下，并用桌上的彈簧測力計想辦法測量一下。

生：略（匯報測量過程與結果）。

師：演示手托住圓柱筒使測力計示數(shù)減小，總結浮力的定義。

師：同學們剛才所測量的圓柱筒所受的浮力大小不一樣，你認為浮力大小與什么因素有關？

生：與深度有關，深度越深，浮力越大。

在這個活動中，通過創(chuàng)設具體的實驗情境，觀察、描述發(fā)生的現(xiàn)象，分析出導致快慢不同的原因，引出浮力定義和測量方法，實現(xiàn)從現(xiàn)象的定性觀察到物理量的定量測量，為后面的實驗探究鋪墊操作技能。同時，這個實驗情境還為學生提出問題和猜想假設提供了真實的感性認知。

3.2? ? 制造認知沖突，發(fā)展學生心智模型

學生心智模型的發(fā)展，是一個個人與外部環(huán)境相互作用的過程，必須經歷推理、論證等一系列的內在認知行為來對心智模型進行驗證、修正和完善。學生在生活過程中會形成自己關于自我、自己的行為以及環(huán)境方面的觀念。當這些觀念出現(xiàn)“非配合性”時，就會產生認知不協(xié)調，這種不協(xié)調會產生心理壓力，使個人改變原有的觀念。

3.2.1? ? 實驗記錄，獲取證據(jù)

學生親身經歷科學探究活動，通過實際測量獲取數(shù)據(jù)來制造認知沖突，從而不斷修正自己的心智模型。

核心片段教學2：

師：請同學們按設計的實驗方案結合導學案的指導進行實驗。

生：進行實驗并把數(shù)據(jù)記錄在表格1中。

學生的前觀念通常是樸素而頑固的。為此，教學中要給予學生足夠的時間親自動手測量和記錄數(shù)據(jù)，為創(chuàng)設認知沖突提供事實支撐。

3.2.2? ? 多種方式表征，外顯模型的修正

解釋和論證是科學探究的核心。在分析論證中，將實驗數(shù)據(jù)用列表、個人語言、圖像三種方式進行表征，促使學生進行深度思考，外顯學生心智模型的修正過程。

核心片段教學3：

生：浸沒前，浮力增大;浸沒后，浮力不變。

這個活動是對學生的初始心智模型進行檢驗和修正的關鍵活動。教學中給予學生足夠的時間進行描點繪圖、分析概括和思考討論。實踐表明，絕大部分學生對深度的影響進行了重新評價和修正，一致認為：在浸沒前，浮力與深度有關;浸沒后，浮力與深度無關。

3.2.3? ? 發(fā)現(xiàn)建構，完善模型

學生的心智模型發(fā)展到科學概念模型需要經歷一系列的認知活動。當學生不能自己進一步探索新知時，教師應該提出問題，創(chuàng)設情境進行啟發(fā)，引導學生去發(fā)現(xiàn)，激發(fā)學生學習的動機。

核心片段教學4：

師：我們從上面的實驗現(xiàn)象中可以找出一個新的物理量替代深度來描述對浮力的影響嗎？（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：同學們都觀察到水面升高的現(xiàn)象，水面為什么升高呢？請同學們進行小組討論。

生1：物體浸入的那部分體積。

生2：被物體排開的液體的體積。

學生只是部分修正了自己的原有心智模型，因此必須設計活動對學生進行適當引導，并且有適量的提示，讓學生特意觀察和討論分析“水面升高”這個關鍵現(xiàn)象，從而找到是物體浸入的那部分體積導致水面升高，建構起被物體排開的液體的體積的觀念，實現(xiàn)對深度原有觀念的替代。

3.3? ? 學生科學心智模型應用

當學生的心智模型發(fā)展為科學概念模型之后，就可以用現(xiàn)有的心智模型去認識客觀事物和解決實踐中的一些問題，從而對科學概念模型有更深層次的修正、完善，加深對客觀世界的理解。

在應用控制變量法進行科學探究時，有些因素在學生的認知結構中不是位于同一層次的。在探究浮力大小與被物體排開的液體的體積的關系時，是不能控制浸入的深度保持不變的。只有在明確深度對浮力大小沒有影響后，并以此作為認知結構中同化的固定點，再進行浮力大小與被物體排開的液體的體積的關系探究，更貼近學生的認知發(fā)展規(guī)律和控制變量法的本質。

教學實踐表明，學生對浮力與深度的科學觀念掌握得非常牢固，并能持續(xù)保持。學生經歷自己個人的“思維的個體建構”，即初始心智模型的激發(fā)、發(fā)展和科學概念化，就能實現(xiàn)“浮力與深度”從概念到觀念的轉化，從而根植于大腦當中。

參考文獻：

[1]易其順.關于青少年浮力觀念發(fā)展的調查研究[J].中學物理教學參考，2016，45（19）：43-47.

[2]Colleen Megowan-Romanowicz，許佳清.物理建模教學模式簡介[J].物理教師，2011，32（8）：1-3.

[3]張靜，郭玉英.物理建模教學的理論與實踐簡介[J].大學物理，2013，32（2）：25-30.

[4]翟小銘，郭玉英.科學建模能力評述：內涵、模型及測評[J].教育學報，2015，11（6）：75-82，106.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）