基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的問題加工方式探討 ①
——以“滑輪”教學(xué)為例

王 力

(江蘇省南通市北城中學(xué),江蘇 南通 226011)

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階簡(jiǎn)介

2007年美國(guó)國(guó)家教育委員會(huì)(NRC)給出了學(xué)習(xí)進(jìn)階的定義：描述學(xué)生在一定時(shí)間跨度內(nèi),對(duì)于某一主題,依次進(jìn)階、逐步熟練和深化的思維方式,這種思維方式能在主題學(xué)習(xí)和探究過程中得到連續(xù)發(fā)展。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為學(xué)生的思維發(fā)展過程具有進(jìn)階的特點(diǎn),學(xué)生的學(xué)習(xí)過程就是思維發(fā)展從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的連續(xù)發(fā)展過程。[1]

2 物理問題的加工方式

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

在經(jīng)典物理學(xué)研究中的問題解決通常是由實(shí)驗(yàn)到規(guī)律,進(jìn)而建構(gòu)整個(gè)理論體系,如熱學(xué)、經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)的發(fā)展,屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工。[2]數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是研究者先收集大量的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析,從而揭示事物的本質(zhì)屬性和規(guī)律。對(duì)應(yīng)的認(rèn)知方式是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工方式,以研究中生成的數(shù)據(jù)為加工對(duì)象,并使加工的信息滿足科學(xué)現(xiàn)象。[3]

2.2 概念驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)代物理學(xué)研究中的問題解決通常是以理論模型為起點(diǎn),然后回到實(shí)驗(yàn),利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性,如相對(duì)論、量子力學(xué)的建立,應(yīng)用了概念驅(qū)動(dòng)的加工方式。[2]概念驅(qū)動(dòng)是研究者先提出假設(shè)性的理論,建立理論模型后進(jìn)行推演、預(yù)見,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)來驗(yàn)證理論。對(duì)應(yīng)的認(rèn)知加工方式是概念驅(qū)動(dòng)的加工方式,以已有理論與事實(shí)經(jīng)驗(yàn)之間的矛盾等作為研究的起點(diǎn),以理論分析時(shí)產(chǎn)生的問題為加工對(duì)象,使加工的信息滿足科學(xué)理論。[3]

3 基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的問題加工方式

在“滑輪”一節(jié)的教學(xué)中，需要探究的問題為滑輪的種類、定(動(dòng))滑輪的特點(diǎn)及其實(shí)質(zhì)，教學(xué)設(shè)計(jì)主要有以下兩種。

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)一

活動(dòng)1：生活中的滑輪有哪些應(yīng)用？請(qǐng)你對(duì)它們進(jìn)行分類。

活動(dòng)2：探究使用定滑輪和動(dòng)滑輪的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)一：探究定滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)

(1) 組裝定滑輪,豎直向下拉彈簧測(cè)力計(jì),使鉤碼勻速上升,讀出拉力F。

(2) 改變鉤碼的個(gè)數(shù),重復(fù)實(shí)驗(yàn),把測(cè)得的數(shù)據(jù)填入表1。

表1

實(shí)驗(yàn)二：探究動(dòng)滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)

(1) 組裝動(dòng)滑輪,豎直向上拉彈簧測(cè)力計(jì)使鉤碼勻速上升,讀出拉力F。

(2) 改變鉤碼的個(gè)數(shù),重復(fù)實(shí)驗(yàn),把測(cè)得的數(shù)據(jù)填入自主設(shè)計(jì)的表格中。

活動(dòng)3：閱讀教材，總結(jié)定滑輪、動(dòng)滑輪的優(yōu)缺點(diǎn)及其實(shí)質(zhì)。

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)二

活動(dòng)1：初識(shí)滑輪。

(1) 觀察滑輪,說出它的特征，它在生活中有哪些應(yīng)用？

(2) 模擬提水過程,使用一個(gè)滑輪把重物提升到高處，你有幾種不同的方法？對(duì)滑輪進(jìn)行分類。

活動(dòng)2：再認(rèn)滑輪。

提水時(shí)滑輪能替代杠桿，避免了杠桿的缺點(diǎn),它們有什么聯(lián)系？

活動(dòng)3：重識(shí)滑輪。

出示如圖1所示的自制木質(zhì)滑輪,滑輪分上、中、下三部分,用木質(zhì)插銷相連。演示滑輪的實(shí)質(zhì)時(shí),取下滑輪的上、下兩部分,變形后的滑輪(杠桿)仍能工作。找出杠桿五要素,認(rèn)清滑輪的本質(zhì),分析滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。

圖1

活動(dòng)4：四認(rèn)滑輪。

驗(yàn)證定(動(dòng))滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)：(1) 根據(jù)表2,以小組為單位，完成實(shí)驗(yàn)，展示匯報(bào)。(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值有什么差別？分析原因，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以說明，并完善結(jié)論。

表2

3.3 兩種教學(xué)設(shè)計(jì)的比較

以上兩種教學(xué)設(shè)計(jì)都能達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，但是設(shè)計(jì)的理念不同,圍繞核心概念建立的具體操作過程存在差異,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的程度大相徑庭。

教學(xué)設(shè)計(jì)一在科學(xué)探究環(huán)節(jié)中,教師通過預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)步驟,讓學(xué)生按要求動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，并完成數(shù)據(jù)的記錄,通過分析、討論,從記錄的數(shù)據(jù)中歸納出規(guī)律性結(jié)論,再通過閱讀書本內(nèi)容進(jìn)一步深入理解結(jié)論。其科學(xué)探究的起點(diǎn)是觀察,先采集、分析數(shù)據(jù)，后得出結(jié)論,屬于自下而上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工。這樣的設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)緊扣,降低了探究的臺(tái)階,學(xué)生接受了“一站式”服務(wù),在學(xué)習(xí)上得以快速進(jìn)階,習(xí)得新知。但在學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生的思維的“一馬平川”，經(jīng)歷的是“復(fù)制”“粘貼”式的探究過程,看似順利突破了重難點(diǎn),實(shí)則只是暫時(shí)繞開了學(xué)習(xí)中的障礙,學(xué)生的學(xué)習(xí)能力并沒有得到提升。

教學(xué)設(shè)計(jì)二與教學(xué)設(shè)計(jì)一在教學(xué)組織的邏輯結(jié)構(gòu)上相反,在簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)滑輪之后,利用自制教具,組織學(xué)生運(yùn)用杠桿的知識(shí)來解構(gòu)滑輪,對(duì)滑輪的工作特點(diǎn)進(jìn)行理論剖析,總結(jié)定(動(dòng))滑輪工作時(shí)的特點(diǎn)。最后通過實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)各小組做出科學(xué)性評(píng)價(jià),進(jìn)一步完善結(jié)論。

教學(xué)設(shè)計(jì)二中科學(xué)探究的起點(diǎn)是分析產(chǎn)生的問題,在流程上是先有結(jié)論，然后再結(jié)合數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證、完善結(jié)論,屬于自上而下的概念驅(qū)動(dòng)的加工。通過“四認(rèn)”滑輪,使邏輯思維、直覺思維、形象思維協(xié)同合作,使學(xué)生的能力螺旋上升?！耙徽J(rèn)”滑輪是生活場(chǎng)景的重現(xiàn),它幫助學(xué)生初步認(rèn)識(shí)滑輪并進(jìn)行分類。該過程僅需根據(jù)記憶或簡(jiǎn)單的理解就可以完成,屬于較低層次的能力要求；“二認(rèn)”滑輪,實(shí)質(zhì)上是對(duì)滑輪的初步解構(gòu),學(xué)生需要利用形象思維,根據(jù)兩種簡(jiǎn)單機(jī)械的構(gòu)造,找出靜態(tài)滑輪和杠桿在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系,此過程是記憶的知識(shí)配合簡(jiǎn)單理解完成的,在能力要求上有所提高；“三認(rèn)”滑輪,此時(shí)學(xué)生不能僅憑記憶和簡(jiǎn)單理解去完成動(dòng)態(tài)滑輪的解構(gòu),必須在直覺思維的介入下,找到更多信息,將多個(gè)孤立事實(shí)(如靜態(tài)滑輪、工作時(shí)動(dòng)態(tài)的滑輪、杠桿的五要素以及杠桿平衡條件)進(jìn)行整合，最終總結(jié)出理想情況下滑輪工作時(shí)的特點(diǎn),能力要求屬于較高層次；“四認(rèn)”滑輪是基于實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善理論模型,讓學(xué)生經(jīng)歷批判性思維過程,體會(huì)科學(xué)探究中證據(jù)、邏輯的重要性。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用概念驅(qū)動(dòng)的加工方式,使學(xué)生在學(xué)習(xí)中的思維連續(xù)且不斷向精致化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與能力的升華與躍進(jìn)。

4 引發(fā)的思考

從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工到概念驅(qū)動(dòng)的加工,物理問題的解決方式發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變。目前初中物理教學(xué)中問題解決的方式多為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工,“數(shù)據(jù)”既是學(xué)生思維的“支點(diǎn)”,也成了解決問題的重要“提示”。從認(rèn)知發(fā)展的角度看,數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的處理主要對(duì)應(yīng)于具體運(yùn)算水平,需要具體事物和能觀察到的實(shí)際現(xiàn)象的支持,如果問題足夠具體,學(xué)生可以完成復(fù)雜的運(yùn)算,因此數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工對(duì)應(yīng)較低水平的認(rèn)知能力。

如何在初中階段使學(xué)生的能力得到進(jìn)階？改變物理學(xué)習(xí)中“只會(huì)做題”“不會(huì)思考”的現(xiàn)狀？筆者認(rèn)為,利用概念驅(qū)動(dòng)加工方式解決物理問題是重要的途徑。

(1) 概念驅(qū)動(dòng)的加工符合形式運(yùn)算特點(diǎn)

初中生的思維已經(jīng)能夠擺脫具體事物、過程的影響,將現(xiàn)實(shí)性和可能性區(qū)分開,能夠以假說或理論為前提,進(jìn)行假設(shè)推演,得到符合邏輯的結(jié)論,并用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)假設(shè),進(jìn)而解釋現(xiàn)象或提出新的假設(shè)。與此同時(shí),達(dá)到形式運(yùn)算水平的學(xué)生,還能夠進(jìn)行反思,分析、尋找思維過程或結(jié)論中的矛盾,發(fā)現(xiàn)理論的局限性,從而進(jìn)行完善。顯而易見,概念驅(qū)動(dòng)的加工方式是符合形式運(yùn)算特點(diǎn)的一種較高水平的認(rèn)知方式。

(2) 概念驅(qū)動(dòng)的加工可以深化形象思維的運(yùn)用

概念驅(qū)動(dòng)的加工首先需要研究者先提出假設(shè),建立新的理論模型。在原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上重新整合與加工,創(chuàng)造出新概念、新理論。它既可以是已知的知識(shí)經(jīng)過加工和物理現(xiàn)象相結(jié)合產(chǎn)生的新形象,也可以是幾個(gè)毫不相干的事物聯(lián)系在一起形成的新事物,在此過程中形象思維通常以想象的形式出現(xiàn)。

(3) 概念驅(qū)動(dòng)的加工可以加強(qiáng)直覺思維的運(yùn)用

理論分析時(shí)產(chǎn)生的問題是概念驅(qū)動(dòng)加工的對(duì)象,它只暴露出事實(shí)的部分特征,很難做出邏輯性的判斷,只能根據(jù)已知的理論或現(xiàn)象,利用類比、猜想和非邏輯的方法進(jìn)行啟發(fā)式的領(lǐng)悟。信息的提取和加工具有跳躍性等特點(diǎn),這就要求直覺思維的參與,跳過個(gè)別細(xì)節(jié),從整體上去認(rèn)清事物的本質(zhì)。

(4) 概念驅(qū)動(dòng)的加工可以推進(jìn)理想化方法的應(yīng)用

理想化方法作為物理問題研究的常用方法,在概念驅(qū)動(dòng)的加工中也是普遍使用的。通過建立理想化模型,抽象經(jīng)驗(yàn)事實(shí),提取理想化客體,通過想象、利用直覺思維和邏輯思維進(jìn)行理想化實(shí)驗(yàn),最終找出事物最本質(zhì)的屬性。

在初中物理教學(xué)中,我們不僅要認(rèn)識(shí)這種基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的概念驅(qū)動(dòng)的加工方式,更要讓它在課堂中落地生根,促進(jìn)學(xué)生能力的提升。