運(yùn)用情境支架教學(xué)促進(jìn)學(xué)生物理概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階

摘 要：促進(jìn)學(xué)生深化理解物理概念的教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，學(xué)生概念進(jìn)階的思維路徑并不唯一，各路徑的迷思與凌亂區(qū)間情況不同，教師的教學(xué)應(yīng)當(dāng)選擇多數(shù)學(xué)生的迷思或凌亂路徑，針對性地創(chuàng)設(shè)情境支架，通過情境支架揭示概念本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階.

關(guān)鍵詞：概念教學(xué);學(xué)習(xí)進(jìn)階;情境支架;凌亂區(qū)間;踏腳板

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0033-04

基金項(xiàng)目：江蘇省十三·五教育立項(xiàng)課題“‘互聯(lián)網(wǎng)+背景下初中物理情境體驗(yàn)式教學(xué)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：C-c/2016/02/67）.

作者簡介：

薛鈺康（1963-），男，江蘇蘇州人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：教材研究、課堂教學(xué)、物理實(shí)驗(yàn)、物理科學(xué)方法教育.

物理學(xué)是研究物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)，物理學(xué)的理論體系由物理概念和規(guī)律組成，物理規(guī)律則表達(dá)了物理概念間的相互關(guān)系.實(shí)踐表明，學(xué)生在物理學(xué)習(xí)上出現(xiàn)的問題與困難大多源自于對物理概念理解的不清晰，學(xué)生由于對概念理解不透、混淆不清，就難以真正理解公式、定律的內(nèi)在聯(lián)系和深刻含義，因此，學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)便極為困難，極易出現(xiàn)錯(cuò)誤.基于上述分析，教師對于物理概念的教學(xué)便顯得極為重要，也可以這樣說，概念教學(xué)是物理教學(xué)最重要的部分.

現(xiàn)代認(rèn)知建構(gòu)理論表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不是海綿“吸水”的過程，而是類似于房屋“建造”的過程，是在學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成新知的建構(gòu).奧蘇泊爾說“如果我不得不把教育心理學(xué)的所有內(nèi)容簡約成一條原理的話，我會說：影響學(xué)習(xí)最重要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容.弄清楚這一點(diǎn)后，進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)”.這里學(xué)生“已知的內(nèi)容”相當(dāng)于教育學(xué)中通常所說的前概念或前知識，教師在物理課堂開展概念教學(xué)就是幫助學(xué)生對前概念知識進(jìn)行轉(zhuǎn)化、建構(gòu)達(dá)成現(xiàn)在學(xué)習(xí)新概念知識的過程，這就是學(xué)習(xí)進(jìn)階的過程.

1 關(guān)于學(xué)習(xí)進(jìn)階的路徑

學(xué)習(xí)進(jìn)階（learning progressions，簡稱LPs）也稱學(xué)習(xí)進(jìn)程，美國國家教育委員會（NRC）的報(bào)告《將科學(xué)帶入校園》（Taking Science to School）中給出的定義是：學(xué)習(xí)進(jìn)階描述學(xué)生對于某個(gè)主題連續(xù)的、更加熟練的思考方式，這些思考方式能隨著學(xué)生對這個(gè)主題的學(xué)習(xí)和探究依次連續(xù)發(fā)展.因此，學(xué)習(xí)進(jìn)階并非簡單地指學(xué)生是否獲得某個(gè)知識，而是指學(xué)生全部學(xué)習(xí)過程，這里的“階”代表學(xué)生不同的思考方式，或者說是學(xué)生不同的思維路徑.這類似于理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）對量子力學(xué)路徑積分的描述，粒子從初始時(shí)間的位置A到終點(diǎn)時(shí)間的位置B間的路徑有多條，如圖1所示，其概率用波函數(shù)的平方來反映，最終從A到B由所有路徑的和或泛函積分而得到的量子幅來取代經(jīng)典力學(xué)的單一路徑.人的思維路徑是否也是量子化？也許可能.但學(xué)生多路徑的思考方式確實(shí)在實(shí)際教學(xué)事件中得到反映，學(xué)生在面對同一個(gè)問題時(shí)，其表現(xiàn)出解決問題的思考、表達(dá)方式均有差異，特別是當(dāng)學(xué)生面對陌生的、比較有難度的問題或內(nèi)容更是如此.對我們每一個(gè)個(gè)體而言，在解決問題的過程中思維運(yùn)動(dòng)的過程也是多樣、復(fù)雜變化的，最終指向歸一.

學(xué)習(xí)進(jìn)階的進(jìn)“階”有多種描述方式，以概念進(jìn)階為例，有專家提出可以分為：同一階段不同概念間的進(jìn)階;不同階段相同概念的進(jìn)階.借用Alicia C.Alonzo與翟小銘在《學(xué)習(xí)進(jìn)階：描述學(xué)生思維發(fā)展的有效方式》一文中的“高錨點(diǎn)”與“低錨點(diǎn)”來描述進(jìn)階則比較方便，其中“高錨點(diǎn)”代表教師期望學(xué)生學(xué)習(xí)達(dá)到的理解水平，“低錨點(diǎn)”代表學(xué)生進(jìn)入課堂時(shí)所達(dá)到的理解水平.那么，學(xué)習(xí)進(jìn)階就是發(fā)生在學(xué)生“低錨點(diǎn)”與“高錨點(diǎn)”之間不同的思考方式.教師的教學(xué)過程應(yīng)該發(fā)生在“低錨點(diǎn)”與“高錨點(diǎn)”之間.由于它們之間的進(jìn)階存在許多路徑，不同路徑之間存在差異，分別有迷思的、有錯(cuò)誤的等各種不同的凌亂區(qū)間，教師要從所教的對象即學(xué)生的實(shí)際境脈出發(fā)，對路徑有選擇性地進(jìn)行突破，以幫助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)進(jìn)階.以上便是教師的教學(xué)任務(wù)，這不是積分，而是選擇.Alicia C.Alonzo與翟小銘在《學(xué)習(xí)進(jìn)階：描述學(xué)生思維發(fā)展的有效方式》一文中同樣指出：更重要的是，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論通常會關(guān)注學(xué)生的“錯(cuò)誤思考”，因?yàn)橛袝r(shí)這更能有效地刻畫學(xué)生在特定層級的思考方式.因此，尤其是在“凌亂區(qū)間”，學(xué)習(xí)進(jìn)階重點(diǎn)在于描述從學(xué)生視角來看有意義的特征.

2 情境支架促進(jìn)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階

學(xué)習(xí)進(jìn)階的發(fā)現(xiàn)一方面使教師關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思維方式、思維路徑，另一方面還使教師認(rèn)識到路徑中的“凌亂區(qū)間”，它對課堂教學(xué)具有極大的潛在價(jià)值，它能為教師描繪出學(xué)生思維發(fā)展更清晰的圖景，從而有助于教師選擇最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生的思維從凌亂區(qū)間中突圍的教學(xué)方式，從而幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)進(jìn)階到學(xué)習(xí)的“高錨點(diǎn)”.

不同學(xué)生思維路徑中的“凌亂區(qū)間”可能不盡相同，原因與學(xué)生對同一學(xué)習(xí)內(nèi)容所具有的原有“已知內(nèi)容”不同有關(guān)，這就是“階”，也是教學(xué)進(jìn)階的“踏腳板”.有專家指出：“一個(gè)給定學(xué)習(xí)進(jìn)階的‘階通常會同時(shí)包含學(xué)生習(xí)得的知識內(nèi)容和一些非科學(xué)的概念.”因此，奧蘇泊爾強(qiáng)調(diào)教師要關(guān)注學(xué)生“已知的內(nèi)容”，基于學(xué)生認(rèn)知建構(gòu)的概念轉(zhuǎn)變來看，“凌亂區(qū)間”中很重要的一種情況是學(xué)生的“迷思概念”，迷思概念是指“學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念之前即具有的直覺知識或與正統(tǒng)科學(xué)知識不符的概念”.

迷思概念是學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階過程中的最大困擾，也是學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階必須克服與解決的問題，物理學(xué)科的最大優(yōu)勢在于“以物釋理”，教師通過創(chuàng)設(shè)充分的物理情境支架來助推學(xué)生澄清概念迷思，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階.有專家說“情境是讓抽象、瑣碎的知識對兒童更有意義”，教師教學(xué)設(shè)計(jì)的最大關(guān)注點(diǎn)就是尋“階”與破“階”，對物理教學(xué)設(shè)計(jì)中起到重要作用的工作就是創(chuàng)設(shè)有效的物理情境支架來破“階”.

2.1 事例一：“電阻”概念教學(xué)的實(shí)例

“電阻”是在學(xué)生學(xué)習(xí)“電流”“電壓”概念之后學(xué)習(xí)的電學(xué)概念，什么是電阻？教材給出的解釋為：“電阻是導(dǎo)體對電流的阻礙作用.”學(xué)生僅僅憑這樣一句話理解“電阻”的概念便極其困惑.學(xué)生理解的主要困難在于以下問題：（1）雖然在此前的教學(xué)中，教師用類比法進(jìn)行電流的教學(xué)，但電流很抽象，看不見、摸不著，部分學(xué)生甚至沒有理解電流的概念.（2）電阻如何阻電？（3）電阻是什么“東西”？

從學(xué)習(xí)進(jìn)階的角度分析，本節(jié)課的起點(diǎn)“電流”是學(xué)生的“低錨點(diǎn)”，如圖2所示，“電阻1”是教師應(yīng)當(dāng)在初中物理教學(xué)中向?qū)W生傳授的“高錨點(diǎn)” ，“電阻2”可以看作更高學(xué)習(xí)階段的“高錨點(diǎn)”，可以是高中或大學(xué)教學(xué)的達(dá)成目標(biāo).初中物理教學(xué)學(xué)生思維發(fā)生在“低錨點(diǎn)——電流”與“高錨點(diǎn)——電阻1”之間，不同學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑不同.如圖2所示，教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或錨測可以知道多數(shù)學(xué)生發(fā)生的思維凌亂區(qū)間是“運(yùn)動(dòng)阻礙”，這個(gè)“運(yùn)動(dòng)阻礙”迷思概念就是初中物理“電阻”概念教學(xué)的“階——踏腳板”.學(xué)生此時(shí)并不知道導(dǎo)體內(nèi)部電荷運(yùn)動(dòng)情況，很難理解“運(yùn)動(dòng)阻礙”，教師應(yīng)當(dāng)如何處理？

克服學(xué)生思維迷思的最佳方式是通過實(shí)際情境的呈現(xiàn)，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的同化或順應(yīng).因此，教師可以再次利用“類比”方法設(shè)計(jì)一個(gè)情境支架：用三根相同的、兩端開口的透明塑料管，一根空管，一根裝一些障礙物（如紗布、顆粒物等），第三根障礙物裝更多一些，如圖3所示.然后，教師分別從上端管口注水，但需要注意的是注水水流應(yīng)當(dāng)相同，從而讓學(xué)生觀察下端管口出水水流的情況，為了便于學(xué)生觀察，可以將注入的水染成紅色.從實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以看到下端出水的情況不同，原因是同樣的水在不同的管中受到的阻礙不同，教師進(jìn)而與學(xué)生共同分析類比：“水流”類比“電流”;“水阻”類比“電阻”，幫助學(xué)生建構(gòu)“電阻”概念，實(shí)現(xiàn)“電阻”概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階.

在這里，教師設(shè)計(jì)這個(gè)情境支架的目的在于幫助學(xué)生破“階”，有的放矢地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階，而這最關(guān)鍵的一步是確定大多數(shù)學(xué)生的“階”.

這里還需要說明的一點(diǎn)是，實(shí)際電阻與水阻之間存在本質(zhì)差異，就像電磁波與水波的差異一樣，電阻與導(dǎo)體內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)與碰撞等相互作用有關(guān).因此，學(xué)生通過類比對“電阻”的認(rèn)識在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)時(shí)便會出現(xiàn)“迷思概念”，這就是從“電阻1”到“電阻2”的學(xué)習(xí)進(jìn)階，所以，“迷思概念”不等于“錯(cuò)誤概念”，其發(fā)生與學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)階段有關(guān)，學(xué)習(xí)者對于概念的認(rèn)識與理解不可能一步到位，而是逐步進(jìn)階，人類對自然的總體認(rèn)識也是如此，物理學(xué)從牛頓的絕對時(shí)空觀到愛因斯坦相對論時(shí)空不也是同樣如此嗎？這是對大境界的認(rèn)識進(jìn)階而已.

2.2 事例二：“壓強(qiáng)”概念教學(xué)的實(shí)例

“壓強(qiáng)”是在學(xué)生學(xué)習(xí)“壓力”概念之后，為了比較壓力作用效果而引入的一個(gè)物理量，它在現(xiàn)實(shí)中具有重要意義，可以用來比較不同物體的抗壓程度等等.壓強(qiáng)作為一個(gè)定量物理量的建構(gòu)，教師在實(shí)際教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“探究壓力作用效果”的實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生明確要比較壓力的作用效果可以通過“相同壓力情況下比較受力面積的大小”或“相同受力面積的情況下比較壓力的大小”的方法，但是不明確為何引入壓力F與受力面積S的比值來表示.

如圖4所示，學(xué)生知識的起點(diǎn)“壓力”是“低錨點(diǎn)”，“壓強(qiáng)1”是教師需要在初中物理教學(xué)中幫助學(xué)生達(dá)到的“高錨點(diǎn)”，學(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)生在“低錨點(diǎn)——壓力”與“高錨點(diǎn)——壓強(qiáng)1”之間.學(xué)生的多重思維方式構(gòu)成學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，根據(jù)對學(xué)生的了解，可以知道大多數(shù)學(xué)生對于路徑4存在概念迷思，迷思點(diǎn)就在“相同受力面積”“相同壓力”兩種情況之外，“不同受力面積，不同壓力”如何比較？針對初中學(xué)生的年齡特點(diǎn)所具備的認(rèn)知情況而言，這便是“比值定義法”的“階”或者是“踏腳板”.該如何進(jìn)行突破？

通過創(chuàng)設(shè)“問題解決”情境支架.

情境1：兩個(gè)邊長分別為2cm、5cm的橡皮泥正方體，放在水平桌面上，要如何比較它們所產(chǎn)生的壓力作用效果大??？

解決方案：學(xué)生通過實(shí)際操作，提出通過切割的方法，使其受力面積或壓力相同，可以比較出二者大小關(guān)系.

情境2：一頭大象站在水平地面上，大象重6×104N，每只腳底的面積是600cm2;芭蕾舞演員重475N，一腳點(diǎn)地，腳尖與地面接觸面積是9.5cm2.如圖5所示，試比較大象和芭蕾舞演員對地面壓力作用效果的大小關(guān)系？

這個(gè)問題就是針對上述操作性方案所設(shè)計(jì)，在無法操作解決問題時(shí)怎么辦？學(xué)生可以通過遷移“速度”概念建構(gòu)時(shí)所采用的方法來解決問題，因此，取“大象”與“芭蕾舞演員”對地面“1cm2”上的壓力比較，從而比較它們的大小關(guān)系.

學(xué)生再通過討論，對比兩個(gè)問題的解決方案共同點(diǎn)與發(fā)展性特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)二者都使用到取相同面積，即把壓力F給予在S上分?jǐn)偟姆椒?，這是數(shù)學(xué)上求“壓力F與受力面積S的比值”，從而在物理學(xué)引入一個(gè)新的物理量“壓強(qiáng)”.當(dāng)然，在這個(gè)過程中，教師還可以激發(fā)學(xué)生思考：能否用“受力面積S與壓力F的比值”來比較？而教師對于這個(gè)問題的解決應(yīng)該給予學(xué)生解釋說明.

教師通過解決學(xué)生思維方式中的最重要、大多數(shù)的迷思問題“不同F(xiàn)、不同S”，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從“壓力”到“壓強(qiáng)”的學(xué)習(xí)進(jìn)階，也幫助學(xué)生進(jìn)一步理解物理學(xué)上常用“比值定義法”的原理，對學(xué)生后續(xù)類似概念的學(xué)習(xí)有很好的促進(jìn)作用，也提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.

3 教學(xué)實(shí)踐的啟示

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論充分詮釋學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程，至于學(xué)生認(rèn)知思維的過程是否是“量子化”？我們并不知道，各種文獻(xiàn)提供的學(xué)習(xí)進(jìn)階除了對學(xué)生“迷思概念”“凌亂區(qū)間”提出“問題檢測”的預(yù)測之外，沒有看到更多定量的路徑量化數(shù)據(jù)，這也不是本文討論的主題.但是，量子路徑積分思想對思維共生激發(fā)具有重要影響意義.

以上是筆者對初中物理概念教學(xué)實(shí)例所做的研究分析，具有一般性的意義，對高中物理教學(xué)甚至一般性的自我學(xué)習(xí)、同伴學(xué)習(xí)等都具有同等價(jià)值.但是，由于“階”形成的原因較為復(fù)雜，不同的概念具有不同的階，不同的學(xué)生個(gè)體也具有不同的階，教師針對具體問題要具體分析，分析清楚該概念建構(gòu)時(shí)的“階”形成的原因，針對原因設(shè)計(jì)相應(yīng)情境支架，突破“階”點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)“概念進(jìn)階”，也就實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)進(jìn)階”.華東師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所終身教授高文先生說“關(guān)注知識的情境性是揭示知識本質(zhì)的一個(gè)新視角”，情境支架是學(xué)習(xí)進(jìn)階過程中“階”突破的有效手段與載體，值得在此開展更多的研究與實(shí)踐.

教學(xué)法指出課堂教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要切實(shí)抓住教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)是一堂課的關(guān)鍵之所在，對于一堂課是這樣，對一個(gè)單元的教學(xué)是這樣，同樣對一節(jié)課中一個(gè)環(huán)節(jié)、一個(gè)概念的教學(xué)也是這樣.概念教學(xué)的難點(diǎn)突破在于概念“階”的突破，就是概念建構(gòu)的學(xué)習(xí)進(jìn)階的過程.教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)著力于做好教學(xué)細(xì)節(jié)，從每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)概念著手，致力于通過情境支架的設(shè)計(jì)來助推概念教學(xué)進(jìn)階，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念建構(gòu).這種物理概念教學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)階的重要途徑與手段，將在一定程度上改變教師的教學(xué)方式.教師采用這種教學(xué)方式，既有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有助于降低學(xué)生學(xué)習(xí)的坡度與難度，促進(jìn)輕負(fù)高效學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn).

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（收稿日期：2020-09-14）