指向深度學(xué)習(xí)的類比教學(xué)策略研究

【摘 要】“靜電場(chǎng)”是高中物理的教學(xué)難點(diǎn)，類比教學(xué)往往能突破教學(xué)中的難點(diǎn)，使復(fù)雜、抽象的新知識(shí)遷移到簡(jiǎn)單、熟悉的舊知識(shí)中。但是在實(shí)際教學(xué)中，很多教師運(yùn)用類比教學(xué)基本停留在淺層思維，甚至?xí)o學(xué)生帶來一些新的認(rèn)知障礙。文章根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知水平，以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維為目的，對(duì)類比教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，幫助學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】靜電場(chǎng);類比教學(xué);深度學(xué)習(xí)

【作者簡(jiǎn)介】姜慶榮，江蘇省太倉市學(xué)科帶頭人，主要研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)科教學(xué)。

深度學(xué)習(xí)是在理解性基礎(chǔ)上的批判性學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用多樣化的學(xué)習(xí)策略對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度加工，建立起新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，從而建構(gòu)個(gè)人知識(shí)體系并遷移到實(shí)際情境中解決復(fù)雜問題。提升高級(jí)認(rèn)知、培養(yǎng)高階思維是深度學(xué)習(xí)的目的。在物理抽象概念的教學(xué)中，教學(xué)方式不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生停留在淺層學(xué)習(xí)，而不能真正內(nèi)化知識(shí)。類比教學(xué)法可以有效地解決以上問題，把學(xué)生思維引向深層次[1]。筆者以“靜電場(chǎng)”部分概念的教學(xué)為例，談?wù)勅绾蝺?yōu)化類比教學(xué)策略，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

一、 巧借動(dòng)漫形象類比，觸發(fā)深層次“場(chǎng)”模型建構(gòu)

人教版高中物理新教材必修3對(duì)電場(chǎng)的引入設(shè)計(jì)為：首先引用科學(xué)家法拉第關(guān)于電場(chǎng)的初步觀點(diǎn);然后提出“電荷A對(duì)電荷B的作用力，就是電荷A的電場(chǎng)對(duì)電荷B的作用……”的觀點(diǎn);最后提出“場(chǎng)也是物質(zhì)存在的一種形式”的觀點(diǎn)。教材的設(shè)計(jì)在科學(xué)性上并無爭(zhēng)議，但學(xué)生在這之前幾乎從未學(xué)習(xí)過類似“不可見物質(zhì)”的知識(shí)，因而教材中這種陳述性的描述對(duì)學(xué)生來說比較晦澀難懂。另外，教材中關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)度概念建立的教學(xué)設(shè)計(jì)是通過一個(gè)場(chǎng)源電荷對(duì)試探電荷的作用力展開研究的，整個(gè)教學(xué)過程比較注重?cái)?shù)理邏輯的推理，而對(duì)電場(chǎng)本身的描述相對(duì)抽象。為突破學(xué)生這種相對(duì)陌生的認(rèn)知障礙，教師可以借助學(xué)生這個(gè)年齡段比較熟悉的動(dòng)漫形象進(jìn)行類比教學(xué)。因?yàn)樯鷦?dòng)形象的動(dòng)漫形象能夠幫助學(xué)生化抽象為形象，讓學(xué)生有效搭建起新舊知識(shí)的橋梁，從而構(gòu)建新的知識(shí)體系[2]。如以經(jīng)典動(dòng)漫《七龍珠》中的孫悟空形象為例，可以將動(dòng)畫情景與靜電場(chǎng)模型進(jìn)行有效類比。

教師播放一段《七龍珠》中孫悟空變身超級(jí)賽亞人的視頻，讓學(xué)生觀察孫悟空變身后其周圍環(huán)境的變化?？梢钥吹剑涸趯O悟空變身過程中，其周圍的空氣似乎在不斷地波動(dòng)，同時(shí)伴隨有閃電，周圍的敵人均受到了孫悟空變身所產(chǎn)生的“隔空”傷害?？梢哉J(rèn)為孫悟空周圍產(chǎn)生了比較強(qiáng)大的氣場(chǎng)，而這個(gè)氣場(chǎng)對(duì)周圍的人有力的作用，體現(xiàn)為氣場(chǎng)對(duì)人具備力的屬性。因此可以將孫悟空與場(chǎng)源電荷進(jìn)行類比，氣場(chǎng)與電場(chǎng)進(jìn)行類比。具體而言，場(chǎng)源電荷通過自身產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)試探電荷產(chǎn)生力的作用可類比為孫悟空通過自身產(chǎn)生的氣場(chǎng)對(duì)敵人產(chǎn)生力的作用。另外，顯而易見的是，當(dāng)距離孫悟空越遠(yuǎn)時(shí)，氣場(chǎng)也越弱;雖然周圍沒有“試探敵人”受到攻擊，但是孫悟空產(chǎn)生的氣場(chǎng)也依然存在，不因“試探敵人”的存在而變化。再比如，對(duì)于一個(gè)能力較弱的賽亞人，其周圍產(chǎn)生的整體氣場(chǎng)一定是弱于孫悟空的，這就與場(chǎng)源電荷的電荷量變少，其周圍電場(chǎng)也是整體變?nèi)醯囊粯印?/p>

二、舊知新說，由淺入深引發(fā)深度思考

電場(chǎng)因其不可視的特點(diǎn)具有很強(qiáng)的抽象性，然而電場(chǎng)本身又是具體的真實(shí)存在的物質(zhì)。這種“抽象性”和“具體性”的顯性矛盾成為學(xué)生學(xué)習(xí)電場(chǎng)知識(shí)的主要難點(diǎn)。因此將新舊知識(shí)進(jìn)行類比，實(shí)現(xiàn)有效的知識(shí)遷移是實(shí)現(xiàn)學(xué)生重構(gòu)知識(shí)體系的有效手段。教學(xué)中比較常見的類比是將電場(chǎng)力與重力類比、電場(chǎng)強(qiáng)度與重力加速度類比、電勢(shì)能與重力勢(shì)能類比、電勢(shì)與高度類比。然而電場(chǎng)強(qiáng)度與重力加速度的類比以及電勢(shì)與高度的類比對(duì)學(xué)生而言是略顯牽強(qiáng)的。因此，教師在教學(xué)中可以通過舊知新說的方式，即舊概念新描述，賦予舊的概念“新的生命”，這樣有利于學(xué)生對(duì)新概念的建立和理解，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生進(jìn)行深度思考。

（一） 引入重力場(chǎng)進(jìn)行類比教學(xué)的有效性

筆者所在的物理教研組在研討“電場(chǎng)強(qiáng)度”這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)曾引發(fā)這樣的爭(zhēng)論：整個(gè)初、高中教材中均沒有涉及關(guān)于重力場(chǎng)的任何描述，因此用重力場(chǎng)來類比電場(chǎng)則相當(dāng)于用一個(gè)陌生的概念類比另外一個(gè)陌生的概念，這樣的類比教學(xué)是否有效？

筆者認(rèn)為這樣的擔(dān)憂是沒有必要的。首先，教師在引入重力場(chǎng)進(jìn)行類比教學(xué)時(shí)，往往不是在講授電場(chǎng)強(qiáng)度的知識(shí)時(shí)直接類比，而是在學(xué)生對(duì)“場(chǎng)”已經(jīng)具有一定的認(rèn)識(shí)后，再將電場(chǎng)與重力場(chǎng)進(jìn)行類比。從教學(xué)邏輯上講，并不是將電場(chǎng)類比成重力場(chǎng)，而是先將重力場(chǎng)類比成電場(chǎng)。其次，重力場(chǎng)的引入往往出現(xiàn)在教學(xué)電勢(shì)、電勢(shì)能、電勢(shì)差等概念時(shí)，相比電場(chǎng)的多變和晦澀難懂，重力場(chǎng)則簡(jiǎn)單很多。盡管重力場(chǎng)對(duì)于學(xué)生來說依然陌生，但是重力場(chǎng)中的高度、重力勢(shì)能等概念是學(xué)生比較熟悉的。再結(jié)合筆者提出的氣場(chǎng)類比教學(xué)，學(xué)生很容易理解重力場(chǎng)的存在。所以引入重力場(chǎng)對(duì)于幫助學(xué)生理解電勢(shì)和電勢(shì)能的概念是大有裨益的。這部分的教學(xué)邏輯如圖1所示，先由電場(chǎng)引出重力場(chǎng)的“新描述”，再由重力場(chǎng)反過來類比電場(chǎng)，進(jìn)而將重力場(chǎng)中的概念與電場(chǎng)中的概念進(jìn)行類比教學(xué)。

（二）重力場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度類比的科學(xué)性

教師在教學(xué)過程中經(jīng)常將重力和電場(chǎng)力進(jìn)行類比。根據(jù)公式的書寫方式，電場(chǎng)力qE中的q應(yīng)該用mg中的m進(jìn)行類比，因此電場(chǎng)強(qiáng)度E應(yīng)該用重力加速度g進(jìn)行類比。在教學(xué)過程中，將q和m進(jìn)行類比學(xué)生比較容易接受，二者都是描述物質(zhì)屬性的物理量。但將E和g進(jìn)行類比似乎有些牽強(qiáng)，因?yàn)镋是描述電場(chǎng)這個(gè)物質(zhì)屬性的物理量，而g是一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量。因此建議將“重力加速度g”的說法改成“重力場(chǎng)強(qiáng)度g”。在地球的不同位置，重力場(chǎng)強(qiáng)度也是不一樣的，如赤道附近的重力場(chǎng)強(qiáng)度比兩極的要小。不同的天體表面，重力場(chǎng)強(qiáng)度也不同，如月球表面的重力場(chǎng)強(qiáng)度是地球表面的16。重力場(chǎng)強(qiáng)度取決于天體本身所產(chǎn)生的重力場(chǎng)，所以傳統(tǒng)意義上的重力加速度可以用來描述天體所產(chǎn)生的重力場(chǎng)的強(qiáng)弱，故可稱之為重力場(chǎng)強(qiáng)度。與電場(chǎng)強(qiáng)度類似，它是描述重力場(chǎng)這個(gè)物質(zhì)屬性的物理量。因此，將重力場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行類比的教學(xué)方法是科學(xué)的。

（三）迎合電勢(shì)的概念，改高度為地勢(shì)的嘗試

教材是從比值定義法的角度來定義電勢(shì)的，對(duì)電勢(shì)具體的物理意義，教材沒有做太多說明，因此加大了學(xué)生對(duì)電勢(shì)概念理解的難度。電勢(shì)是描述電場(chǎng)中“位置”的物理量，筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更容易從“位置”的角度接受電勢(shì)這個(gè)新概念，因此可以將這種電場(chǎng)“位置”與重力場(chǎng)中的空間位置進(jìn)行類比。教學(xué)中常以高度來類比電勢(shì)，從實(shí)際教學(xué)效果來說這樣的類比略顯生硬。在日常生活中常以地勢(shì)高低來描述某地的高度，所以建議引入地勢(shì)的說法，其意義類似于高度，將重力場(chǎng)中的地勢(shì)與電場(chǎng)中的電勢(shì)進(jìn)行類比，更加切合學(xué)生的理解水平。比如：順著重力場(chǎng)線地勢(shì)降低，順著電場(chǎng)線電勢(shì)降低;重力場(chǎng)中等地勢(shì)線垂直于重力場(chǎng)線，電場(chǎng)中等勢(shì)線垂直于電場(chǎng)線。

三、從宇宙視角看重力場(chǎng)，突破類比空間局限，激發(fā)深度學(xué)習(xí)

在“靜電場(chǎng)”的類比教學(xué)中，教師往往以地面附近的勻強(qiáng)重力場(chǎng)來類比勻強(qiáng)電場(chǎng)，進(jìn)而引出各個(gè)電場(chǎng)中的概念。這樣可以起到不錯(cuò)的效果，但是也給學(xué)生帶來了一定的困惑。因?yàn)檫@樣的類比僅僅局限在勻強(qiáng)電場(chǎng)的學(xué)習(xí)中，而高中涉及的很大一部分電場(chǎng)題型都是非勻強(qiáng)的，此時(shí)若仍以勻強(qiáng)重力場(chǎng)進(jìn)行類比則顯得有些牽強(qiáng)。筆者認(rèn)為，若將視角提升至宇宙尺度，從更高的視角審視地球和地球重力場(chǎng)，再將其與非勻強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行類比，則能有效解決以上困惑。

環(huán)節(jié)一：讓學(xué)生畫出地表水平面上方的重力場(chǎng)線，同時(shí)畫出等地勢(shì)線（如圖2）。

環(huán)節(jié)二：讓學(xué)生設(shè)想自己從地球表面不斷升高，直至地球在眼中呈現(xiàn)出適當(dāng)大小的球狀。讓學(xué)生畫出此時(shí)地球周圍的重力場(chǎng)線分布，同時(shí)畫出等高線（等地勢(shì)線）。此時(shí)的重力場(chǎng)線呈發(fā)散狀分布且指向地心，等地勢(shì)線也不是平行的水平線，而是以地心為圓心的同心圓（如圖3）。

環(huán)節(jié)三：電勢(shì)不能簡(jiǎn)單地用高度進(jìn)行類比，應(yīng)賦予地勢(shì)新的定義。電勢(shì)能的公式是Ep=φq，重力勢(shì)能的表達(dá)式是Ep=mgh，學(xué)生僅從公式中就不難發(fā)現(xiàn)電勢(shì)φ應(yīng)與gh進(jìn)行類比，因此將電勢(shì)與高度進(jìn)行類比似乎不妥。此時(shí)可以賦予地勢(shì)新的定義，如地球表面的地勢(shì)可表示成Φ=gh，地勢(shì)差則表示為ΔΦ=gΔh，重力勢(shì)能的表達(dá)式即演變成Ep=Φm，此時(shí)再去類比則更加容易被學(xué)生接受。

環(huán)節(jié)四：在學(xué)生所畫的等地勢(shì)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，畫出等差等地勢(shì)線。教師通過有效的設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生得出：離地面越高，重力加速度越小，從而無法根據(jù)公式ΔΦ=gΔh直接計(jì)算地球上空的地勢(shì)差。在定性分析的基礎(chǔ)上，學(xué)生不難得出：當(dāng)高度升高時(shí)，重力加速度變小，所以地勢(shì)差相同的情況下，等差等地勢(shì)線之間的距離越來越大，即越來越稀疏。教師再引導(dǎo)學(xué)生將地球上空的等差等地勢(shì)線與負(fù)點(diǎn)電荷周圍的等差等電勢(shì)線進(jìn)行類比，學(xué)生能更深刻地掌握電勢(shì)、電勢(shì)能等概念的物理意義。

通過以上四個(gè)環(huán)節(jié)，步步深入，擺脫了傳統(tǒng)的空間類比。用高度類比電勢(shì)是淺層次的空間化類比，對(duì)地勢(shì)重新解讀后再進(jìn)行類比能夠啟發(fā)學(xué)生的高階思維。構(gòu)建宇宙視角地球模型可以為學(xué)生從淺層學(xué)習(xí)通向深度學(xué)習(xí)搭建臺(tái)階。對(duì)地勢(shì)的深層次解構(gòu)讓學(xué)生明白電勢(shì)這個(gè)概念不是簡(jiǎn)單地描述電場(chǎng)中的位置，而是一個(gè)關(guān)于位置和能量性質(zhì)的物理量。學(xué)生在空間想象和數(shù)學(xué)推理中不斷深入，最終達(dá)成對(duì)電勢(shì)、電勢(shì)能等概念的深度理解。對(duì)于學(xué)生水平較高的班級(jí)，教師可以從微積分的角度解讀地勢(shì)差和電勢(shì)差的概念，讓學(xué)生達(dá)到更深層次的知識(shí)內(nèi)化。

深度學(xué)習(xí)倡導(dǎo)多渠道獲取信息，關(guān)注新舊知識(shí)的融合。類比教學(xué)能夠有效幫助學(xué)生搭建學(xué)習(xí)新知識(shí)的橋梁，從而更高效地建立起新舊知識(shí)之間的聯(lián)系。學(xué)生通過類比學(xué)習(xí)不僅能夠?qū)εf知識(shí)進(jìn)行再加工，還能在面對(duì)新知識(shí)時(shí)能夠變被動(dòng)機(jī)械的淺層學(xué)習(xí)為積極主動(dòng)的深層學(xué)習(xí)，從而有效地建立起更完善的知識(shí)體系。實(shí)踐證明，電場(chǎng)知識(shí)的教學(xué)中采用類比教學(xué)法能提升學(xué)生抽象思維、形象思維的能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：羅小熒）