基于任務(wù)分析方法的“兩種電荷”教學(xué)探討

陳伊淳 賈樹(shù)欣 陳剛

摘 要：符合學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)才是有效的教學(xué).教學(xué)任務(wù)分析的方法，能幫助教師梳理出符合物理概念規(guī)律習(xí)得機(jī)制的教學(xué)過(guò)程，依據(jù)教學(xué)任務(wù)分析、安排教學(xué)活動(dòng)，能幫助學(xué)生有效習(xí)得相應(yīng)的物理規(guī)律.本文依據(jù)教學(xué)任務(wù)分析，對(duì)人教版教材“兩種電荷”教學(xué)片段進(jìn)行討論，認(rèn)為“電荷間的相互作用”及“只有兩種電荷”結(jié)論的獲得，應(yīng)該經(jīng)歷一系列的子環(huán)節(jié)，得到相應(yīng)的子結(jié)論后獲得.

關(guān)鍵詞：兩種電荷;信息加工;教材分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0020-04

作者簡(jiǎn)介：陳伊淳（1996-），女，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

賈樹(shù)欣（1998-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

陳剛（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科學(xué)課程學(xué)習(xí)心理及教學(xué)理論.

1 問(wèn)題的提出

“兩種電荷”是人教版初中教材九年級(jí)第十五章“電流和電路”的第1節(jié)，兩種電荷及其相互作用規(guī)律是進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)電學(xué)、理解許多電現(xiàn)象的基礎(chǔ)[1].教材此部分內(nèi)容呈現(xiàn)如圖1所示.

根據(jù)節(jié)選片段，本節(jié)教學(xué)獲得的主要結(jié)論如下.

結(jié)論1：摩擦后的物體帶電.

結(jié)論2：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引.

結(jié)論3：自然界只有兩種電荷.

“演示部分”呈現(xiàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn).

演示實(shí)驗(yàn)1：絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒靠近另一根被吊起的絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒.

演示實(shí)驗(yàn)2：毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒靠近另一根被吊起的絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒.

基于信息加工心理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，物理規(guī)律的建立，即結(jié)論的獲得，是通過(guò)邏輯加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所含的信息得來(lái)的.上述兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的邏輯加工能否支撐結(jié)論的獲得？是否需要前提依據(jù)？前提依據(jù)如何得到？

為了使學(xué)生真正理解電荷之間的相互作用及自然界只存在兩種電荷，達(dá)到“知其然知其所以然”，本文以任務(wù)分析為依據(jù)，分析本節(jié)課的主要結(jié)論及獲得主要結(jié)論所必需的子結(jié)論和相應(yīng)的子環(huán)節(jié)，探討符合學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)邏輯，提出教學(xué)方案.

2 基于信息加工心理學(xué)的學(xué)習(xí)機(jī)制

2.1 物理概念規(guī)律建立和排除因果聯(lián)系的邏輯機(jī)制

學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示出學(xué)習(xí)的內(nèi)部機(jī)制，證明學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程實(shí)則是進(jìn)行信息加工的過(guò)程，符合學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)才是有效的教學(xué)，這為教學(xué)指明了方向[2].

物理概念和規(guī)律都是通過(guò)與其他概念間的關(guān)系界定的，物理概念間聯(lián)系的建立不是憑空的，是學(xué)習(xí)者通過(guò)內(nèi)部邏輯加工機(jī)制建立的.建立聯(lián)系的基本邏輯機(jī)制主要有求同法、差異法、共變法、求同求異法等歸納方法.求同法是通過(guò)考查被研究對(duì)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合，確定在各個(gè)場(chǎng)合先行情況中是否只有另外一個(gè)情況是共同的，如果是，那么這個(gè)共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1.

自然規(guī)律反映了事物之間的因果關(guān)系，即在一定條件下會(huì)出現(xiàn)一定的現(xiàn)象.要構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的因果關(guān)系，最重要有兩點(diǎn)：其一，可重復(fù)性;其二，可預(yù)見(jiàn)性.以上兩條性質(zhì)要求“相同的原因必定產(chǎn)生相同的結(jié)果”，但宏觀(guān)世界的事物沒(méi)有絕對(duì)的相同，可以用“等價(jià)”一詞代替“相同”，則可把因果關(guān)系歸結(jié)為：等價(jià)的原因產(chǎn)生等價(jià)的結(jié)果.

由此可以得到兩種排除物理量因果聯(lián)系的演繹推理方式[3].

推理形式一：

如果A與B有因果聯(lián)系，則A變化，B變化.

A′變化，而B(niǎo)′未變化.

A′與B′無(wú)必然聯(lián)系.

推理形式二：

如果A與B有因果聯(lián)系，則A不變化，B亦不變化.

A′不變化，而B(niǎo)′變化.

A′與B′無(wú)必然聯(lián)系.

2.2 教學(xué)任務(wù)分析

加涅認(rèn)為任務(wù)分析的目的是“為設(shè)計(jì)有效教學(xué)所必須的學(xué)習(xí)條件提供依據(jù)”[4].教學(xué)任務(wù)分析能幫助教師揭示學(xué)習(xí)者達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所需要掌握的知識(shí)、技能及相互間序列關(guān)系的認(rèn)知活動(dòng).對(duì)實(shí)驗(yàn)歸納途徑的教學(xué)，重點(diǎn)要分析出各教學(xué)結(jié)論獲得的邏輯過(guò)程.邏輯過(guò)程揭示了學(xué)習(xí)者習(xí)得該結(jié)論所必須識(shí)別出的信息，教師有序地呈現(xiàn)有效信息是學(xué)生習(xí)得學(xué)習(xí)結(jié)果的最基本保證[5].

3 基于任務(wù)分析的“兩種電荷”教學(xué)

3.1 主要結(jié)論

本節(jié)課主要獲得兩個(gè)主要的結(jié)論及相應(yīng)的子結(jié)論.

結(jié)論1：摩擦后的物體帶電.

結(jié)論2：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引.

子結(jié)論2-1：絲綢（毛皮）摩擦后的兩根玻璃棒（橡膠棒）具有同樣的帶電性質(zhì).

子結(jié)論2-2：具有同種帶電性質(zhì)的物體相互排斥.

子結(jié)論2-3：毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶電性質(zhì)不同.

子結(jié)論2-4：具有不同帶電性質(zhì)的物體相互吸引.

結(jié)論3：自然界只存在兩種電荷.

3.2 結(jié)論建立的邏輯過(guò)程

3.2.1 結(jié)論1的建立

教師通過(guò)列舉生活中常見(jiàn)的摩擦后物體能吸引輕小物體的現(xiàn)象，遵循求同的歸納方法，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到摩擦后的物體能帶電，即獲得結(jié)論1，其邏輯過(guò)程見(jiàn)表2.

3.2.2 子結(jié)論2-1的建立

學(xué)生要通過(guò)觀(guān)察演示實(shí)驗(yàn)1的現(xiàn)象獲得“同種電荷互相排斥”的結(jié)論，首先需要習(xí)得子結(jié)論2-1“絲綢摩擦后的兩根玻璃棒具有同樣的帶電性質(zhì)”，實(shí)際教學(xué)中，此子結(jié)論雖不是教學(xué)重難點(diǎn)，但卻是邏輯加工獲得結(jié)論2的必要條件之一.如上文2.1部分所述，穩(wěn)定的因果關(guān)系可以歸結(jié)為相同的原因產(chǎn)生相同的結(jié)果.教師可以簡(jiǎn)單地引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到，絲綢摩擦過(guò)的兩根玻璃棒，都帶電（能吸附紙屑等），由于是同樣的摩擦方式，兩根玻璃棒的帶電性質(zhì)相同，幫助學(xué)生有效地建立“絲綢摩擦后的兩根玻璃棒具有同樣的帶電性質(zhì)”這一規(guī)律.同樣地，“毛皮摩擦后的兩根橡膠棒具有同樣的帶電性質(zhì)”這一規(guī)律能有效建立.

3.2.3 子結(jié)論2-2的建立

在建立起子結(jié)論2-1的基礎(chǔ)上，教師通過(guò)演示表3的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別共同條件“絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒A、B具有相同帶電性質(zhì)”“毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒C、D具有相同帶電性質(zhì)”和共同結(jié)果“A、B互相排斥”“C、D互相排斥”，引導(dǎo)學(xué)生遵循求同法的邏輯加工機(jī)制，獲得子結(jié)論2-2“具有同種帶電性質(zhì)的物體相互排斥”，其邏輯過(guò)程見(jiàn)表3.

3.2.4 子結(jié)論2-3的建立

此子結(jié)論的獲得應(yīng)遵循演繹推理的邏輯加工機(jī)制.在建立起子結(jié)論2-2的基礎(chǔ)上，將絲綢摩擦過(guò)的橡膠棒A靠近毛皮摩擦后懸掛的橡膠棒D，觀(guān)察到相互吸引的現(xiàn)象，根據(jù)如下的邏輯結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生獲得子結(jié)論2-3“毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶電性質(zhì)不同”.

3.2.5 子結(jié)論2-4的建立

既然毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶電性質(zhì)不同，不妨將“絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒”的帶電性質(zhì)標(biāo)記為，將毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒的帶電性質(zhì)標(biāo)記為.通過(guò)演示表4中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到共同條件“A、D帶電性質(zhì)不同”“C、B帶電性質(zhì)不同”及共同結(jié)果“A、D相互吸引”“C、B相互吸引”，遵循求同法的加工機(jī)制，獲得子結(jié)論2-4“具有不同帶電性質(zhì)的物體相互吸引”，其邏輯過(guò)程見(jiàn)表4.

3.2.6 結(jié)論3的建立

經(jīng)歷上述的各個(gè)子結(jié)論獲得過(guò)程，學(xué)生已經(jīng)習(xí)得兩種基本帶電體——絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒——的基本性質(zhì)，見(jiàn)表5.

教師要說(shuō)明自然界只存在兩種電荷，需要引入除絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒的第三種摩擦后的帶電體進(jìn)行歸納.摩擦其他物體使其帶電，如果其和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相排斥，和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相吸引，則具有和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相同的性質(zhì)，可以標(biāo)記為;如果其和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相吸引，和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相排斥，則具有和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相同的性質(zhì)，可以標(biāo)記為;如果既和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相排斥（吸引），也和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相排斥（吸引），則具有不同于該兩者的性質(zhì).

遵循求同法的邏輯加工機(jī)制（見(jiàn)表6），學(xué)生可習(xí)得結(jié)論3“自然界只有兩種電荷”.

由于課堂上能展示的帶電物體及其間相互作用的實(shí)驗(yàn)是有限的，教師應(yīng)向?qū)W生說(shuō)明，許多科學(xué)家做了無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)自然界中所有帶電的物體，凡是和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相吸引的，一定和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相排斥;凡是和絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒相吸引的，一定和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒相排斥，和前面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完全吻合，讓學(xué)生感受推理方法中從特殊到一般的思維方式.

盡管做了無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)，自然界所有帶電的物體還是無(wú)法窮盡，因此，上述的歸納方法屬于不完全的歸納，教師可以進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生思考，如果存在第三種電荷，應(yīng)該表現(xiàn)出何種性質(zhì).不同于正電荷和負(fù)電荷的第三種電荷，應(yīng)該具有不同于表5的兩種性質(zhì)，即要么分別與絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒、毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒都排斥，要么分別與之都吸引，如果出現(xiàn)了這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，則“只有兩種電荷”的結(jié)論可以被推翻.也就是說(shuō)，該結(jié)論是可被證偽的，基于證偽主義的科學(xué)觀(guān)，在反例出現(xiàn)之前，該結(jié)論是科學(xué)的.

1785年法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵龇謩e用扭秤實(shí)驗(yàn)和電單擺實(shí)驗(yàn)探究了同種電荷和異種電荷之間的相互作用，證明靜電力遵從平方反比規(guī)律.基于正負(fù)兩種電荷前提建立的庫(kù)侖定律是電磁學(xué)理論的基本定律，其正確性也被電磁學(xué)的各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，因此，“只存在兩種電荷”是被接受的.

4 總結(jié)

上文根據(jù)物理教學(xué)任務(wù)分析的步驟，將教材上主要的兩個(gè)結(jié)論拆解成若干的子結(jié)論，并分析了各個(gè)子結(jié)論獲得的邏輯過(guò)程.

物理規(guī)律的建立，即結(jié)論的獲得，是通過(guò)邏輯加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所含的信息得來(lái)的.基于教材兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)建立電荷之間相互作用的規(guī)律，學(xué)生首先需要得到“絲綢摩擦過(guò)的兩根玻璃棒所帶的電荷種類(lèi)相同”“絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒所帶的電荷種類(lèi)不同”兩個(gè)子結(jié)論，然而支撐這兩個(gè)子結(jié)論獲得的實(shí)驗(yàn)和對(duì)應(yīng)的邏輯過(guò)程在教材中體現(xiàn)不明確，學(xué)生自行閱讀后是否能真正理解“電荷間的相互作用”需要打一個(gè)問(wèn)號(hào).此外，關(guān)于“自然界只存在兩種電荷”，在上述結(jié)論獲得的前提下，教師進(jìn)一步設(shè)計(jì)支撐結(jié)論獲得的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)推理的過(guò)程，豐富學(xué)生的思維活動(dòng)，能幫助學(xué)生有效地習(xí)得該結(jié)論.

教學(xué)任務(wù)分析的方法揭示了學(xué)生習(xí)得物理規(guī)律的內(nèi)部過(guò)程，有助于教師遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)制，合理地安排教學(xué)活動(dòng).教材是教師進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的重要參考來(lái)源，但對(duì)于教材中因篇幅限制而未完整呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師若能根據(jù)任務(wù)分析的要求，梳理出符合物理概念規(guī)律習(xí)得機(jī)制的教學(xué)過(guò)程，將能取得事半功倍的教學(xué)效果.

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（收稿日期：2021-06-28）