變異理論在初中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用及啟示
——以“機(jī)械效率”為例

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（德宏州民族初級(jí)中學(xué) 云南 德宏 678400）

變異理論（Variation Theory）作為一種學(xué)習(xí)理論誕生于20世紀(jì)90年代，其創(chuàng)立人瑞典教育學(xué)家F·馬飛龍教授在已有研究成果現(xiàn)象圖析學(xué)（phenomenography）的基礎(chǔ)上深入思考，提出變異（variation）是達(dá)成審辨（discern ment）的要素，形成變異理論的基本假設(shè).該理論不僅在分析和描述課堂教學(xué)中具有獨(dú)到之處，同時(shí)對(duì)教師專業(yè)發(fā)展也具有重要作用［1，2］.所謂變異，即“當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象或者一個(gè)事物的某個(gè)屬性產(chǎn)生變化而同時(shí)其他屬性保持不變，變化的屬性將被審辨到”［1，3］.即學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是找出事物最顯著的差別［1］.本文旨在探討變異理論在物理概念教學(xué)中的啟示，為物理教育者、研究者提供參考.

1 變異理論關(guān)于學(xué)習(xí)的特征性

不同于目前廣泛對(duì)教學(xué)活動(dòng)的關(guān)注，變異理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要性，并將學(xué)習(xí)視作一個(gè)經(jīng)驗(yàn)過(guò)程，其包括“學(xué)什么”和“怎么學(xué)”兩個(gè)方面.

1.1 學(xué)什么

對(duì)于“學(xué)什么”（即學(xué)習(xí)內(nèi)容），變異理論將其分為具體方面和一般方面兩部分.前者指直接學(xué)習(xí)內(nèi)容，如具體的物理概念；后者指間接學(xué)習(xí)內(nèi)容，指將所學(xué)的物理概念進(jìn)行應(yīng)用的能力.此時(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容被擴(kuò)大為“知識(shí)+能力”的集合體，不僅僅指期望學(xué)生學(xué)到的知識(shí)，還包括期望學(xué)生達(dá)成的能力［4］.

如圖1所示，變異理論將學(xué)習(xí)理解為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程同時(shí)包括結(jié)構(gòu)與意義兩部分.其中結(jié)構(gòu)體系分為外部視域和內(nèi)部視域.外部視域指即在完整的知識(shí)體系內(nèi)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的價(jià)值進(jìn)行評(píng)估.內(nèi)部視域與學(xué)習(xí)內(nèi)容的本質(zhì)密切相關(guān)，指審辨事物內(nèi)部各部分及部分與整體之間的關(guān)系.由于孤立的學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)于學(xué)習(xí)者達(dá)成具體方面或一般方面的價(jià)值訴求沒(méi)有任何意義，其意義來(lái)自于它所處的系統(tǒng)，即其外部視域［2］.對(duì)于教師而言，在教學(xué)時(shí)不能只關(guān)注其知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的獲得，更應(yīng)當(dāng)在整個(gè)外部視域中去考慮這些知識(shí)經(jīng)驗(yàn)是否能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解所處的世界.

圖1 變異理論框圖

1.2 怎么學(xué)

為什么課堂傳授的學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)生不能得到很好的理解.實(shí)際上，受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及智力水平影響，教師所傳授的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生所獲得的內(nèi)容之間有所差異，這種內(nèi)容間的差異直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，原因在于學(xué)習(xí)內(nèi)容中關(guān)鍵屬性的識(shí)別.學(xué)習(xí)想要得到順利的進(jìn)行，學(xué)生必須要能辨識(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容中的關(guān)鍵特征，這些關(guān)鍵特征的識(shí)別使得學(xué)生突破表層學(xué)習(xí)，達(dá)成深層學(xué)習(xí)，造成學(xué)習(xí)效果的差異［4］.

變異理論對(duì)傳統(tǒng)遷移理論進(jìn)行了揚(yáng)棄，認(rèn)為關(guān)鍵屬性的識(shí)別不能僅僅依靠相似性，如果不能了解特征之間的差異或變化，就不可能存在對(duì)單個(gè)特征的認(rèn)識(shí).經(jīng)驗(yàn)的獲得來(lái)源于不同經(jīng)驗(yàn)差異性的體驗(yàn)，如果不同時(shí)體驗(yàn)至少兩種不同事物，就不會(huì)有經(jīng)驗(yàn)上的差異［2］.如想要識(shí)別“學(xué)科”這一概念，學(xué)生只接觸或知曉“物理”這一學(xué)科，那對(duì)“學(xué)科”這一概念的理解也就不復(fù)存在，只有他知曉“物理”“化學(xué)”“數(shù)學(xué)”等多種學(xué)科，通過(guò)比較其研究領(lǐng)域才有可能理解“學(xué)科”這一概念.而理解的決定因素在于對(duì)其關(guān)鍵特征——“研究領(lǐng)域不同”的掌握［3］.

為幫助學(xué)生審辨出關(guān)鍵屬性之間的關(guān)系及部分與整體的關(guān)系，變異理論倡導(dǎo)教師要讓學(xué)生經(jīng)常體驗(yàn)4種變異圖式，即分離、類合、對(duì)比、融合［1］，如圖2所示.

圖2 4種變異圖式

當(dāng)教師和學(xué)生為達(dá)成某個(gè)具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)一起活動(dòng)時(shí)，學(xué)習(xí)的過(guò)程也就相應(yīng)發(fā)生，而其中學(xué)習(xí)內(nèi)容則為變異圖式的實(shí)施提供了不同的可能性，教師需根據(jù)期望學(xué)生達(dá)成的知識(shí)或能力合理選擇、組織和運(yùn)用變異圖式協(xié)助學(xué)生識(shí)別學(xué)習(xí)內(nèi)容中的關(guān)鍵屬性［5］.

2 變異理論在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用

變異理論關(guān)注學(xué)習(xí)內(nèi)容中的關(guān)鍵特征，這很大程度對(duì)物理概念教學(xué)有一定的教學(xué)啟示.基于變異理論教師能將龐雜、深?yuàn)W的物理內(nèi)容解構(gòu)為小的基本單元，通過(guò)進(jìn)行單元之間的比較和變異，突出學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要特征與重要方面，從而對(duì)學(xué)生理解進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo).

例如機(jī)械效率是初中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，它是衡量機(jī)械性能的重要指標(biāo)，也是學(xué)習(xí)其他效率，如熱機(jī)效率的基礎(chǔ)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.根據(jù)變異理論，要想審辨機(jī)械效率概念，就得理解其結(jié)構(gòu)與意義.

變異理論將學(xué)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)分為內(nèi)部視域和外部視域.內(nèi)部視域即學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi)部部分與整體之間的關(guān)系［2］.人教版八年級(jí)（下）《物理》中對(duì)機(jī)械效率η做如下定義：將有用功跟總功的比值叫做機(jī)械效率.《課標(biāo)》對(duì)機(jī)械效率內(nèi)容要求為“知道”水平，教科書讓學(xué)生知道機(jī)械效率的定義及含義，進(jìn)而分析額外功產(chǎn)生的原因，了解提高機(jī)械效率的有效途徑.其中目標(biāo)物體與機(jī)械裝置本身是關(guān)鍵特征，而忽略機(jī)械摩擦、機(jī)械重力是關(guān)鍵特征的限定條件.由于知識(shí)的特有構(gòu)成和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知角度不同導(dǎo)致對(duì)機(jī)械效率概念理解并不透徹，學(xué)生存在以下誤區(qū)：

第一，由于機(jī)械效率問(wèn)題涉及總功、有用功、額外功等概念，而這些有關(guān)功的概念本身比較抽象.

第二，學(xué)生往往把機(jī)械效率的高低與省力的多少混為一談，誤認(rèn)為機(jī)械越省力其機(jī)械效率越高.

第三，同一機(jī)械的機(jī)械效率的高低，不僅與裝置本身有關(guān)，還與機(jī)械的具體使用條件有關(guān).學(xué)生往往認(rèn)為同一機(jī)械的機(jī)械效率是固定不變的，容易忽視使用條件對(duì)機(jī)械效率高低的影響，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤.

教師基于以上認(rèn)知局限可選用變異圖式對(duì)關(guān)鍵特征“目標(biāo)物體”“機(jī)械裝置本身”進(jìn)行變式，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解.如表1所示，在變式1中，部分學(xué)生出現(xiàn)知識(shí)誤區(qū)在于其對(duì)于機(jī)械效率的實(shí)質(zhì)并不理解.如將機(jī)械裝置作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，其關(guān)鍵特征是機(jī)械本身以及具體使用條件，了解影響機(jī)械效率高低的因素是理解機(jī)械效率這一概念的根本所在.教師運(yùn)用對(duì)比、分離圖式，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)滑輪組、杠桿以及斜面的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比、分離，審辨出關(guān)鍵特征——有用功跟總功的比值.

表1 機(jī)械效率變式

在變式2中，對(duì)于另一關(guān)鍵特征“目標(biāo)物體”，教師同樣可采用對(duì)比圖式幫助學(xué)生進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)對(duì)機(jī)械裝置本身之間的區(qū)別，識(shí)別機(jī)械效率的關(guān)鍵特征——比值小于1.

隨后教師引導(dǎo)學(xué)生采用融合圖式對(duì)上述的關(guān)鍵特征及限定條件進(jìn)行整合，構(gòu)建機(jī)械效率概念的內(nèi)部視域示意圖，如圖3所示，加深對(duì)機(jī)械效率基本概念的理解.而學(xué)習(xí)內(nèi)容中相關(guān)能力的達(dá)成及學(xué)習(xí)內(nèi)容的意義則依賴于教師對(duì)機(jī)械效率外部視域的剖析，從學(xué)科、個(gè)人、社會(huì)3方面審辨機(jī)械效率學(xué)習(xí)的意義.

圖3 機(jī)械效率概念的內(nèi)、外部視域圖

例如：如表2所示，“機(jī)械效率”的概念學(xué)習(xí)，在整個(gè)概念教學(xué)過(guò)程中，教師以變異理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用變異圖式，從宏觀現(xiàn)象入手，同時(shí)又借助實(shí)驗(yàn)操作和物理語(yǔ)言的描述，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、公式推導(dǎo)、圖表等多種方式對(duì)機(jī)械效率概念進(jìn)行綜合表征，實(shí)現(xiàn)機(jī)械效率相關(guān)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化，有效促進(jìn)學(xué)生的物理學(xué)科知識(shí)向物理學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化［6］.

表2 機(jī)械效率相關(guān)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化

續(xù)表2

3 變異理論對(duì)物理教學(xué)的啟示

3.1 重申教師教學(xué)的主導(dǎo)地位

“科學(xué)探究”作為一種重要的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一.由于部分教師難以把握探究學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵所在，往往在實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)“探究活動(dòng)泛化”“探究過(guò)程形式化”“課堂學(xué)情表面化”等現(xiàn)象，課堂中教師的地位及作用被邊緣化.倡導(dǎo)“建構(gòu)主義”及“學(xué)生中心”等學(xué)習(xí)方式?jīng)Q不意味著教師角色被閑置，教師作用被取代，教師更應(yīng)當(dāng)組織好教師教學(xué)與學(xué)生自主探究之間的關(guān)系，剔除活動(dòng)表面化，重視學(xué)生思維能力的培育［4］.教師要依據(jù)學(xué)情從理解知識(shí)的角度通過(guò)分離、類合、對(duì)比、融合的變異圖式，為學(xué)生的學(xué)習(xí)鋪設(shè)個(gè)性化通道、搭建自主性支架，便于學(xué)生獲得學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特征與關(guān)鍵屬性［1］.因此，理論與對(duì)教學(xué)的啟示之一就在于：一是教師要明確教師責(zé)任.教師在課堂中的作用不僅僅是傳授知識(shí)或是通過(guò)加班加點(diǎn)幫助學(xué)生在升學(xué)考試中取得優(yōu)異成績(jī)，更重要的是要關(guān)注學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，幫助學(xué)生提高清晰化和整體化的效率，關(guān)注學(xué)生的生命幸福.二是教師要凸顯自己在班級(jí)中的關(guān)鍵作用［4］.

3.2 關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)起點(diǎn)

變異理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)內(nèi)容在學(xué)習(xí)進(jìn)程中的重要性，其對(duì)教師和學(xué)生都有著不同的意義與重要性.學(xué)生不是白板或容器，在日常生活和早期學(xué)習(xí)過(guò)程中或多或少已經(jīng)積累有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，如若強(qiáng)行在學(xué)生頭腦中描繪出物理知識(shí)體系，可能會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下.因此，變異理論對(duì)教學(xué)的啟示還在于：教師在精挑細(xì)選最有價(jià)值、最合適的物理學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)，必須考慮學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)方式對(duì)其學(xué)習(xí)過(guò)程的影響.

因此，教師應(yīng)充分利用自己的學(xué)科知識(shí)、專業(yè)技能、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及與同事之間的交流溝通、教學(xué)研討、經(jīng)驗(yàn)分享、支持協(xié)助等，通過(guò)課前課后學(xué)生訪談、測(cè)試、問(wèn)卷調(diào)查以及課堂隨機(jī)觀察等形式的結(jié)合全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)起點(diǎn)、個(gè)性特征及學(xué)習(xí)風(fēng)格，診斷可能造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難和障礙的潛在因素，從而進(jìn)一步明晰、調(diào)整、確認(rèn)物理學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)鍵特征.例如：機(jī)械效率的教學(xué)中，教師既可引導(dǎo)學(xué)生基于胳膊拗不過(guò)大腿生活經(jīng)驗(yàn)，得出“胳膊短生活中帶來(lái)便捷”正確結(jié)論，也需糾正學(xué)生基于旗桿頂端的定滑輪起到方便的作用所得出“定滑輪就是省力的機(jī)械”的錯(cuò)誤結(jié)論.因此，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)起點(diǎn)有利于概念教學(xué).

3.3 注重學(xué)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)完善

布魯納曾提出，學(xué)校的課程設(shè)計(jì)應(yīng)把中心放在學(xué)科的結(jié)構(gòu)上.新課標(biāo)中也指出，物理教學(xué)內(nèi)容的組織，應(yīng)有利于促進(jìn)學(xué)生從物理學(xué)科知識(shí)向物理學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，而結(jié)構(gòu)化則是實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵.變異理論強(qiáng)調(diào)概念學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的完整性，強(qiáng)調(diào)對(duì)概念學(xué)習(xí)的4種變異，在物理概念教學(xué)時(shí)也應(yīng)如此.因此，變異理論對(duì)教學(xué)的啟示之三在于：一是教師引導(dǎo)建網(wǎng).應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在完整的物理知識(shí)體系內(nèi)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)對(duì)物理學(xué)科知識(shí)之間的邏輯關(guān)系組織建立知識(shí)關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化；通過(guò)對(duì)物質(zhì)及其變化的認(rèn)識(shí)過(guò)程的概括建立認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化；通過(guò)對(duì)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和其認(rèn)識(shí)過(guò)程的抽象建立核心觀念的結(jié)構(gòu)化.讓學(xué)生體驗(yàn)“部分與部分的關(guān)系”以及“部分與整體的關(guān)系”，體驗(yàn)事物的相同點(diǎn)與不同點(diǎn).二是學(xué)生自主建網(wǎng).教師通過(guò)一段時(shí)間的引導(dǎo)后，放手由學(xué)生完成“知識(shí)導(dǎo)圖”，以檢測(cè)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容掌握的情況.同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生把自身完成“構(gòu)圖”活動(dòng)中的思維過(guò)程與方法進(jìn)行反思，提升思維高度，形成自己的學(xué)習(xí)策略，從而加快思維方法學(xué)習(xí)進(jìn)程，提高元認(rèn)知能力［4］.

4 重視教學(xué)情境素材的選取

教學(xué)中物理概念如何呈現(xiàn)才能被學(xué)生領(lǐng)會(huì)，需要哪些例子學(xué)生才能理解概念本質(zhì)？一個(gè)自然現(xiàn)象怎樣才能讓學(xué)生理解內(nèi)涵，通過(guò)怎樣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能突出現(xiàn)象之間聯(lián)系讓學(xué)生感受物理世界的魅力？以上教學(xué)行為無(wú)不與學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容密切相關(guān)，與學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式密切相關(guān).因此變異理論對(duì)教學(xué)的啟示之四在于：教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)重視情境素材的選用.教師選擇的內(nèi)容越恰當(dāng)，呈現(xiàn)的方式越適宜，教師預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生個(gè)體實(shí)際學(xué)到的內(nèi)容之間的差異就越小.建議通過(guò)參照新課標(biāo)中的情境素材，選擇貼近學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)的真實(shí)情境進(jìn)行教學(xué)，例如，“機(jī)械效率”的教學(xué)，教師可以提供有關(guān)“起重機(jī)的機(jī)械效率40%～50%，抽水機(jī)的機(jī)械效率60%～80%”的素材，使學(xué)生產(chǎn)生運(yùn)用物理方法解決這一問(wèn)題的欲望，提出“提高機(jī)械效率主要辦法？”的問(wèn)題.隨后通過(guò)系列問(wèn)題“什么是綠色機(jī)械制造？”“機(jī)械使用與環(huán)境保護(hù)？”等解決促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提高.需要注意，從情境素材到教學(xué)情境的生成中，要注意情境使用方式的多元性及多個(gè)情境素材組合設(shè)計(jì)的整體性，同時(shí)要確保形成的教學(xué)情境有利于學(xué)生解決基于當(dāng)下及未來(lái)的角色以及由此衍生的各種現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題.

綜上所述，首先，變異理論明確提出沒(méi)有變異就沒(méi)有學(xué)習(xí)［3］，學(xué)習(xí)是對(duì)事物的某種屬性進(jìn)行審辨，而只有當(dāng)該屬性與其他屬性在變與不變中形成對(duì)照，這種屬性才可能獲得審辨和理解，所以經(jīng)歷和體驗(yàn)變異是學(xué)習(xí)不可缺少的.因此，教師授課時(shí)要盡可能通過(guò)必要的范式，來(lái)幫助學(xué)生識(shí)別教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵屬性、屬性之間的關(guān)系及屬性與整節(jié)課之間的關(guān)系.其次，變異理論作為一種學(xué)習(xí)理論，其對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容及其屬性之間關(guān)系的論述對(duì)物理教學(xué)有重大啟示，物理教學(xué)不應(yīng)是“知識(shí)+興趣”的簡(jiǎn)單拼接，而是基于“教師—學(xué)習(xí)內(nèi)容—學(xué)生”3方面對(duì)教學(xué)資源的整合從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與的過(guò)程.最后，強(qiáng)調(diào)變異理論及學(xué)習(xí)內(nèi)容絕不意味著忽視教學(xué)方式、策略的選擇［5］，相信利用“變異理論”框架分析、優(yōu)化初中物理課堂教學(xué)，將會(huì)給物理教學(xué)帶來(lái)新的啟示.