陶揚(yáng) 邢紅軍
摘 ? 要:電場(chǎng)強(qiáng)度是學(xué)生定量認(rèn)識(shí)場(chǎng)的首個(gè)概念。通過梳理電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)邏輯,透視教學(xué)設(shè)計(jì)背后的研究思路,發(fā)現(xiàn)其教學(xué)設(shè)計(jì)范式主要分為三類:總結(jié)式教學(xué)設(shè)計(jì)范式、類比式教學(xué)設(shè)計(jì)范式和顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)范式。通過分析不同教學(xué)設(shè)計(jì)范式的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),為電場(chǎng)強(qiáng)度概念的教學(xué)提供有益啟示。
關(guān)鍵詞:教學(xué)設(shè)計(jì);電場(chǎng)強(qiáng)度;科學(xué)方法
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1003-6148(2023)7-0031-5
長(zhǎng)期以來,電場(chǎng)強(qiáng)度概念一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn),其原因不僅在于電場(chǎng)強(qiáng)度是高中電學(xué)的重要概念,也是學(xué)生定量認(rèn)識(shí)場(chǎng)的首個(gè)概念。因此,教師們不斷探索如何幫助學(xué)生科學(xué)地構(gòu)建電場(chǎng)強(qiáng)度概念,并逐步形成了不同的教學(xué)設(shè)計(jì)范式。哪種教學(xué)設(shè)計(jì)范式更為接近電場(chǎng)強(qiáng)度概念教學(xué)的本質(zhì)?更符合物理教學(xué)邏輯?到目前為止,中學(xué)物理教學(xué)界并沒有達(dá)成共識(shí)。
本文立足于科學(xué)方法教育理論,系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)范式,分析了不同教學(xué)設(shè)計(jì)范式的思維脈絡(luò),管窺了范式特點(diǎn),以期為后續(xù)電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)研究與實(shí)踐提供借鑒,從而促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。
1 ? ?電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)范式的比較
為了研究電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)的不同范式,對(duì)中國(guó)知網(wǎng)2001—2021年有關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)的文章進(jìn)行梳理,總結(jié)主要范式,梳理其深層教學(xué)邏輯,以期對(duì)教師進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計(jì)有所啟示。
2001—2021年,電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)的文章共73篇,年度發(fā)文如圖 1所示。采用內(nèi)容分析法,在通讀文獻(xiàn)摘要和瀏覽全文的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),大多數(shù)文章并未真正觸及電場(chǎng)強(qiáng)度概念教學(xué)的核心與本質(zhì),卻仍然形成了不同風(fēng)格的教學(xué)設(shè)計(jì)范式,值得展開深入研究。
1.1 ? ?總結(jié)式教學(xué)設(shè)計(jì)范式
教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的首選參考物是教材。換句話說,教師的教學(xué)設(shè)計(jì)通常是在教材編寫的基礎(chǔ)上展開的。研究發(fā)現(xiàn),知網(wǎng)上有關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)的文章,大約有78%是基于教材編排邏輯設(shè)計(jì)的。此類教學(xué)設(shè)計(jì)范式主要是在對(duì)教材編寫思路理解的基礎(chǔ)上,摻入個(gè)人教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)撰寫,本質(zhì)上就是教材編寫思路的再現(xiàn),稱為總結(jié)式教學(xué)設(shè)計(jì),包括以下兩類。
第一類教學(xué)設(shè)計(jì):導(dǎo)入環(huán)節(jié),教師主要通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步感知電場(chǎng)的作用以及電場(chǎng)有強(qiáng)弱之分,或者從物理學(xué)史的角度引入場(chǎng)的性質(zhì)及電場(chǎng)的概念。而后利用范式起電機(jī)的金屬球作為場(chǎng)源電荷,以及用絲線懸掛的固定于細(xì)銅環(huán)中的泡泡球作為試探電荷開展演示實(shí)驗(yàn),并設(shè)置兩種不同的場(chǎng)景:一是同一試探電荷放入電場(chǎng)中的不同點(diǎn),二是不同試探電荷放入電場(chǎng)中同一點(diǎn)。對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)而分析放入電場(chǎng)中電荷的受力情況??紤]到“數(shù)無形時(shí)少直覺,形少數(shù)時(shí)難入微”,部分教學(xué)設(shè)計(jì)引入了電場(chǎng)力圖表(F-q)進(jìn)行分析,引導(dǎo)學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)的同時(shí),完成圖像(F-q)制作,基于猜想驗(yàn)證用電場(chǎng)力F與電荷量q的比值來描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱。
第一類教學(xué)設(shè)計(jì)范式存在的最根本問題在于:為什么在定義電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)要采用電場(chǎng)力與試探電荷的電荷量相比的方式?不回答這個(gè)問題,就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)完電場(chǎng)強(qiáng)度后,只是記住了電場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式,卻不明白電場(chǎng)強(qiáng)度定義中的物理學(xué)研究思路。而電場(chǎng)強(qiáng)度定義中的物理學(xué)研究思路,才是整個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)中最具有思維價(jià)值的部分。
第二類教學(xué)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生在變化量中尋找不變量,即提出問題:“在某個(gè)固定的位置放上不同試探電荷,所受的電場(chǎng)力不同,哪個(gè)量是不變的?”學(xué)生作答:“電場(chǎng)力與試探電荷電荷量的比值是不變的”,從而引出該比值的含義為電場(chǎng)強(qiáng)度的概念。第二類教學(xué)設(shè)計(jì)范式看似避免了直接提出采用電場(chǎng)力與試探電荷的電荷量相比的方式,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究或者進(jìn)行猜想,但尋找不變量仍然是一種預(yù)設(shè),或者說是一種虛假的探究。因?yàn)樵跊]有進(jìn)行探究之前,是無法確定在電場(chǎng)強(qiáng)度的定義中一定存在著不變量。假如不存在不變量,最后探究的結(jié)果將會(huì)如何?顯然,第二類電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)范式存在邏輯問題。
綜上所述,總結(jié)式教學(xué)設(shè)計(jì)范式整體上遵循教材編寫的邏輯,但并未闡述清楚如何尋找實(shí)驗(yàn)中的不變量,為何“作比”以及得出比值為常量這一結(jié)論的邏輯依據(jù)。
1.2 ? ?類比式教學(xué)設(shè)計(jì)范式
類比在認(rèn)知科學(xué)中起著重要的作用,表現(xiàn)之一就是概念的轉(zhuǎn)變[1]。通過類比,一個(gè)概念轉(zhuǎn)化為另一個(gè)概念,這種轉(zhuǎn)化可以幫助人們解釋新的現(xiàn)象或事物[2]。類比式教學(xué)設(shè)計(jì)范式主要采用類比策略,利用兩類事物或兩個(gè)域在某些方面具有共通性,推理在其他方面也可能具有共通性。采用知識(shí)類比和遷移策略激發(fā)學(xué)生的求知欲,形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力和科學(xué)精神。以兩類教學(xué)設(shè)計(jì)分析類比式教學(xué)設(shè)計(jì)范式特點(diǎn)。
第一類電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計(jì)范式通過引力場(chǎng)與重力場(chǎng)的類比引入電場(chǎng)強(qiáng)度。闡述引力場(chǎng)和靜電場(chǎng)的相似之處:一是引力場(chǎng)和靜電場(chǎng)都具有物質(zhì)性;二是兩者對(duì)放入其中的物體都有力的作用;三是引力和靜電力的表達(dá)形式相似,萬有引力(F=),靜電力(F=);故可通過重力場(chǎng)中的引力強(qiáng)度類比引入電場(chǎng)強(qiáng)度概念(表1)。
第二類教學(xué)設(shè)計(jì)通過類比生活中常見現(xiàn)象輔助學(xué)生理解電場(chǎng)強(qiáng)度。例如,讓學(xué)生測(cè)量空氣中某點(diǎn)風(fēng)速的大?。▓D 2),學(xué)生可借助紙片測(cè)量風(fēng)速大小。風(fēng)速的大小是風(fēng)的性質(zhì),和紙片受到的風(fēng)力大小、紙片的受力面積無關(guān),進(jìn)而類比到電場(chǎng)強(qiáng)度概念上。
采用類比策略引入電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計(jì)范式的初衷,是欲使電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計(jì)具體化、形象化,希望有助于學(xué)生直觀地理解電場(chǎng)強(qiáng)度的概念。但類比策略本身存在一定的局限性,其運(yùn)用前提是,只有在學(xué)生對(duì)已知被類比對(duì)象熟悉的基礎(chǔ)上,才能順利類比出未知對(duì)象。在第一類教學(xué)設(shè)計(jì)中,由于引力場(chǎng)強(qiáng)度并不是高一物理教學(xué)的內(nèi)容,因此,采用引力場(chǎng)強(qiáng)度去類比建立電場(chǎng)強(qiáng)度,是違背類比原則的,同時(shí)也存在邏輯上的問題。
在第二類教學(xué)設(shè)計(jì)中,類比就是由兩個(gè)對(duì)象的某些相同或相似的性質(zhì),推斷出在其他性質(zhì)上也有可能相同或相似的一種推理形式。因此,兩個(gè)類比對(duì)象具有某些相同或相似的性質(zhì),是類比推理能夠成立的前提。由于風(fēng)速與電場(chǎng)強(qiáng)度在本質(zhì)上屬于不同性質(zhì)的物理量,兩者缺乏相同或相似的性質(zhì),將兩個(gè)不同性質(zhì)的物理量進(jìn)行類比,也是違背類比原則的。
1.3 ? ?顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)范式
顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)范式是指電場(chǎng)強(qiáng)度概念的導(dǎo)入基于比值定義法的步驟而展開,具有創(chuàng)新的意義。
以電場(chǎng)強(qiáng)度高端備課為例,教學(xué)設(shè)計(jì)步驟如下:(1)首先,設(shè)置與學(xué)生常規(guī)認(rèn)知相沖突的假設(shè),在電場(chǎng)中距離場(chǎng)源電荷遠(yuǎn)近不同的A,B兩點(diǎn)分別放置不同電荷量的試探電荷,通過直接比較試探電荷所受靜電力大小來表征電場(chǎng)中不同位置電場(chǎng)的強(qiáng)弱,結(jié)果發(fā)現(xiàn):距離場(chǎng)源電荷近的A點(diǎn)試探電荷所受靜電力小,而距離場(chǎng)源電荷遠(yuǎn)的B點(diǎn)試探電荷所受靜電力大;(2)由于直接用試探電荷所受靜電力大小來表征電場(chǎng)的強(qiáng)弱出現(xiàn)了異常現(xiàn)象,就需要統(tǒng)一試探電荷的電荷量這一標(biāo)準(zhǔn),再繼續(xù)比較電場(chǎng)中不同位置試探電荷所受靜電力大小,結(jié)果發(fā)現(xiàn):距離場(chǎng)源電荷近的位置靜電力與電荷量的比值大,而距離場(chǎng)源電荷遠(yuǎn)的位置靜電力與電荷量的比值小,但比值的物理意義尚不清楚;(3)為了進(jìn)一步解決靜電力與電荷量比值的物理意義問題,就需要在A,B兩點(diǎn)分別放置不同電荷量的試探電荷,然后比較靜電力與電荷量的比值,結(jié)果發(fā)現(xiàn):靜電力與電荷量的比值為常量,因此,以試探電荷所受靜電力大小來表征電場(chǎng)中某一位置電場(chǎng)強(qiáng)弱的研究思路就不再成立;(4)由于靜電力與電荷量的比值為常量,反映了電場(chǎng)的固有屬性,從而定義比值為電場(chǎng)強(qiáng)度[5]。如表2所示。
顯化科學(xué)方法的電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)范式是從假設(shè)出發(fā),即假設(shè)直接用電場(chǎng)力的大小來表征電場(chǎng)的強(qiáng)弱。由于電場(chǎng)的抽象性,人們只能通過試探電荷在電場(chǎng)中的受力大小來描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱,而不是違反教學(xué)邏輯地將靜電力F與電荷量q進(jìn)行比較,因此,該假設(shè)是自然合理的。當(dāng)發(fā)現(xiàn)假設(shè)的結(jié)果異常后,再借助“除法”數(shù)學(xué)工具,把靜電力F與電荷量q相除,使得電荷量統(tǒng)一為單位電荷后再進(jìn)行比較,從而順理成章地解決為何要將靜電力F與電荷量q進(jìn)行比較的問題[6]。進(jìn)一步,選取不同電荷量的試探電荷進(jìn)行比較,從而發(fā)現(xiàn)了比值(■)是一個(gè)常量的結(jié)論,并最終得出了電場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式。
正如賴格盧斯所說,教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)著力于教學(xué)過程的改進(jìn),最終找到能夠達(dá)成最優(yōu)給定目標(biāo)的科學(xué)方法[7]。電場(chǎng)強(qiáng)度抽象概念的導(dǎo)入與其定義式的推導(dǎo),正是由于將科學(xué)方法作為整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的核心,有目的、有意義、有步驟地向?qū)W生展現(xiàn)了比值定義法的步驟[8],從而使得整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過程自然、順暢、合理。
2 ? ?研究啟示
在電場(chǎng)強(qiáng)度概念的導(dǎo)出過程中,不同的教學(xué)設(shè)計(jì)采用了不同的研究范式,并體現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。通過深入分析與研究,得到如下啟示:
2.1 ? ?教學(xué)設(shè)計(jì)要關(guān)顧教學(xué)邏輯
教學(xué)邏輯是指教學(xué)活動(dòng)的因果關(guān)系及其展開順序,包括邏輯起點(diǎn)、邏輯路線與邏輯終點(diǎn)。邏輯起點(diǎn)的遴選包括兩個(gè)方面:一是要與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)相沖突,二是與學(xué)生已有知識(shí)相沖突。其次,邏輯路線的選取應(yīng)當(dāng)符合有意義學(xué)習(xí)的原理。奧蘇貝爾認(rèn)為,有意義學(xué)習(xí)的心理機(jī)制是同化,同化的結(jié)果是新知識(shí)被掌握(理解與保持),而原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[9]。最后,邏輯終點(diǎn)的遴選應(yīng)緊扣教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)沖突的情境和學(xué)生已有認(rèn)知水平,會(huì)產(chǎn)生很多問題,但選擇教學(xué)邏輯終點(diǎn)時(shí)教師應(yīng)圍繞教學(xué)目標(biāo),通過體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容本質(zhì)的問題展開教學(xué),并使之成為貫穿教學(xué)過程的主線。
在電場(chǎng)強(qiáng)度的教學(xué)設(shè)計(jì)中,顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)范式正是圍繞著“比較力”這一貫穿教學(xué)過程的主線而展開。不僅展現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)的邏輯起點(diǎn),而且展現(xiàn)了教學(xué)邏輯的路線。從直接比較到選取標(biāo)準(zhǔn)比較,再到發(fā)現(xiàn)不能比較電場(chǎng)力,淋漓盡致地展現(xiàn)了教學(xué)邏輯的曲折過程[10]。教學(xué)邏輯的終點(diǎn)也具有水落石出的特點(diǎn)。因?yàn)楸戎担ǎ┦且粋€(gè)常量,與F無關(guān),反映了電場(chǎng)的屬性,所以把比值()定義為電場(chǎng)強(qiáng)度。
2.2 ? ?教學(xué)設(shè)計(jì)要顯化科學(xué)方法
依據(jù)物理學(xué)知識(shí)-能力結(jié)構(gòu)圖[8,10]不難發(fā)現(xiàn),物理知識(shí)必須經(jīng)由科學(xué)方法才能得到。因此,教材的編寫就需要重視科學(xué)方法,顯化科學(xué)方法的名稱及其應(yīng)用過程。在電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),需要顯化“比值定義法”,按照比值定義法的邏輯順序展開設(shè)計(jì):(1)選取比較的對(duì)象;(2)確定比較的標(biāo)準(zhǔn);(3)詮釋比值的意義;(4)得出比較的結(jié)論[11]。進(jìn)行顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于通過搭建合理的腳手架,讓學(xué)生清晰地理解“為什么要比”以及“如何比”,不僅體現(xiàn)了“授之以魚”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路,更彰顯了“授之以漁”的物理教育思想。
與之相反,目前各版本高中物理教材在電場(chǎng)強(qiáng)度概念的編寫中,均未明確闡述為何要將靜電力F與試探電荷的電荷量q進(jìn)行比較,容易造成學(xué)生處于“知其然而不知其所以然”的境地。而顯化科學(xué)方法的教學(xué)設(shè)計(jì)范式則表明,直接比較電場(chǎng)力會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)論,所以轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)比較需要選取相同標(biāo)準(zhǔn)的思想,進(jìn)而給出了將靜電力F與試探電荷的電荷量q進(jìn)行比較的思路,從而彰顯了“比值定義法”的內(nèi)涵及展開步驟,完美詮釋了電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)有之義[12]。
2.3 ? ?教學(xué)設(shè)計(jì)要注重教學(xué)反思
教學(xué)反思是對(duì)教學(xué)活動(dòng)本身的深入思考,進(jìn)而使得教師能夠有意識(shí)地、謹(jǐn)慎地、經(jīng)常地將研究結(jié)果和教育理論應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐[13]。教學(xué)反思作為教師專業(yè)成長(zhǎng)的重要途徑,是個(gè)體認(rèn)知循環(huán)往復(fù)、螺旋式上升的過程。在這個(gè)意義上,本研究就是對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度教學(xué)設(shè)計(jì)的反思。
長(zhǎng)期以來,我國(guó)傳統(tǒng)的物理教學(xué)設(shè)計(jì)主要強(qiáng)調(diào)對(duì)教材的感知和把握,強(qiáng)調(diào)對(duì)過往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的繼承。教材編寫過程中盡管力爭(zhēng)完備,但也會(huì)偶有疏忽,不能做到盡善盡美。因此,物理教育教學(xué)工作者應(yīng)當(dāng)懷有批判意識(shí),基于嚴(yán)密的推理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),要善于質(zhì)疑辨析,積極吸取、采納優(yōu)秀教學(xué)設(shè)計(jì)范式的優(yōu)點(diǎn),摒棄不合理的教學(xué)設(shè)計(jì)范式,要站在巨人的肩膀上反思以往(下轉(zhuǎn)第39頁)(上接第34頁)教學(xué)設(shè)計(jì)的成敗得失。事實(shí)上,物理教育工作者只有勇于超越經(jīng)驗(yàn),善于質(zhì)疑,善于反思,才能在對(duì)物理教材編寫與物理教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的否定之否定中,達(dá)成對(duì)物理教學(xué)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)的螺旋式上升,并最終實(shí)現(xiàn)物理教育與教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。
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(欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊)