有意義學(xué)習(xí)理論下的物理邏輯主線教學(xué)

洪志浩　余鵬　梁金寶　楊英

摘? ?要：物理教學(xué)過程中的邏輯思維培養(yǎng)一直是教學(xué)工作者關(guān)心的問題。以人教版高中物理必修三“電荷”的三種起電方式為邏輯主線進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，采用先行組織者策略，通過三個層次分明的實驗方案設(shè)計，讓學(xué)生對“電荷”的三種起電方式建立新舊知識之間的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)“電荷”概念的過程中實現(xiàn)由淺入深的邏輯進(jìn)階。同時，通過有意義學(xué)習(xí)理論的教學(xué)指導(dǎo)，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：有意義學(xué)習(xí)理論；先行組織者策略；高中物理；核心素養(yǎng)；邏輯

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0036-6

研究者［1-2］從不同研究角度提出在物理教學(xué)過程中邏輯的重要性，由此可見如何在教學(xué)過程中貫徹邏輯主線和培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力一直是當(dāng)前研究的熱點。筆者以人教版必修三第九章第一節(jié)“電荷”的教學(xué)為例，結(jié)合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對本章的要求“通過實驗，了解靜電現(xiàn)象，能用原子結(jié)構(gòu)模型和電荷守恒的知識分析靜電現(xiàn)象”［3］，在有意義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，通過先行組織者策略討論如何激活學(xué)生已有的知識，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)心向，以此建立教學(xué)過程中的邏輯主線。

1? ? 有意義學(xué)習(xí)理論概述

有意義學(xué)習(xí)理論由美國心理學(xué)家奧蘇伯爾提出，他認(rèn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)應(yīng)該是有意義的，而不是機(jī)械的。有意義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該能夠理解和掌握知識，從已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中生長出新知識，而不僅僅是記住事實和信息。物理學(xué)習(xí)興趣分為直覺興趣、操作興趣、因果興趣以及理論興趣四種水平［4］。在學(xué)生不同興趣水平下，新知識與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的聯(lián)系程度不同，當(dāng)新知識與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有觀念發(fā)生相互作用時，這種交互作用便會導(dǎo)致新舊知識的有意義同化。有意義學(xué)習(xí)理論的前提是對學(xué)生學(xué)情有充分了解。要進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)需要滿足兩個方面的要求（圖1）：（1）客觀條件：①學(xué)習(xí)材料本身具有邏輯意義；②材料符合學(xué)生心理年齡，在其能力范圍以內(nèi)，可以通過理解去獲取知識所具有的意義。（2）主觀條件：①學(xué)生具有學(xué)習(xí)欲望，能夠積極主動地去思考并獲取知識；②認(rèn)知結(jié)構(gòu)中具有可以進(jìn)行同化新知識的舊知識［5］。

2? ? 先行組織者教學(xué)策略

奧蘇伯爾認(rèn)為，在有意義學(xué)習(xí)理論下，為實現(xiàn)這種有意義的知識同化，需貫徹知識不斷分化和融會貫通的原則，同時注重新舊知識之間的邏輯關(guān)系，實施先行組織者策略［6］。如圖2所示，在有意義學(xué)習(xí)理論中，先行組織者是先于教學(xué)任務(wù)所呈現(xiàn)的引導(dǎo)材料，其目的在于為新知識提供觀念上的固著點或者認(rèn)知框架，促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移。

從與新知識關(guān)聯(lián)角度出發(fā)，先行組織者可以分為兩類：一類能夠與新知識產(chǎn)生聯(lián)系并為其提供適當(dāng)?shù)念悓僬?，稱之為陳述性組織者；一類與新知識界限模糊容易發(fā)生混淆，能為其提供相同的知識屬類，稱之為比較性組織者，如磁場與電場、重力勢能與電勢能。從義務(wù)教育階段起，教材內(nèi)容整體先易后難、先簡后繁，前一階段教學(xué)內(nèi)容與后一階段教學(xué)內(nèi)容存在著深層的邏輯關(guān)系。因此，基于先行組織者策略、不同學(xué)情以及教師經(jīng)驗，選擇合適的先行組織者能夠為教學(xué)提供更有效的思維固著點，提高知識的同化效率。

高中生在邁入必修三“靜電場”學(xué)習(xí)時，經(jīng)過初中及前期學(xué)習(xí)，在認(rèn)知結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)具有本節(jié)課所需要的基礎(chǔ)知識，如電荷種類、電荷間相互作用力的關(guān)系、摩擦起電以及牛頓第一定律等。因此，可將此作為新知識的先行組織者，為新知識提供固著點，在學(xué)習(xí)新內(nèi)容的同時，增加新舊知識之間的可辨認(rèn)性。

基于上述分析，將電荷中三種起電方式的教學(xué)內(nèi)容依邏輯關(guān)系進(jìn)行重新設(shè)計，融合演示及學(xué)生探究實驗，在培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的同時，將課標(biāo)要求落地，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。第一階段逐級分化的設(shè)計思路如圖3所示。

完成第一階段教學(xué)后，進(jìn)行第二階段的融會貫通：將第一階段教學(xué)成果作為第二階段教學(xué)的先行組織者材料，通過相互之間的區(qū)別與聯(lián)系，揭露本節(jié)課教學(xué)重點——“物體起電的實質(zhì)為電荷的轉(zhuǎn)移”。通過教師的組織和學(xué)生的類比討論，可獲得守恒觀念，完成“電荷守恒定律”部分的教學(xué)。

2.1? ? 基于三種起電方式的邏輯主線到逐級分化的進(jìn)階設(shè)計

2.1.1? ? 摩擦起電實驗方案

設(shè)計理念：

麥克斯韋說過，一項演示實驗使用的材料越簡單，學(xué)生就越熟悉，就越想徹底獲得所驗證的結(jié)果。這種實驗的教育價值往往與儀器的復(fù)雜程度成反比，所以演示實驗越貼近生活，越有趣味性，同時也越有效。實驗將原本下落的塑料絲排斥至空中，并且懸浮，相比于常規(guī)的“吸引”現(xiàn)象，“排斥”所帶來的認(rèn)知沖突以及實驗現(xiàn)象更為明顯，更能直接引起學(xué)生的直覺興趣。學(xué)生回顧認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識，借此為后一階段教學(xué)提供知識的固著點——塑料棒與塑料絲帶上同種電荷，在電荷間的相互作用力下，兩者相互排斥，呈現(xiàn)出“懸浮”現(xiàn)象。該實驗不僅促進(jìn)新知識同化，更為新舊知識的學(xué)習(xí)形成良性循環(huán)奠定基礎(chǔ)。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，塑料絲。

實驗過程：

（1）使用毛皮先后摩擦塑料絲（圖4）以及塑料棒（圖5）。

（2）將塑料絲從空中釋放。

（3）塑料絲自由下落，在塑料棒靠近后，運(yùn)動狀態(tài)從下落轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙罱K懸?。▓D6）。

除摩擦起電外，學(xué)生還需要掌握接觸起電以及感應(yīng)起電，按照新舊概念概括水平以及聯(lián)系的不同，有三種同化方式：①下位學(xué)習(xí)：將概括水平較低的新概念歸屬到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中概括程度較高的適當(dāng)概念下；②上位學(xué)習(xí)：將一系列已有觀念包含于其下，從而使得新概念具有意義；③并列學(xué)習(xí)：新舊知識之間并無上下位關(guān)系，它們之間只能憑借組合關(guān)系來理解意義。在知識結(jié)構(gòu)上看，三種起電方式并無上下位關(guān)系，但起電的實質(zhì)原因卻相同，可將該部分摩擦起電知識以及實驗作為后續(xù)新知識的先行組織者，進(jìn)行并列式教學(xué)，促進(jìn)新知識的認(rèn)知同化，這種教學(xué)策略與“類比架橋”有異曲同工之妙。

2.1.2? ? 接觸起電實驗方案

設(shè)計理念：

該實驗的現(xiàn)象與摩擦起電相同，不經(jīng)過摩擦的物體也帶上同種電荷，發(fā)生排斥。接觸起電是摩擦起電的并列概念，教師提出問題“沒有摩擦是否也能使物體帶電”，通過設(shè)問將前后知識進(jìn)行連接?；趯W(xué)情，學(xué)生認(rèn)為會有不同的起電方式，思考卻得不到答案，因而產(chǎn)生學(xué)習(xí)欲望。通過不同方式使得物體帶電，得到相同實驗現(xiàn)象，學(xué)生不僅在此過程中再次受到認(rèn)知沖突，同時上一階段的知識便成為新知識的先行組織者，新知識得以在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)上生長，學(xué)生不斷地從前一部分摩擦起電的教學(xué)中得到同化，獲取鋁箔與塑料棒帶上同種電性這一教學(xué)關(guān)鍵點。此時，教師進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)引導(dǎo)：“鋁箔在何時帶上同種電荷”。將學(xué)生的直覺興趣提升至操作興趣，將課堂主導(dǎo)權(quán)交還給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生探究科學(xué)原理，完善學(xué)生核心素養(yǎng)的教育過程。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，鋁箔。

實驗過程：

（1）教師摩擦塑料棒，使塑料棒（帶電體）帶有負(fù)電。

（2）將鋁箔從空中自由釋放。

（3）鋁箔從空中下落，在接觸塑料棒（帶電體）后被排斥，運(yùn)動狀態(tài)由下落變成上升，最終懸浮在空中（圖7）。

類比摩擦起電實驗，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)鋁箔運(yùn)動狀態(tài)的變化發(fā)生在與帶電體“接觸”時，經(jīng)多次觀察，結(jié)合對已有知識的分析可以得出，鋁箔在“接觸”帶電體后受到力的作用，運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，最終得出結(jié)論——“接觸”這一動作使得鋁箔具有電性。教學(xué)過程中結(jié)合實驗，在實驗過程中指向?qū)W生學(xué)科核心素養(yǎng)的提高，不僅促進(jìn)知識同化，也完成了新知識的教學(xué)。

2.1.3? ? 感應(yīng)起電實驗設(shè)計

設(shè)計理念：

經(jīng)過摩擦起電和接觸起電實驗，兩者都為感應(yīng)起電的教學(xué)提供了感性材料，為貫徹教學(xué)統(tǒng)一的邏輯，不妨將其作為感應(yīng)起電教學(xué)內(nèi)容的比較性組織者。教師提出問題“不接觸能否使物體帶電”，該問題與學(xué)習(xí)接觸起電時的問題遙相呼應(yīng)，將三者對等串聯(lián)起來，在經(jīng)歷完接觸起電實驗后，學(xué)生會對此時提出的問題表示肯定，但又思考不出答案，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的期待以及學(xué)習(xí)心向。在此實驗設(shè)計中，實驗現(xiàn)象將與前兩者的實驗現(xiàn)象完全相同，均為“排斥、懸浮”，現(xiàn)象相同可以很好地幫助學(xué)生進(jìn)行知識同化，不同實驗過程將給予學(xué)生足夠的認(rèn)識沖突以提升他們的學(xué)習(xí)興趣。

實驗用具：

塑料棒，毛皮，吹泡管（一部分為導(dǎo)體），泡泡液。

實驗過程：

（1）教師通過毛皮摩擦塑料棒，使塑料棒（帶電體）帶有負(fù)電。

（2）帶電體靠近吹泡管導(dǎo)體一端，保持靠近的狀態(tài)。

（3）在帶電體靠近導(dǎo)體的狀態(tài)下吹出氣泡（圖8）。

（4）氣泡在空中下落，在帶電體靠近后，發(fā)生“排斥”，運(yùn)動狀態(tài)改變?yōu)樯仙?，最終“懸浮”在空中（圖9）。

如圖10所示，學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已經(jīng)具有物體被帶電體排斥是由于帶上了同種電荷這一前概念，因此會快速且主動地實現(xiàn)新舊知識之間的聯(lián)系，得出此時氣泡也帶上了與塑料棒同種電性電荷的結(jié)論。同時，學(xué)生注意點也會落在本節(jié)課的教學(xué)難點——實驗中氣泡是何時以何種形式帶上相同電荷，因此可在感應(yīng)起電的基礎(chǔ)上增加對比實驗，進(jìn)行以學(xué)生為主的探究實驗。

帶電體在不靠近導(dǎo)體時將氣泡吹出，對比氣泡運(yùn)動狀態(tài)，可以得出此時氣泡不帶有同種電性。為證明氣泡是否帶電，可將手直接靠近氣泡，通過氣泡是否會向手靠近（靜電具有吸附輕小物質(zhì)的性質(zhì)，力的作用是相互的）來進(jìn)一步證明。

學(xué)生參與實驗，不僅對已有知識進(jìn)行鞏固，通過分析過程，從不同角度思考問題，都起到培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的作用。綜合上述對比實驗，學(xué)生由自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)接觸起電這一已有知識完成了感應(yīng)起電部分知識同化，識別出了“靠近”會使得物體帶電這個教學(xué)重點。

2.2? ? 掌握物理規(guī)律，現(xiàn)象與本質(zhì)的融會貫通

多個實驗層層遞進(jìn)，前一階段舊知識均是后一階段新知識的先行組織者，體現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，相互之間又具有帶電方式不同的明顯可辨別性。經(jīng)過多次實驗的強(qiáng)化后，將學(xué)生的興趣水平提高至了因果興趣［4］。具有因果興趣的學(xué)生觀察到某種物理現(xiàn)象時，會迫切想要了解這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；當(dāng)原因被知曉后，學(xué)生又會渴望了解物理現(xiàn)象發(fā)展的后續(xù)，從而對事物的因果關(guān)系顯示出極強(qiáng)的興趣，此時學(xué)生的求知心向?qū)⒎浅?qiáng)烈，結(jié)合先行組織者策略，如圖11所示，此時可將新學(xué)習(xí)的三種起電方式進(jìn)行融會貫通，攻克教學(xué)難點。

在義務(wù)教育階段，學(xué)生具有“摩擦起電是由于原子核束縛電荷能力不同導(dǎo)致的”這一前概念，因此兩個物體相互摩擦過程中，束縛能力強(qiáng)的會得到電子，束縛能力弱的將失去電子。由于自然界中物體一直在進(jìn)行電荷交換，電荷數(shù)處于一個動態(tài)平衡。從這一已有知識出發(fā)將不利于中學(xué)階段學(xué)生獲得守恒思想，因此筆者將過程理想化，人為固定了物體所含有的電荷數(shù)量，將物體內(nèi)部的電荷運(yùn)動過程在實驗中進(jìn)行圖示（圖11），以此促進(jìn)學(xué)生對知識的有意義建構(gòu)，讓學(xué)生體會到電荷并不是從無到有，而是在物體之間或者物體內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而打破原有平衡，最終對外顯現(xiàn)電性，以此來建構(gòu)學(xué)生的守恒觀念。教師可通過圖示來引導(dǎo)學(xué)生完成另外兩種起電方式從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的過渡，實現(xiàn)學(xué)生思維邏輯的自洽，得到起電實質(zhì)是由于電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移這一結(jié)論。

具有邏輯主線的教學(xué)方法，可以激發(fā)學(xué)生的理論興趣，幫助他們更好地理解和掌握物理規(guī)律。理論興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的最高興趣水平，學(xué)生不滿足于局部物理現(xiàn)象的因果關(guān)系，而是對某一類物理現(xiàn)象的物理規(guī)律更加有探索的欲望［4］，學(xué)生完成前、后實驗的自洽，在心理上得到滿足，此時需要教師提供一定的引導(dǎo)，如思考“電荷總數(shù)在轉(zhuǎn)移過程中的變化情況”，學(xué)生可快速完成余下的教學(xué)重點突破，即“電荷守恒定律”守恒觀念的建立。

3? ? 結(jié)論與建議

如何調(diào)動學(xué)生已有知識，提高學(xué)習(xí)積極性一直是研究者們關(guān)心的問題。在新課改背景下，教學(xué)與實驗應(yīng)該學(xué)用一體、知行合一，使學(xué)生能在拓展性學(xué)習(xí)中強(qiáng)化創(chuàng)新意識、科學(xué)精神、社會責(zé)任等物理素養(yǎng)［7］。學(xué)生并非一無所知地進(jìn)入教室，他們在日常生活和以往的學(xué)習(xí)中積累了豐富的經(jīng)驗。教師可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用課程中形成的物理觀念和科學(xué)思維去分析和解決生活中的問題，進(jìn)一步增強(qiáng)實踐意識，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度。這樣不僅能鍛煉學(xué)生的獨立思考能力，還能讓他們在實踐中理解和掌握物理知識，從而提高他們的探究能力和創(chuàng)新能力。總的來說，理論興趣的培養(yǎng)和高中物理課程的教授是相輔相成的。

從義務(wù)教育開始，學(xué)生基本形成了一定的物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究能力；高中階段，在物理觀念的學(xué)習(xí)過程中，我們對學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力等提出更高的要求，即對物理概念、規(guī)律等具有更深刻的邏輯關(guān)系認(rèn)識。在高中的教學(xué)設(shè)計和實施中，可以結(jié)合有意義學(xué)習(xí)理論，實行先行組織者策略，強(qiáng)調(diào)如何從學(xué)生已有知識出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，同時將知識進(jìn)行串聯(lián)，形成鮮明的前后邏輯關(guān)系，這對于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和邏輯思維能力具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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［2］田望璇，邢紅軍.建構(gòu)邏輯主線? 彰顯教學(xué)本質(zhì)——以“電荷及其守恒定律”為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（15）：10-12.

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［6］王惠來.奧蘇伯爾的有意義學(xué)習(xí)理論對教學(xué)的指導(dǎo)意義［J］.天津師范大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2011（2）：67-70.

［7］吳新.基于新課改的高中物理教學(xué)模式優(yōu)化研究［J］.廣西物理，2022，43（4）：159-161.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）

收稿日期：2024-04-03

基金項目：2021重慶市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點項目“基于‘STEAM+理念的青少年人工智能教育教學(xué)案例研究”（2021-GX-013）；2022重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目“構(gòu)建‘STEAM+特色的人工智能課程體系研究”（223145）；2022重慶市研究生教育教學(xué)改革研究項目“面向新時代創(chuàng)新能力提升的物理學(xué)研究生教學(xué)改革實踐”（yjg223075）；2023重慶市研究生教育“課程思政”示范項目“物理課程與教學(xué)論”（YKCSZ23102）。

作者簡介：洪志浩（1993-），男，碩士研究生，主要從事物理學(xué)科教學(xué)論研究。

*通信作者：楊英（1978-），女，教授，主要從事物理學(xué)科教學(xué)論研究。