基于教育学与学科教学理论的物理教学设计比较研究——以初中欧姆定律教学为例

周栩君 邢红华 赵艳岭 邢红军

(1. 首都师范大学物理系,北京 100048; 2. 河南省科学院生物研究所有限责任公司,河南 郑州 450008; 3. 首都师范大学教师教育学院,北京 100048)

伴随着社会的不断发展,教育界逐渐形成了一系列著名的理论,如斯金纳的操作学习理论、皮亚杰的建构主义学习理论、奥苏贝尔的认知同化学习理论、加涅的智慧技能学习层次论等等．这些理论的提出是为了更好地指导课堂教学实践,为教学课堂提供理论指引,帮助教育者掌握教育规律并在教育实践中加以运用．

然而,运用教育学理论指导课堂教学实践也逐渐暴露出一些问题,主要表现为教育学理论指导学科教学乏力,进而影响教学的效果．因此,搭建教育学理论与课堂教学之间的桥梁,对教学效果的优化有着重要的意义．有鉴于此,本文结合初中欧姆定律教学设计,通过研究不同教学理论指导下初中欧姆定律的教学设计,以期对沟通教育学理论与课堂教学的疏离有所启迪．

1 基于教育学理论的欧姆定律教学设计

早期的学习心理学家片面强调各自所研究的某种学习形式,直到二次世界大战后,心理学家才意识到,学习有不同类型,不同类型的学习有特殊的学习过程和学习结果．[1]加涅正是其中的重要一员．

加涅最初把学习分为8类,后来为了适合教育应用又将学习结果分成5类,分别是智慧技能、认知策略、言语信息、动作技能、以及态度．其中智慧技能与认知策略是教学中侧重培养的目标．

加涅将“运用概念和规则对外办事的技能”称为智慧技能,并将其分为4个层次,由低级到高级依次是:辨别→概念→规则→高级规则．辨别是区分事物的差异的能力;概念是学习与运用概念的能力;规则是运用规则(原理、定律、公式等)办事的能力;高级规则是原有的规则通过运用又获得新规则的能力．同时,较高一级的智慧技能必须以较低一级的智慧技能的习得为先决条件．[1]与此同时,加涅提出在教学中应侧重培养学生的认知策略,即学习者控制与调节自身的学习、记忆与思维等认知过程的能力．后来,心理学家皮连生在此基础上,将认知策略定义为“个人调控自己的认识活动以提高认知操作水平的能力”,并提出策略性行为总是具有思维的特征的观点．[1]

教学设计是教学前期准备工作的重要组成部分,环节的设置、内容的安排都会对实际课堂产生重要的影响．为此,皮连生先生提出,教学有大教学概念和小教学概念．小教学概念主要指课堂上的师生相互作用过程,而大教学概念在此基础上还包括教师的课前准备,课后评价和补救教学等工作．[1]皮连生由大教学概念出发,将教学设计分为3大部分:教学目标、任务分析以及教学过程．

欧姆定律一直都是初中物理教学的重点、难点．其内涵的抽象性、关系的复杂性等常使教学上的困难异常巨大,[2]这也给这节课的教学设计造成了一定的困难．基于此,皮连生以加涅的智慧技能为理论基础,从教学目标、任务分析以及教学过程3部分展开,对这节课进行了教学设计．

皮连生认为,“教学目标是预期的学生学习的结果或者是预期的学习活动要达到的标准．教学是以教学目标定向的活动．在教学活动开始之前,教师必须明确学生学习结果的类型并以清晰的语言陈述教学目标．[1]”由于绝大多数初中学生对于知识学习的目的并不十分明确,所以无法针对性地学习相关概念与规律,为了改善这一情况,提高教学效果,教师应在教学前明确告知学生本节课的教学目标．基于此,本节课采用行为陈述的目标——“能够说出I与U、I与R之间的关系”以及“能够运用欧姆定律计算电路中的电流、电压与电阻”．

当确定教学目标之后,就要对本节课进行任务分析．皮连生先生提出,“任务分析是一种教学设计的技术,指在开始教学活动之前,预先对教学目标中所规定的,需要学生习得的能力或倾向的构成成分及其层次关系详加分析,为学习顺序的安排和教学条件的创设提供心理学基础．[1]”因此,本节课的任务分析是基于加涅的智慧技能学习层次理论(辨别→概念→规则→高级规则)展开的．

起点能力对应智慧技能中的概念,包括学生已经掌握的有关电流强度、电压、电阻以及电路图的相关概念及知识;学习的类型对应智慧技能中的规则,即对欧姆定律的原理、定律表述以及公式展开学习,先决条件是规则中的有关概念必须先行掌握．由概念到规则进行教学内容的展开．尔后,基于教学目标和任务分析对本节课的具体教学过程展开设计．

首先,教师带领学生复习原有知识,即形成电流的原因及电流的概念;然后,教师告知学生本节课的教学目标,即电流强度、电压、电阻三者之间的关系,并配以板书,以起到组织者的作用;进一步,在实验探究阶段,为了培养学生的认知策略,教师先指导思维方法,引导学生提出控制变量法,并确定使用该方法探究I与U、I与R之间的关系,使认知策略转变为解决问题的策略．进一步,采用控制变量法演示“探究电流与电压的关系”、“探究电流与电阻的关系”两个实验,并引导学生根据实验数据及实验图像概括得出欧姆定律的内容及表达式;最后,为了检查学生对于新授知识的理解,教师以习题的形式带领学生进行练习．

上述教学设计是直接由加涅的智慧技能理论出发,并结合皮亚杰的大概念教学环节进行设计的．值得一提的是,该教学设计提出,在课堂教学开始之前要明确告知学生本节课的教学目标,让学生对知识框架有初步的了解,相较于传统课堂的“直奔主题”,显化教学目标,可以帮助学生更好地了解本节课的教学重点,对知识的学习进行更优地统筹规划,同时也有助于激励学生对新知识的学习．

设计者设计的初衷将教学重点立足于指导思维方法和实验演示发现规律两大部分,力图实现智慧技能中辨别、概念、规则3个层次,然而从概念到规则的学习属于上位学习,一般来说难度是较大的．从效果上看,直接采用教育学理论指导课堂教学实践是乏力的,这是因为,两者之间的作用是间接的(如图1所示)．

由于缺少学科教学理论的中介作用,直接运用教育学理论的教学设计看似水到渠成,貌似培养了学生的智慧技能与认知策略,实则并没有考虑学生的学习心理与认知水平,因而未能揭示出教学的本质,教学效果就乏善可陈．

2 基于学科教学理论的欧姆定律教学设计

由于教育学理论对学科课堂教学实践的指导是间接的,无法对实际物理课堂进行针对性地指导,因此,为了更好地彰显教学的本质,应在教学设计中引入学科教学理论(如图2所示),使其直接指导学科课堂教学实践,并成为教育学理论与学科课堂教学实践的连接纽带．

图2 学科教学理论的地位及作用

如前所述,电阻概念定义的方式有悖于学生熟悉的顺向逻辑,而是体现为“电阻越大、电流越小”的逆向逻辑,[2]这样会导致学生理解上出现困难;其次,基于加涅的智慧技能理论的教学设计采用控制变量法与比例系数法,方法本身没有科学性错误,但是由于步骤繁多,从而增大了初中学生的学习难度,无法彰显欧姆定律的内涵与实质．因此,基于学科教学理论的教学设计[2]对欧姆定律的教学进行了全新的设计．

2.1 教学思路的顺向与逆向问题

基于学科教学理论的教学设计不以电阻概念为出发点,而是用“电导”代替“电阻”展开教学．这样的改变,原因有二,其一是为了学生更好地接受并理解电导、电阻以及欧姆定律的相关概念;其二是为后续使用比值定义法埋下伏笔．

首先,初中生在学习欧姆定律之前所接触的概念、规律均沿顺向逻辑展开,因此学生对于顺向思维方式更熟悉也更易于接受．通过中学物理的学习可知,电导和电阻都反映了导体本身的一种属性,但是,其两者的表述却存在较大的不同．电导反映了导体导通电流性质的强弱,通过实验可以直观地观察到“电导越大,电流越大”;而电阻反映的是导体阻碍电流性质的强弱,通过实验可以得到“电阻越大,电流越小”的结论．

教学的突破口由电阻转变为电导,是为了更好地契合学生的认知水平．初二学生的认知水平大多处于具体运算阶段,而在学生接受新知识、新方法时,认知水平会退化到更低层次,从而体现出前运算阶段的特点[2]．欧姆定律涉及电阻的概念,而电阻恰恰是学生从未接触过的逆向物理概念,“电阻越大,电流越小”这样的逆向逻辑远不如“电导越大,电流越大”这样的顺向逻辑易于学生理解与掌握．因此,在设计本节课的教学逻辑与教学方式时,应基于物理教育心理学的相关理论,从学生的认知水平出发,以电导的概念为教学突破口,从而降低欧姆定律教学的难度．

其次,在顺向逻辑的展开下,就可以顺其自然地运用比值定义法得到电导的概念和表达式,而不是运用控制变量法使推导过程再次复杂化．因此,顺向逻辑的确定也为比值定义法的选择埋下了伏笔．

2.2 科学方法的选择

比值定义法的选择并不主流,各版本初中物理教材中均采用控制变量法,做出这样的选择是一种突破,需要高屋建瓴的认识．之所以基于学科教学理论的教学设计摒弃了控制变量法,转而采用比值定义法,是为了更好地凸显欧姆定律的物理本质与内涵．首先,该方法符合学生的认知水平,降低了学生的认知负荷,与顺向教学逻辑相辅相成．其次,控制变量法侧重于实验探究以及关系式的整合,并没有突出电阻在欧姆定律学习中的重要地位．而在比值定义法的引领下,以合乎逻辑的思路对电导、电阻进行论述,奠定了欧姆定律的理论基础,凸显了欧姆定律的教学本质．

2.3 由特殊到一般

显而易见,基于学科教学理论的教学设计直击问题的核心与本质,通过改变前概念,选择适当的科学方法,从而对物理教学实践进行了更加高效地指导．由于这样的教学设计所提出的教学逻辑与教学方式是基于物理教育心理学展开的,从而能更好地帮助教师了解学生的认知水平．因此,教育学理论要想指导学科教学实践,应借助学科教学理论进行过渡,这样才可以实现真正的教学．

3 启示与建议

3.1 注重教学逻辑的诠释

课堂教学逻辑是教师的课堂教学推进合乎教学内容的内在组织性,即顺序、层次、系统和学生接受知识的思维规律．教学逻辑操作就是要依据和遵循教学内容的基本逻辑线索,根据教学各种操作行为的特点和表现力,把教学内容线索清晰地、层层递进地、环环相扣地传达给学生．[3]

教学逻辑是物理教学中的重要组成部分,恰当且严密的逻辑顺序可以从根本上提升课堂教学效果,帮助学生掌握物理知识．不同的教学逻辑会产生不同的教学效果,如何制定正确的教学逻辑,取决于学生的学习心理及知识的难易程度,只有充分了解学生的现有认知水平,才可以将课程内容以学生最易接受的逻辑顺序呈现出来．

加涅的智慧技能理论教学设计与传统教学设计均以电阻概念为出发点,由于电阻是一个逆向的概念,反映导体阻碍电流性质的强弱,因此在传统实验探究过程中,只能得到“电阻不变时,电流强度与电压成正比;电压不变时,电流强度与电阻成反比”的结论．由于“正比”、“反比”、“阻碍”等逆向逻辑词汇会干扰学生新知识的学习,从而使学生对相关概念、结论产生混淆．

基于学科教学理论的教学设计采用“电导越大,电流越大”的正向逻辑,并由此出发得到电阻的表达式,进一步变形得到欧姆定律的表达式．这样不仅符合初中学生的认知水平,也将欧姆定律的内容简化,从而大大减少了学生的认知负荷,并最终取得好的教学效果．

3.2 注重教学环节的联系

为了更清晰地展示智慧技能教学与基于学科教学理论教学的特点,下面以表格形式呈现,如表1所示.

表1 智慧技能教学与学科教学理论教学设计对比

表1从前概念、逻辑顺序、科学方法以及教学原则4个环节出发,对智慧技能教学与学科教学理论教学进行对比．通过对比可以发现,基于学科教学理论的教学设计整体要优于智慧技能教学设计．

智慧技能教学设计采用的智慧技能学习层次理论,每一环节相对于上一环节均属于上位学习,对于学生来说难度较大,并且在设计的过程中,没有依据学生的认知水平选择恰当的逻辑顺序．其次,在科学方法的选择上也并未与逻辑顺序相关联,使教学设计各环节之间的衔接显得生硬．

3.3 凸显学科教学理论的作用

就物理学科而言,它是一门实验科学,根基是实验,一切理论都要以实验作为唯一的检验者．同时,它也是一门严密的理论科学,以物理概念为基石,以物理学定律为主干．[4]因此,逻辑顺序的安排与科学方法的选择就显得尤为重要,欧姆定律的学习更是凸显这一特点．

传统欧姆定律的教学设计是依据辨别→概念→规则→高级规则4个环节设计教学逻辑与教学方式,但固定的理论环节并未依据课程内容的特殊性加以改变,从而使教育学理论与学科教学的结合显得乏力、生硬,给人一种抱令守律的感觉．同时,以教育学理论为指导的课堂教学并未彰显物理内涵与本质,所以无法实现真正的物理教学．

基于学科教学理论的教学设计所提出的教学逻辑与教学方式,不仅帮助教师了解学生的认知水平,而且对教学顺序及内容进行了调整．顺向逻辑、比值定义法、由特殊到一般的教学原则均属于学科教学理论的范畴．同时,也正是这三个方面对本节课的物理课堂直接作用,打破了原来的知识框架,以学生学习心理为出发点,构建新的知识——方法体系,提升了教学效果,从而回归了物理课堂教学的本真．

由此可见,教育学理论对学科教学实践固然有指导作用,但是影响却是间接的,无法达到理论与实际教学的真正结合．而学科教学理论的加入,就为理论与实际教学之间的衔接搭建了桥梁,不仅凸显了学科教学理论对学科教学实践的指导作用,也强化了教育学理论的指导性作用,值得我们展开更进一步的深入研究．