从概念到观念嬗变的建模教学实践研究——以“认识浮力”核心片段教学为例

胡先涛

(东莞市东华初级中学，广东 东莞 523128)

有研究表明,学生经过初中浮力知识的学习,并不能有效转化前概念为科学观念而持续保持.[1]就像学生关于力的前概念在教学后并未得到有效转变一样,[2]这种现象在教学中经常发生.这是因为在概念教学中,往往非常注重对客观事物的共同特征和本质属性的概括和抽象,强调科学知识的属性,而很少关注到学生原有观念的影响和个人对知识的主观理解.为解决这个问题,David Hestenes提出了认知建模理论,并引起广泛的关注.[2-4]认知建模理论主张,学生的个体心智模型,在建立、检验与完善、应用模型的3个不断循环的过程中,能够被激发并发展成科学概念模型,强调“思维的个体建构”.[2]郭玉英教授团队在研究科学建模能力时也指出,学生的个体心智模型是基于原有认识、观察、分析物理现象等初步形成,通过推理、论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正,并最终形成概念模型,是一种主动的内在心智行为能力.[4]它们都从认知的角度强调把学科知识转化为学生个人的认知结构,主张从“概念教学”转变为“观念教学”,促进学生的认知结构的同化,形成“学生个人的知识”.

在认知建模理论的指导下,笔者对“认识浮力”这节课进行了多次课堂实践,探索了浮力概念向浮力观念转变的几点实践做法,在此介绍,期望抛砖引玉.

1 创新实验情景,建立典型心智模型

在心理学中,心智模型是指人在决策过程中的倾向性以及人们所表现出来的某些技能.学生个体在与环境的相互作用中,必然会在头脑中形成自己对世界的一种理解,这种理解就是心智模型,并以此来理解客观世界.例如,在生活中,持有“浮力大小与深度有关”的观念,初中生占20%,高中生占33%,大学生占近50%;持有“浮力大小与物体体积有关”的观念,初中生占80.39%,高中生占52%,大学生占近52.09%.这说明学生的前观念对浮力的学习有较大干扰,且在教学中难以有效转化[1].因此选择“浮力与深度关系”作为学生的初始心智模型,是对学生充分分析的结果,同时这个心智模型还可以作为认知结构中的固定点成为后续教学展开的基础.课堂实践证明了选择这个初始心智模型是正确且有效的.

核心片段教学1.

师:进行实验演示,请同学们观察:圆柱体在空气和水中下落的快慢一样吗?如图1所示,第1次将圆柱筒(体积适宜且比水的密度稍大)放在一定的高度静止后松手,圆柱筒下落至桌面上.第2次将同一个圆柱筒放在同一高度,然后松手,圆柱筒下落至水中.

图1 观察圆柱体在空气和水中下落

生:在空气中下落得快;在水中下落得慢.

师:同一个圆柱筒,为什么下落的快慢不一样呢?

生1:在水中受到浮力.

生2:它可能受到水给它的一个向上的力.

师:这个力可以测量吗?请大家讨论一下,并用桌上的弹簧测力计想办法测量一下.

生:略(汇报测量过程与结果).

师:演示手托住圆柱筒使测力计示数减小,总结浮力的定义.

师:同学们刚才测量圆柱筒所受的浮力大小不一样,你认为浮力大小与什么因素有关?

生:与深度有关,深度越深,浮力越大.

在这个活动中,通过创设具体的实验情景,借此观察、描述发生的现象,分析找出导致快慢不同的原因,引出浮力定义和测量方法,实现从现象的定性观察到物理量的定量测量,为后面的实验探究提供必要的操作技能.同时这个实验情景还为学生提出问题和猜想假设提供了真实的感性认知.课堂实践表明,学生根据这个情景猜想浮力的影响因素时,绝大部分学生都归因于深度,得以充分暴露学生的前观念.

2 制造认知冲突,检验模型

学生在生活过程中会形成自己关于自我、自己的行为以及环境方面的观念.当这些观念出现“非配合性”时,就会产生认知不协调,这种不协调会产生心理压力,使个人改变原有的观念.认知建模理论指导下的建模教学,实质上是一种探究式教学,通过观察、实验等手段对心智模型进行验证、修正.[4]

2.1 实验记录,获取证据

学生亲身经历科学探究活动,通过学生自己的实际测量并获取数据来制造认知冲突,从而不断修正自己的心智模型.

核心片段教学2.

师:请同学们按设计的实验方案结合导学案的指导进行实验.

生:根据实验方案进行实验并把数据记录在表1中.

表1 测力计的示数与深度的关系

学生的前观念通常是朴素而顽固的.为此教学中给予学生足够的时间亲自动手测量和记录数据,为创设认知冲突提供事实支撑.

2.2 多种方式表征,外显模型的修正

解释和论证是科学探究的核心.在分析论证中,将实验数据用列表、个人语言、图像3种方式进行表征,促使学生进行深度思考,外显学生心智模型的修正过程.

核心片段教学3.

师:请根据表1的数据在如图2中描绘出测力计的示数F示与钩码底部到液面深度h的图像.

图2 测力计的示数与深度的关系

生:描点绘图.

师:请根据列表和图像,测力计的示数F示与钩码底部到液面的深度h有什么关系?

生:浸没前,测力计的示数减小;浸没后,测力计的示数不变.

师:请同学们计算每次实验时钩码所受浮力大小F浮并填写在表2中,在图3中描绘出浮力大小F浮与钩码底部到液面深度h的图像.

表2 浮力与深度的关系

生:描点绘图.

师:请根据列表和图像,浮力大小F浮与钩码底部到液面的深度h有什么关系?

生:浸没前,浮力增大;浸没后,浮力不变.

这个活动是对学生的初始心智模型进行检验和修正的关键活动.教学中同样给予学生足够的时间进行描点绘图、分析概括和思考讨论.课堂实践表明:学生经历完整的科学探究活动,绝大部分学生对深度的影响进行了重新评价和修正,一致认为在浸没前,浮力与深度有关;浸没后,浮力与深度无关.

图3 浮力与深度的关系

3 发现建构,完善模型

学生的心智模型发展到科学概念模型需要经历一系列的认知活动.当学生不能借助自己个体的认知进一步探索新知时,教师应该提出问题,创设情景进行启发,引导学生去发现,激发学生学习的动机.

核心片段教学4.

师:我们可以从上面的实验现象中可以找出一个新的物理量来替代深度,在圆柱筒浸没在水中前后都可以描述对浮力的影响吗?(提示阿基米德的故事,略)

生1:水面升高的高度.

生2:物体的体积.

生3:水面升高的那部分体积.

师:同学都观察到水面升高的现象,水面为什么升高呢?请同学们进行小组讨论.

生1:物体浸入的那部分体积.

生2:被物体排开的液体的体积.

学生经历一定的活动后,只是部分修正了自己的原有心智模型,因此必须设计活动对学生进行适当引导,并且要有适量的提示,让学生特意观察和讨论分析“水面升高”这个关键的现象,从而找到是物体浸入的那部分体积导致水面升高,从而建构起被物体排开的液体的体积的观念,实现对深度原有观念的替代.

4 科学探究,应用模型

在应用控制变量法进行科学探究时,有些因素在学生的认知结构中不是位于同一层次的.在探究浮力大小与被物体排开的液体的体积时,是不能控制浸入的深度保持不变的.只有在明确深度对浮力大小没有影响后,并以此作为认知结构中同化的固定点,再进行浮力大小与被物体排开的液体的体积的关系探究,更贴近学生的认知发展规律和控制变量法的本质.

认知建模教学的核心在于帮助学生进行科学的认知结构的建构.借助一明一暗的两条主线:一条明线是利用科学探究促进学生习得学科知识;一条暗线是将学生的心智模型外显并转化为科学概念模型,不断地把心智模型往更高更科学的层次推动,使得从“概念”向“观念”的转变得以实现.