基于“学习进阶”的问题加工方式探讨 ①——以“滑轮”教学为例

王 力

(江苏省南通市北城中学,江苏 南通 226011)

1 学习进阶简介

2007年美国国家教育委员会(NRC)给出了学习进阶的定义：描述学生在一定时间跨度内,对于某一主题,依次进阶、逐步熟练和深化的思维方式,这种思维方式能在主题学习和探究过程中得到连续发展。学习进阶理论认为学生的思维发展过程具有进阶的特点,学生的学习过程就是思维发展从简单到复杂的连续发展过程。[1]

2 物理问题的加工方式

2.1 数据驱动

在经典物理学研究中的问题解决通常是由实验到规律,进而建构整个理论体系,如热学、经典力学、电磁学的发展,属于数据驱动的加工。[2]数据驱动是研究者先收集大量的现象、数据，然后进行分析,从而揭示事物的本质属性和规律。对应的认知方式是数据驱动的加工方式,以研究中生成的数据为加工对象,并使加工的信息满足科学现象。[3]

2.2 概念驱动

现代物理学研究中的问题解决通常是以理论模型为起点,然后回到实验,利用实验验证理论的准确性,如相对论、量子力学的建立,应用了概念驱动的加工方式。[2]概念驱动是研究者先提出假设性的理论,建立理论模型后进行推演、预见,然后根据实验事实来验证理论。对应的认知加工方式是概念驱动的加工方式,以已有理论与事实经验之间的矛盾等作为研究的起点,以理论分析时产生的问题为加工对象,使加工的信息满足科学理论。[3]

3 基于“学习进阶”的问题加工方式

在“滑轮”一节的教学中，需要探究的问题为滑轮的种类、定(动)滑轮的特点及其实质，教学设计主要有以下两种。

3.1 教学设计一

活动1：生活中的滑轮有哪些应用？请你对它们进行分类。

活动2：探究使用定滑轮和动滑轮的特点。

实验一：探究定滑轮工作时的特点

(1) 组装定滑轮,竖直向下拉弹簧测力计,使钩码匀速上升,读出拉力F。

(2) 改变钩码的个数,重复实验,把测得的数据填入表1。

表1

实验二：探究动滑轮工作时的特点

(1) 组装动滑轮,竖直向上拉弹簧测力计使钩码匀速上升,读出拉力F。

(2) 改变钩码的个数,重复实验,把测得的数据填入自主设计的表格中。

活动3：阅读教材，总结定滑轮、动滑轮的优缺点及其实质。

3.2 教学设计二

活动1：初识滑轮。

(1) 观察滑轮,说出它的特征，它在生活中有哪些应用？

(2) 模拟提水过程,使用一个滑轮把重物提升到高处，你有几种不同的方法？对滑轮进行分类。

活动2：再认滑轮。

提水时滑轮能替代杠杆，避免了杠杆的缺点,它们有什么联系？

活动3：重识滑轮。

出示如图1所示的自制木质滑轮,滑轮分上、中、下三部分,用木质插销相连。演示滑轮的实质时,取下滑轮的上、下两部分,变形后的滑轮(杠杆)仍能工作。找出杠杆五要素,认清滑轮的本质,分析滑轮工作时的特点。

图1

活动4：四认滑轮。

验证定(动)滑轮工作时的特点：(1) 根据表2,以小组为单位，完成实验，展示汇报。(2) 实验数据与理论数值有什么差别？分析原因，用实验数据予以说明，并完善结论。

表2

3.3 两种教学设计的比较

以上两种教学设计都能达成教学目标，但是设计的理念不同,围绕核心概念建立的具体操作过程存在差异,导致学生学习进阶的程度大相径庭。

教学设计一在科学探究环节中,教师通过预设实验步骤,让学生按要求动手实验，并完成数据的记录,通过分析、讨论,从记录的数据中归纳出规律性结论,再通过阅读书本内容进一步深入理解结论。其科学探究的起点是观察,先采集、分析数据，后得出结论,属于自下而上的数据驱动的加工。这样的设计环环紧扣,降低了探究的台阶,学生接受了“一站式”服务,在学习上得以快速进阶,习得新知。但在学习过程中,学生的思维的“一马平川”，经历的是“复制”“粘贴”式的探究过程,看似顺利突破了重难点,实则只是暂时绕开了学习中的障碍,学生的学习能力并没有得到提升。

教学设计二与教学设计一在教学组织的逻辑结构上相反,在简单认识滑轮之后,利用自制教具,组织学生运用杠杆的知识来解构滑轮,对滑轮的工作特点进行理论剖析,总结定(动)滑轮工作时的特点。最后通过实验,引导各小组做出科学性评价,进一步完善结论。

教学设计二中科学探究的起点是分析产生的问题,在流程上是先有结论，然后再结合数据分析，验证、完善结论,属于自上而下的概念驱动的加工。通过“四认”滑轮,使逻辑思维、直觉思维、形象思维协同合作,使学生的能力螺旋上升。“一认”滑轮是生活场景的重现,它帮助学生初步认识滑轮并进行分类。该过程仅需根据记忆或简单的理解就可以完成,属于较低层次的能力要求；“二认”滑轮,实质上是对滑轮的初步解构,学生需要利用形象思维,根据两种简单机械的构造,找出静态滑轮和杠杆在结构上的联系,此过程是记忆的知识配合简单理解完成的,在能力要求上有所提高；“三认”滑轮,此时学生不能仅凭记忆和简单理解去完成动态滑轮的解构,必须在直觉思维的介入下,找到更多信息,将多个孤立事实(如静态滑轮、工作时动态的滑轮、杠杆的五要素以及杠杆平衡条件)进行整合，最终总结出理想情况下滑轮工作时的特点,能力要求属于较高层次；“四认”滑轮是基于实际数据，进一步完善理论模型,让学生经历批判性思维过程,体会科学探究中证据、逻辑的重要性。在进行教学设计时运用概念驱动的加工方式,使学生在学习中的思维连续且不断向精致化方向发展,实现了知识与能力的升华与跃进。

4 引发的思考

从数据驱动的加工到概念驱动的加工,物理问题的解决方式发生了重要转变。目前初中物理教学中问题解决的方式多为数据驱动的加工,“数据”既是学生思维的“支点”,也成了解决问题的重要“提示”。从认知发展的角度看,数据和现象的处理主要对应于具体运算水平,需要具体事物和能观察到的实际现象的支持,如果问题足够具体,学生可以完成复杂的运算,因此数据驱动的加工对应较低水平的认知能力。

如何在初中阶段使学生的能力得到进阶？改变物理学习中“只会做题”“不会思考”的现状？笔者认为,利用概念驱动加工方式解决物理问题是重要的途径。

(1) 概念驱动的加工符合形式运算特点

初中生的思维已经能够摆脱具体事物、过程的影响,将现实性和可能性区分开,能够以假说或理论为前提,进行假设推演,得到符合逻辑的结论,并用实验来检验假设,进而解释现象或提出新的假设。与此同时,达到形式运算水平的学生,还能够进行反思,分析、寻找思维过程或结论中的矛盾,发现理论的局限性,从而进行完善。显而易见,概念驱动的加工方式是符合形式运算特点的一种较高水平的认知方式。

(2) 概念驱动的加工可以深化形象思维的运用

概念驱动的加工首先需要研究者先提出假设,建立新的理论模型。在原有的知识经验的基础上重新整合与加工,创造出新概念、新理论。它既可以是已知的知识经过加工和物理现象相结合产生的新形象,也可以是几个毫不相干的事物联系在一起形成的新事物,在此过程中形象思维通常以想象的形式出现。

(3) 概念驱动的加工可以加强直觉思维的运用

理论分析时产生的问题是概念驱动加工的对象,它只暴露出事实的部分特征,很难做出逻辑性的判断,只能根据已知的理论或现象,利用类比、猜想和非逻辑的方法进行启发式的领悟。信息的提取和加工具有跳跃性等特点,这就要求直觉思维的参与,跳过个别细节,从整体上去认清事物的本质。

(4) 概念驱动的加工可以推进理想化方法的应用

理想化方法作为物理问题研究的常用方法,在概念驱动的加工中也是普遍使用的。通过建立理想化模型,抽象经验事实,提取理想化客体,通过想象、利用直觉思维和逻辑思维进行理想化实验,最终找出事物最本质的属性。

在初中物理教学中,我们不仅要认识这种基于学习进阶的概念驱动的加工方式,更要让它在课堂中落地生根,促进学生能力的提升。