探寻指向思维精细化加工的概念教学路径

张红洋 ，张婧婧

1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安 710119

2.中国基础教育质量监测协同创新中心陕西师范大学分中心，西安 710119

科学思维是物理学科核心素养的核心。学生的科学思维发展水平会影响其物理观念的形成，科学探究能力和科学态度与责任的提升。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提到科学思维包含认识事物本质属性、建构物理模型、进行推理论证和质疑批判等多方面的内涵[1]，其对科学思维的内在规定性肯定了科学思维的重要性，也指明了科学思维培养的具体内容和方向。然而，以往的物理教学过于重视知识结果的获得，而忽视教学的过程属性和过程价值，尤其在物理概念教学中，科学思维的发展过程被虚化，学生对于物理概念的习得仅停留于记忆、领会阶段。物理概念是构成物理定律、建构物理模型、形成物理规律的重要基础，其建构过程伴随科学思想的形成，是促进学生科学思维发展的契机[2]。因此，深化科学思维内涵认识，精细化思维加工过程，促进学生科学思维加工的显性化，探寻“精细化、科学化、可操作”的概念教学具有深远意义。

1 教育的过程属性促进学生思维发展

恩格斯说：“世界不是既成事物的集合体，而是过程的集合体。”[3]世界的本质就是过程的存在，人的活动都是以过程的形式存在和发展的，过程是事物变化与发展并走向目标的必经环节和途径。教育作为一种培养人的活动，是以过程的形式存在，并以过程的方式展开，离开过程就无法谈教育活动，更无法实现教育目标，故过程属性是教育的基本属性[4]。

毫无疑问，教学作为教育的基本途径，也是一种过程性存在，学生的思维发展只能在教学过程中落实，而非在教学结果中实现。在物理概念教学中，学生对物理概念的建构是从接受到理解再到内化，并将概念与个体生活和社会生活建立联系的“慢”过程。从过程哲学的视角透视物理概念教学过程，可以发现概念教学并非是一个个物理概念的“授”“受”这样简单，而是如怀特海的过程原理中所阐述：“实际存在物由它的‘生成’所构成的”[5]。也就是说，要让学生知道物理概念“是什么”，就必须让其经历物理概念“是如何生成的”过程；要让学生的科学思维得以发展，就必须借以思维活动来实现转识为知、转知为智的目标。

2 彰显过程育人的概念教学路径探索

学生的科学思维发展是一个精细化加工的“慢”过程。思维的精细化加工与物理概念的有意义建构二者辩证统一，相辅相成。思维的精细化加工过程会促进学生对物理概念的有意义建构，同时，物理概念的有意义建构是学生科学思维发展的契机。因此，重视教育的过程属性，将概念教学过程化、精细化，是发展学生科学思维、彰显过程育人的途径。

2.1 概念的有意义建构育思维加工过程

物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特征在人脑中的反映，是对物理现象、物理过程概括化和抽象化的思维形式[6]。在物理概念的学习中，学生对物理概念的有意义建构会促进其准确、深刻地理解概念的内涵与外延，提升分析、归纳、推理、建模等高阶科学思维能力。心理学家奥苏贝尔认为，有意义学习是新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立非人为的、实质性联系的过程，而同化是这一过程的重要阶段[7]。因此，物理概念的有意义建构是学生将原有图式与物理情境建立联系，对某一范畴中对象所具有的共同属性进行编码，形成新的关于概念的图式，并在同化中达到新的平衡与发展的过程。

学生对物理概念的有意义建构是完成由“物”到“理”再到“物”的思维过程，即实物操作经大脑初步感知，与原有图式产生联系，学生用言语表征出半具体、半抽象性的表象，经思维加工建构出抽象的物理概念以解释实物操作的意义。比如，学生建构“自由落体运动”这一物理概念，如图1所示，小球自由下落为实物操作，学生在头脑中将这一情境与匀变速直线运动等已有图式产生联系，形成实物操作的表象，经概括、抽象完成“自由落体运动”的有意义建构，进而用数学符号表征自由落体运动的特征、规律，用以解释小球自由下落等情境。根据布鲁姆教育目标分类学，当学生表现出“解释”的外显行为时，表明其对概念已达 “理解”层次[8]。因此，将物理概念用以解释情境的意义是学生有意义建构物理概念重要且必要的思维过程。

图1 物理概念的有意义建构过程

2.2 思维的精细化加工促概念的有意义建构

物理概念的有意义建构再现了学生观察感知事物、理解表征概念、解释应用规律的过程，由浅入深，由具体到抽象，是发展学生科学思维的契机。基于教育的过程属性和物理概念的有意义建构过程，依据学生的心理发展规律与心理学相关理论，强化并细化物理概念的生成过程，构建过程性概念教学，帮助学生搭建科学思维的阶梯，促进物理概念的有意义建构。

过程性概念教学将教学过程划分为“初感—浅探—深究—达成”四个阶段，并细化为“辨别—分化—类化—抽象—检验—概括—形式化—解释”八个思维阶梯，如图2所示。在“初感”阶段，为学生提供足够的感性材料，即搭建辨别刺激模式的思维阶梯，促进学生在知觉水平上对事物的直观特征进行分析辨认。如生成机械运动的概念，为学生呈现天体在运动、人在行走、车辆在前进等情境。为概括刺激模式的本质属性，引导学生对不同情境中的刺激模式予以直观水平上的区分，搭建分化阶梯。如生成摩擦力的概念，引导学生将人推桌子的情境分化为桌子运动与静止两种状态，使其意识到两种属性的摩擦力。这一阶段是以源自现实生活的真实情境帮助学生初步感知物理概念，让学生产生现实生活与现实存在状态的欠缺感、不满足感，激发思考与求知的欲望，并从整体水平上对事物进行定性或半定量分析，锻炼形象思维，提升观察想象、分析比较的能力。

图2 物理概念的精细化思维加工教学过程

变易理论提到概念学习的实质是审视和识别事物的关键属性[9]。因此，在“浅探”阶段，引导学生搭建“类化”阶梯，概括出各类刺激模式的属性，再搭建“抽象”事物本质的阶梯以审辨概念的本质属性，进而作出关于物理概念本质的初步结论或假设。在这一阶段，学生不再局限于以形象思维去感知，而是加以抽象思维深入思考，对情境进行初步抽象化加工，在貌似平常的信息中发现不寻常之所在，在实物与抽象之间建立起“表象桥梁”，直达问题本质的表层，如图3所示。如生成超重和失重的概念，为学生提供在电梯上升与下降过程中人站在体重秤上的情境后，学生不再仅停留于视重与实重的比较，而是透过体重秤上的数字，挖掘现象背后隐含的本质原因，即对人进行受力分析，运用牛顿第二定律建立起运动与力之间的关系，进而解释体重秤上数字变化的原因。

图3 “浅探”阶段思维生成过程

聚焦思维结构的智力理论是我国心理学领域的原创性研究成果，其核心“三棱结构”模型提到“思维是智力和能力的核心，概括是思维的基础”[10]。因此，在“深究”阶段，为学生搭建“检验”与“概括”的阶梯，即引导学生在特定情境中检验初步假设或结论的准确性与普适性，确定概念的共同属性与关键属性，以科学准确、规范凝炼的语言表征出物理概念。如前例中生成机械运动的概念，已初步得出各情境中物体的共同特征：一个物体相对于另一个物体的位置随时间在改变。教师再提供树叶摇动、巨轮航行、鸟儿飞翔等情境以证明假设的正确性，最后以标准文字表征出机械运动的概念，形成机械运动的概念图式。这一阶段是学生形象思维与抽象思维交替使用最活跃的阶段，实现基于事实证据进行科学推理、以质疑批判的心态进行检验修正、从物理学视角概括客观事物本质的飞跃。

“达成”作为过程性概念教学的最后阶段，既是对新概念进行深度理解、以等值语言进行形式化表征的过程，又是对新概念进行迁移应用、与认知结构中相关概念建立实质性联系的过程。如生成速度的概念，在明确速度的科学定义后，以与文字表征等值的数学表达式表征，虽两种表征方式归根结底都是位移与发生这段位移所用的时间之比，但不同的表征方式促进了学生对新概念的深度理解。梅瑞尔博士在首要教学原理中提到，当要求学习者运用知识技能解决问题时，才能够促进学习[11]。因此，当要求学生以速度概念解决真实情境中的实际问题作为概念建构的最后环节，会促进学生对概念的理解运用，使得物理概念从“情境中来，到情境中去”。

3 凸显过程促思维发展的概念教学实践

过程性概念教学以某一物理概念“是什么”为目标指引，以情境为中介组织教学活动，将学生内隐的思维过程外显化，以解释应用等外部行为检验概念是否被理解，具有理论与实践意义，可将其应用于物理概念教学实践。“质点”是高中物理中学生需要掌握的第一个物理概念，也是接触到的第一个理想化模型。基于过程性概念教学模式，对“质点”进行教学实践，完成把学生已有的前概念科学化、使其理解“质点”概念、建构“质点”理想化模型的思维发展过程，教学思路如图4所示。

图 4 “质点”的过程性概念教学思路

【初感】辨别—分化：

师：提供留有想象空间的情境：行驶的火车和运动的乒乓球，引发学生感官上的刺激。

生：进行发散思维，将火车、乒乓球的运动置于不同情境中：（1）火车正从西安驶往北京；（2）火车正在进站；（3）乒乓球在空中运动轨迹是直线；（4）乒乓球正在飞快旋转。情境的不同导致研究问题的属性与方法有所不同。

设计意图：通过情境刺激感官，使抽象的概念建构过程具体化、形象化，形成感性认知。学生对情境的想象与分化将提升其全面思考、分类讨论的能力。

【浅探】类化—抽象：

师：引导学生对不同情境予以简化分析，并按照某一关键的共同属性分类。

生：在以上四个情境中，情境（1）（3）在运动时可看作点来研究，故为一类，情境（2）（4）不可忽略其本身的大小，无法看作点来研究，划为一类。

生：初步结论为“分类标准为是否可忽略物体的大小、形状将其看作点来研究”。

设计意图：引导学生将感官接受到的刺激进行认知加工，调动抽象思维，忽略次要因素，抓住主要因素，转换成表象。学生在头脑中将物体由实物情境转换至表象的表征结果如表1所示。这一思维过程是学生能否概括事物本质属性的关键。

表1 情境依据共同属性划分

【深究】检验—概括：

师：提供地球公转和自转的视频资料。让学生感受宇宙奥妙的同时，思考两种情境下是否可以把地球看作点来研究。

生：地球公转可以看作点来研究，地球自转与乒乓球旋转类似，不可忽略其大小、形状，不能看作点来研究。

师：确保学生已经完全提取出质点的本质属性。引导学生概括出质点概念的科学定义。

设计意图：进一步提供情境，让学生独立完成从感官刺激到抽象出实物表象再到审辨出本质属性的过程，检验学生是否已达到接受新的物理概念的阶段。学生的准确判断是顺利引入物理概念的保障。

【达成】形式化—解释：

师：介绍理想化模型，将“质点”纳入其中。

生：将特定情境中的物体抽象为质点，用语言表征出将实物抽象为质点的思维过程。

师：回归情境，引导学生解决实际问题，计算火车从西安至北京的时间和进站时间。

生：通过理解“质点”概念、建构“质点”模型，解决实际问题。

设计意图：以建构“质点”概念为基础，对“质点”概念升华至理想化模型的高度，体会科学思想和方法为解决问题带来的便捷，易于学生接受。回归情境解决实际问题，完成由“物”到“理”再到“物”的过程。

4 小结

无论是能力提升与素养养成，还是对知识的深度理解与应用迁移，都需要通过精细化的教学过程予以落实，如何彰显教学过程的魅力，体现教学的过程价值，在过程中育人是当今教育必须予以关注的课题。

首先，生成性概念教学将学生的思维加工过程精细化，“辨别—分化—类化—抽象—检验—概括—形式化—解释”八个思维阶梯形成一条完整的思维链，注重概念建构和思维发展的过程，使感官刺激与科学思维先后运用，形象思维与抽象思维交替使用，以理解代替练习，以引导代替告知，力求使学生对物理概念的理解达到“知其然，知其所以然”的同时，发展科学思维，提升物理学科核心素养。

其次，夸美纽斯主张“一切知识都是从感官开始的”“必须有一个实际的经验情境作为思维的开始阶段”，反对“教师假定学生的经验是可以想当然的”[12]。生成性概念教学正是以真实情境和学生经验为基础展开，让学生通过接触原始材料进行学习，符合学习的直接性原则，即教育的关键在于尽可能使学生之“思”导向事物的本源。

最后，“教育是一种慢的艺术”，概念的学习和思维的发展是一个“慢”的积累过程，教师应关注过程，让概念教学，乃至物理教学“慢”下来。