有意义学习理论下的物理逻辑主线教学

洪志浩　余鹏　梁金宝　杨英

摘   要：物理教学过程中的逻辑思维培养一直是教学工作者关心的问题。以人教版高中物理必修三“电荷”的三种起电方式为逻辑主线进行教学设计，采用先行组织者策略，通过三个层次分明的实验方案设计，让学生对“电荷”的三种起电方式建立新旧知识之间的认知结构联系，从而使学生在学习“电荷”概念的过程中实现由浅入深的逻辑进阶。同时，通过有意义学习理论的教学指导，促进物理学科核心素养中科学思维和科学探究能力的发展。

关键词：有意义学习理论；先行组织者策略；高中物理；核心素养；逻辑

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）5-0036-6

研究者［1-2］从不同研究角度提出在物理教学过程中逻辑的重要性，由此可见如何在教学过程中贯彻逻辑主线和培养学生逻辑思维能力一直是当前研究的热点。笔者以人教版必修三第九章第一节“电荷”的教学为例，结合《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中对本章的要求“通过实验，了解静电现象，能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象”［3］，在有意义学习理论的指导下，通过先行组织者策略讨论如何激活学生已有的知识，增强学生学习心向，以此建立教学过程中的逻辑主线。

1    有意义学习理论概述

有意义学习理论由美国心理学家奥苏伯尔提出，他认为学生的学习应该是有意义的，而不是机械的。有意义学习理论强调学生在学习过程中应该能够理解和掌握知识，从已有认知结构中生长出新知识，而不仅仅是记住事实和信息。物理学习兴趣分为直觉兴趣、操作兴趣、因果兴趣以及理论兴趣四种水平［4］。在学生不同兴趣水平下，新知识与已有认知结构的联系程度不同，当新知识与学生认知结构中已有观念发生相互作用时，这种交互作用便会导致新旧知识的有意义同化。有意义学习理论的前提是对学生学情有充分了解。要进行有意义学习需要满足两个方面的要求（图1）：（1）客观条件：①学习材料本身具有逻辑意义；②材料符合学生心理年龄，在其能力范围以内，可以通过理解去获取知识所具有的意义。（2）主观条件：①学生具有学习欲望，能够积极主动地去思考并获取知识；②认知结构中具有可以进行同化新知识的旧知识［5］。

2    先行组织者教学策略

奥苏伯尔认为，在有意义学习理论下，为实现这种有意义的知识同化，需贯彻知识不断分化和融会贯通的原则，同时注重新旧知识之间的逻辑关系，实施先行组织者策略［6］。如图2所示，在有意义学习理论中，先行组织者是先于教学任务所呈现的引导材料，其目的在于为新知识提供观念上的固着点或者认知框架，促进学习迁移。

从与新知识关联角度出发，先行组织者可以分为两类：一类能够与新知识产生联系并为其提供适当的类属者，称之为陈述性组织者；一类与新知识界限模糊容易发生混淆，能为其提供相同的知识属类，称之为比较性组织者，如磁场与电场、重力势能与电势能。从义务教育阶段起，教材内容整体先易后难、先简后繁，前一阶段教学内容与后一阶段教学内容存在着深层的逻辑关系。因此，基于先行组织者策略、不同学情以及教师经验，选择合适的先行组织者能够为教学提供更有效的思维固着点，提高知识的同化效率。

高中生在迈入必修三“静电场”学习时，经过初中及前期学习，在认知结构方面已经具有本节课所需要的基础知识，如电荷种类、电荷间相互作用力的关系、摩擦起电以及牛顿第一定律等。因此，可将此作为新知识的先行组织者，为新知识提供固着点，在学习新内容的同时，增加新旧知识之间的可辨认性。

基于上述分析，将电荷中三种起电方式的教学内容依逻辑关系进行重新设计，融合演示及学生探究实验，在培养学生逻辑思维能力的同时，将课标要求落地，进一步提高学生的科学探究能力。第一阶段逐级分化的设计思路如图3所示。

完成第一阶段教学后，进行第二阶段的融会贯通：将第一阶段教学成果作为第二阶段教学的先行组织者材料，通过相互之间的区别与联系，揭露本节课教学重点——“物体起电的实质为电荷的转移”。通过教师的组织和学生的类比讨论，可获得守恒观念，完成“电荷守恒定律”部分的教学。

2.1    基于三种起电方式的逻辑主线到逐级分化的进阶设计

2.1.1    摩擦起电实验方案

设计理念：

麦克斯韦说过，一项演示实验使用的材料越简单，学生就越熟悉，就越想彻底获得所验证的结果。这种实验的教育价值往往与仪器的复杂程度成反比，所以演示实验越贴近生活，越有趣味性，同时也越有效。实验将原本下落的塑料丝排斥至空中，并且悬浮，相比于常规的“吸引”现象，“排斥”所带来的认知冲突以及实验现象更为明显，更能直接引起学生的直觉兴趣。学生回顾认知结构中的相关知识，借此为后一阶段教学提供知识的固着点——塑料棒与塑料丝带上同种电荷，在电荷间的相互作用力下，两者相互排斥，呈现出“悬浮”现象。该实验不仅促进新知识同化，更为新旧知识的学习形成良性循环奠定基础。

实验用具：

塑料棒，毛皮，塑料丝。

实验过程：

（1）使用毛皮先后摩擦塑料丝（图4）以及塑料棒（图5）。

（2）将塑料丝从空中释放。

（3）塑料丝自由下落，在塑料棒靠近后，运动状态从下落转变为上升，最终悬浮（图6）。

除摩擦起电外，学生还需要掌握接触起电以及感应起电，按照新旧概念概括水平以及联系的不同，有三种同化方式：①下位学习：将概括水平较低的新概念归属到认知结构中概括程度较高的适当概念下；②上位学习：将一系列已有观念包含于其下，从而使得新概念具有意义；③并列学习：新旧知识之间并无上下位关系，它们之间只能凭借组合关系来理解意义。在知识结构上看，三种起电方式并无上下位关系，但起电的实质原因却相同，可将该部分摩擦起电知识以及实验作为后续新知识的先行组织者，进行并列式教学，促进新知识的认知同化，这种教学策略与“类比架桥”有异曲同工之妙。

2.1.2    接触起电实验方案

设计理念：

该实验的现象与摩擦起电相同，不经过摩擦的物体也带上同种电荷，发生排斥。接触起电是摩擦起电的并列概念，教师提出问题“没有摩擦是否也能使物体带电”，通过设问将前后知识进行连接。基于学情，学生认为会有不同的起电方式，思考却得不到答案，因而产生学习欲望。通过不同方式使得物体带电，得到相同实验现象，学生不仅在此过程中再次受到认知冲突，同时上一阶段的知识便成为新知识的先行组织者，新知识得以在原有认知结构上生长，学生不断地从前一部分摩擦起电的教学中得到同化，获取铝箔与塑料棒带上同种电性这一教学关键点。此时，教师进行教学目标引导：“铝箔在何时带上同种电荷”。将学生的直觉兴趣提升至操作兴趣，将课堂主导权交还给学生，引导学生探究科学原理，完善学生核心素养的教育过程。

实验用具：

塑料棒，毛皮，铝箔。

实验过程：

（1）教师摩擦塑料棒，使塑料棒（带电体）带有负电。

（2）将铝箔从空中自由释放。

（3）铝箔从空中下落，在接触塑料棒（带电体）后被排斥，运动状态由下落变成上升，最终悬浮在空中（图7）。

类比摩擦起电实验，学生不难发现铝箔运动状态的变化发生在与带电体“接触”时，经多次观察，结合对已有知识的分析可以得出，铝箔在“接触”带电体后受到力的作用，运动状态发生改变，最终得出结论——“接触”这一动作使得铝箔具有电性。教学过程中结合实验，在实验过程中指向学生学科核心素养的提高，不仅促进知识同化，也完成了新知识的教学。

2.1.3    感应起电实验设计

设计理念：

经过摩擦起电和接触起电实验，两者都为感应起电的教学提供了感性材料，为贯彻教学统一的逻辑，不妨将其作为感应起电教学内容的比较性组织者。教师提出问题“不接触能否使物体带电”，该问题与学习接触起电时的问题遥相呼应，将三者对等串联起来，在经历完接触起电实验后，学生会对此时提出的问题表示肯定，但又思考不出答案，表现出强烈的期待以及学习心向。在此实验设计中，实验现象将与前两者的实验现象完全相同，均为“排斥、悬浮”，现象相同可以很好地帮助学生进行知识同化，不同实验过程将给予学生足够的认识冲突以提升他们的学习兴趣。

实验用具：

塑料棒，毛皮，吹泡管（一部分为导体），泡泡液。

实验过程：

（1）教师通过毛皮摩擦塑料棒，使塑料棒（带电体）带有负电。

（2）带电体靠近吹泡管导体一端，保持靠近的状态。

（3）在带电体靠近导体的状态下吹出气泡（图8）。

（4）气泡在空中下落，在带电体靠近后，发生“排斥”，运动状态改变为上升，最终“悬浮”在空中（图9）。

如图10所示，学生认知结构中已经具有物体被带电体排斥是由于带上了同种电荷这一前概念，因此会快速且主动地实现新旧知识之间的联系，得出此时气泡也带上了与塑料棒同种电性电荷的结论。同时，学生注意点也会落在本节课的教学难点——实验中气泡是何时以何种形式带上相同电荷，因此可在感应起电的基础上增加对比实验，进行以学生为主的探究实验。

带电体在不靠近导体时将气泡吹出，对比气泡运动状态，可以得出此时气泡不带有同种电性。为证明气泡是否带电，可将手直接靠近气泡，通过气泡是否会向手靠近（静电具有吸附轻小物质的性质，力的作用是相互的）来进一步证明。

学生参与实验，不仅对已有知识进行巩固，通过分析过程，从不同角度思考问题，都起到培养学生物理核心素养的作用。综合上述对比实验，学生由自身认知结构出发，根据接触起电这一已有知识完成了感应起电部分知识同化，识别出了“靠近”会使得物体带电这个教学重点。

2.2    掌握物理规律，现象与本质的融会贯通

多个实验层层递进，前一阶段旧知识均是后一阶段新知识的先行组织者，体现出强关联性，相互之间又具有带电方式不同的明显可辨别性。经过多次实验的强化后，将学生的兴趣水平提高至了因果兴趣［4］。具有因果兴趣的学生观察到某种物理现象时，会迫切想要了解这种现象产生的原因；当原因被知晓后，学生又会渴望了解物理现象发展的后续，从而对事物的因果关系显示出极强的兴趣，此时学生的求知心向将非常强烈，结合先行组织者策略，如图11所示，此时可将新学习的三种起电方式进行融会贯通，攻克教学难点。

在义务教育阶段，学生具有“摩擦起电是由于原子核束缚电荷能力不同导致的”这一前概念，因此两个物体相互摩擦过程中，束缚能力强的会得到电子，束缚能力弱的将失去电子。由于自然界中物体一直在进行电荷交换，电荷数处于一个动态平衡。从这一已有知识出发将不利于中学阶段学生获得守恒思想，因此笔者将过程理想化，人为固定了物体所含有的电荷数量，将物体内部的电荷运动过程在实验中进行图示（图11），以此促进学生对知识的有意义建构，让学生体会到电荷并不是从无到有，而是在物体之间或者物体内部发生转移，从而打破原有平衡，最终对外显现电性，以此来建构学生的守恒观念。教师可通过图示来引导学生完成另外两种起电方式从感性认识到理性认识的过渡，实现学生思维逻辑的自洽，得到起电实质是由于电荷发生转移这一结论。

具有逻辑主线的教学方法，可以激发学生的理论兴趣，帮助他们更好地理解和掌握物理规律。理论兴趣是学生学习物理的最高兴趣水平，学生不满足于局部物理现象的因果关系，而是对某一类物理现象的物理规律更加有探索的欲望［4］，学生完成前、后实验的自洽，在心理上得到满足，此时需要教师提供一定的引导，如思考“电荷总数在转移过程中的变化情况”，学生可快速完成余下的教学重点突破，即“电荷守恒定律”守恒观念的建立。

3    结论与建议

如何调动学生已有知识，提高学习积极性一直是研究者们关心的问题。在新课改背景下，教学与实验应该学用一体、知行合一，使学生能在拓展性学习中强化创新意识、科学精神、社会责任等物理素养［7］。学生并非一无所知地进入教室，他们在日常生活和以往的学习中积累了丰富的经验。教师可引导学生运用课程中形成的物理观念和科学思维去分析和解决生活中的问题，进一步增强实践意识，养成科学态度。这样不仅能锻炼学生的独立思考能力，还能让他们在实践中理解和掌握物理知识，从而提高他们的探究能力和创新能力。总的来说，理论兴趣的培养和高中物理课程的教授是相辅相成的。

从义务教育开始，学生基本形成了一定的物理观念、科学思维和科学探究能力；高中阶段，在物理观念的学习过程中，我们对学生的科学思维和科学探究能力等提出更高的要求，即对物理概念、规律等具有更深刻的逻辑关系认识。在高中的教学设计和实施中，可以结合有意义学习理论，实行先行组织者策略，强调如何从学生已有知识出发，激发学生的学习欲望，同时将知识进行串联，形成鲜明的前后逻辑关系，这对于培养学生的物理学科核心素养和逻辑思维能力具有重要的指导意义。

参考文献：

［1］王强.逻辑思维链在物理概念建立过程中的应用——一次师范生讲课比赛后的反思［J］.物理教学，2021，43（7）：16-18.

［2］田望璇，邢红军.建构逻辑主线  彰显教学本质——以“电荷及其守恒定律”为例［J］.中学物理教学参考，2018，47（15）：10-12.

［3］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］梁树森.物理学习论［M］.南宁：广西教育出版社，1996.

［5］奥苏伯尔，诺瓦克，黑伊西.教育心理学——认知观点［M］.余星南，宋钧，译.北京：人民教育出版社，1994.

［6］王惠来.奥苏伯尔的有意义学习理论对教学的指导意义［J］.天津师范大学学报：社会科学版，2011（2）：67-70.

［7］吴新.基于新课改的高中物理教学模式优化研究［J］.广西物理，2022，43（4）：159-161.

（栏目编辑    邓   磊）

收稿日期：2024-04-03

基金项目：2021重庆市教育科学“十四五”规划重点项目“基于‘STEAM+理念的青少年人工智能教育教学案例研究”（2021-GX-013）；2022重庆市高等教育教学改革研究项目“构建‘STEAM+特色的人工智能课程体系研究”（223145）；2022重庆市研究生教育教学改革研究项目“面向新时代创新能力提升的物理学研究生教学改革实践”（yjg223075）；2023重庆市研究生教育“课程思政”示范项目“物理课程与教学论”（YKCSZ23102）。

作者简介：洪志浩（1993-），男，硕士研究生，主要从事物理学科教学论研究。

*通信作者：杨英（1978-），女，教授，主要从事物理学科教学论研究。