基于認知發(fā)展機制的過程設計
——以“胡克定律”為例

徐將二

(浙江省諸暨市第二高級中學,浙江 諸暨 311800)

從課程標準看,課標要求從學生熟悉的現(xiàn)象引入內(nèi)容,通過實驗探究彈簧彈力與伸長量的定量關系,進而比較深刻地理解胡克定律.從教材內(nèi)容看,人教版教材以通俗的語言、直觀的圖像、簡短的篇幅講述了胡克定律的獲得過程.從已有認知看,學生知道了在外力作用下產(chǎn)生了形變、在形變作用下產(chǎn)生了彈力,明白了彈簧彈力與伸長量的定性關系,學會了使用彈簧測力計的方法．雖然很多教師都知曉課標要求、教材安排、學生認知的這3方面內(nèi)容,但在實際教學過程設計中,還是出現(xiàn)了諸多問題．有鑒于此,必須對“胡克定律”的教學過程重新進行設計,以期對規(guī)律教學的改進有所裨益．

1 傳統(tǒng)過程設計及其問題

傳統(tǒng)過程設計主要由3個循序漸進、環(huán)環(huán)相扣的步驟組成．第1步引入規(guī)律,首先通過演示海綿的受壓來說明形變越大,彈力也越大(如圖1所示),然而海綿產(chǎn)生的彈力與形變的定量關系比較復雜,因此研究最簡單的情況——彈簧的彈力與伸長量之間的定量關系;接著通過如圖2所示[1]的演示實驗啟發(fā)學生去猜測彈簧的彈力與伸長量之間的關系;然后提煉學生的猜想．

圖1

圖2

圖3

第2步探究規(guī)律,讓學生根據(jù)如圖3所示的裝置去進行實驗,將學生分成若干組,不同組使用相同規(guī)格的彈簧(J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧)．其中1組實驗數(shù)據(jù)如表1所示,根據(jù)數(shù)據(jù)作出彈力與伸長量關系的F-x圖像(如圖4所示),圖像是一條不過原點的直線,在誤差允許范圍內(nèi)F與x成正比(F=kx),從而驗證猜想并獲得胡克定律．

表1

圖4

第3步運用規(guī)律,經(jīng)常采用如下的經(jīng)典習題:有一彈簧,當掛上2 N的鉤碼時,長為11 cm;當掛上4 N的鉤碼時,彈簧再伸長2 cm,求彈簧的勁度系數(shù)．

綜觀上述過程設計,發(fā)現(xiàn)存在以下幾個方面的問題: (1) 教材使用教條化．圖2中一個彈簧水平放置處于自由狀態(tài),同時用手拉另2個彈簧使其水平伸長一定的長度,這樣的操作比較麻煩.手拉彈簧的力是任意的,學生不容易猜想出彈簧彈力與伸長量之間的關系,導致猜想的指向性不明確.整個裝置放置在水平面上,不利于學生的觀察．這些負面影響實際上是由于教師把教材當作“圣經(jīng)”,照搬照抄教材內(nèi)容所致,其實教材為教師的教學過程設計指明了一個方向、提供了一個思路,教師應該根據(jù)教學實際情況用“教材”教,而不是教“教材”．(2) 結論獲取理想化．根據(jù)表1中數(shù)據(jù)作出的F-x圖像為什么是一條不過原點的“理想”直線而不是一條曲線?到底是什么樣的誤差造成圖像中的“理想”直線會變成更“理想”的正比例關系?為什么探究規(guī)律的過程會這樣“理想化”處理?究其原因,教師心中的“理想化”教學模式在作祟,導致對數(shù)據(jù)的處理、圖像的分析、規(guī)律的獲取沒有符合實際情況．(3) 規(guī)律應用片面化．所謂的經(jīng)典習題沒有真實的情境作為依托,與實際生活是脫離的,它偏重于生搬硬套規(guī)律、機械使用公式,實質是一種純數(shù)學公式的推理驗算來代替規(guī)律的實際應用,對學生科學思維的提升是毫無益處的．

2 基于認知發(fā)展機制的過程設計

規(guī)律教學的成敗,往往并不取決于教師向學生傳授正確的規(guī)律,而決定于學生的“準規(guī)律”是否向“科學規(guī)律”轉變．皮亞杰認為認知發(fā)展得以發(fā)生的主要機制是平衡,平衡可以通過同化與順應兩種過程獲得．[2]因此必須引導學生首先進行初步的觀察與思考建立“平衡”、形成“準規(guī)律”;接著進行深入的觀察與思考,經(jīng)過交流、討論、質疑,經(jīng)歷“失衡”過程,再獲“平衡”,形成“新規(guī)律”;然后經(jīng)歷“新”觀察與思考,打破原有“平衡”和認知方式,形成“新平衡”,建立“科學規(guī)律”．在經(jīng)歷過“失衡”向“平衡”轉化的過程、“準思維”向“科學思維”發(fā)展的過程,學生的認知才有可能得以發(fā)展與深化,才有可能避免出現(xiàn)傳統(tǒng)過程設計所形成的問題．

2.1 架設“橋梁” 建立“平衡”

為了使學生的認知更好地發(fā)展,可以在認知的“最近發(fā)展區(qū)”創(chuàng)設問題情境,一方面可以激活學生的原有認識、經(jīng)驗、觀念,另一方面作為學習的“橋梁”,可以關聯(lián)溝通新知識與舊知識,將新知識納入原有認知結構,導致認知結構發(fā)生“同化”,促使學生的認知處于暫時的穩(wěn)定平衡狀態(tài)．因此在實際教學中可以采用如下的過程設計．

首先讓學生體驗塑料直尺被彎曲實驗,親身感受形變越大,彈力也越大(如圖5所示).接著教師提出兩個問題:直尺產(chǎn)生的彈力與形變的定量關系容易研究嗎?哪種實驗器材更容易研究彈力與形變的定量關系?學生容易獲得答案:由于難以量化“力”與“形變”,即使量化了可能兩者的關系也比較復雜,因此不容易研究;彈簧的彈力可以用鉤碼的重力來替代,彈簧的伸長量可以用直尺來測量,因此可以用最簡單的彈簧來研究彈力與伸長量之間的定量關系．然后教師設置如圖6所示的演示實驗:將相同的5個強磁掛鉤相隔10 cm吸附在磁性黑板同一水平線上,再取5個相同的J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧掛在掛鉤上面,從左向右在彈簧下端掛上0、1、2、3、4個50 g的鉤碼．教師引導學生猜想彈簧彈力與伸長量之間的定量關系:由于彈簧在水平方向是等間距放置,彈簧所掛鉤碼的個數(shù)以等差數(shù)列增加的,所以水平方向可以表示彈力大小;假如以第一個彈簧下端為原點,那么向下方向就可以來表示彈簧的伸長量．學生發(fā)現(xiàn)彈簧的下端似乎處于同一傾斜直線上,那么可得彈簧彈力與伸長量可能成正比例關系．

圖5 圖6

上述第1個實驗相對于海綿受壓演示實驗,不但取材更加容易,而且學生親身體驗的感覺更加強烈,利于調動學生的學習興趣;第2個實驗在豎直平面上演示,利于觀察、便于操作,避免了在水平面上操作的不利影響．這兩個“臺階型”演示實驗,從定性到半定量化,為學生進行科學合理的猜想提供了真實有效的依據(jù),為學生原有認知(兩個變量成單調遞增關系)向新認知(兩個變量成正比關系)發(fā)展與進化搭設了“腳手架”,為學生建立“平衡”奠定了認知基礎．

2.2 引發(fā)“沖突” 獲得“平衡”

在學生同化新知暫獲平衡后,應當創(chuàng)設矛盾情境引發(fā)認知沖突,打破原有“平衡”,積極引導學生的認知狀態(tài)向“順應”轉變,主動修改原有認知結構,建立新的認知結構并獲得新的“平衡”,從而實現(xiàn)認知結構的深化與發(fā)展．因此在具體教學操作中可以采用如下的過程設計．

圖7

第一步,首先根據(jù)如圖7所示的裝置(圖中彈簧為J2110螺旋彈簧組中的“5 N”型彈簧),由教師完成相關實驗,得到的1組實驗數(shù)據(jù)如表2所示,接著讓學生根據(jù)數(shù)據(jù)作出彈力與伸長量關系的F-x圖像,學生得到的圖像如圖8所示,此時學生感到很困惑.

表2

圖8

為什么根據(jù)數(shù)據(jù)作出的圖像不是一條過原點的直線?圖像是否正確?然后教師順著學生的疑問,指出問題的焦點在于圖像的開始階段應該多收集些數(shù)據(jù),才能解決學生的疑惑．最后,教師再次進行實驗,得到的數(shù)據(jù)如表3中第3列所示,從而可以得到如圖9所示的圖像(圖線前面部分為曲線,后面部分為直線)．這個結論與學生原有認知產(chǎn)生了激烈的沖突,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是圖像是曲線而非過原點的直線,二是懸掛10 g鉤碼時彈簧伸長量竟為0．

表3

圖9

第二步,學生自主探究J2110螺旋彈簧組中的“3 N”型、“2 N”型彈簧的彈力與伸長量之間的關系,教師可以將學生分成若干組,每組選用的裝置如圖7所示,圖中彈簧換成“3 N”型與“2 N”型,提供的鉤碼有10 g,20 g,50 g,200 g 4個種類．學生根據(jù)在第一步中獲得的“經(jīng)驗”,模仿上述實驗操作,獲得了“3 N”型和“2 N”型彈簧的相應數(shù)據(jù)(如表3中第4、5列所示)及相應的F-x圖像(如圖10、11所示)．

第三步,首先教師將3種類型彈簧的F-x圖像集合在一起進行比較,讓學生觀察圖像發(fā)現(xiàn)其中的特點:3種類型彈簧的圖線前面部分為曲線,后面部分為直線,但“5 N”型彈簧圖線前面部分彎曲最明顯且不過原點,“2 N”型彈簧圖線前面部分幾乎沒有彎曲且?guī)缀踹^原點．接著讓學生猜測圖像形成的原因:彈簧自身的因素造成的,比如彈簧粗細、軟硬、大小、匝數(shù)、質量等等．然后讓學生思考從“5 N”型到“2 N”型彈簧,彈簧的粗細、質量等因素逐漸變小,其圖線形狀越來越趨向于過原點的直線,那么彈簧自身因素一切理想化后,它的圖線應該是怎樣的?學生容易獲得結論:理想彈簧的F-x圖像是一條過原點的直線．最后師生一起歸納總結胡克定律,弄清楚它的內(nèi)涵．

圖10

圖11

上述3個步驟中,第一步側重于在實驗情境中引發(fā)認知沖突,導致學生的認知處于失衡狀態(tài),為改變原有認知尋求新的平衡狀態(tài)奠定了基礎．第二步的自主探究過程強化了新認知,促進了認知結構的轉變,使新平衡趨于穩(wěn)定狀態(tài),使新認知得到了發(fā)展與深化,也為二次轉變準備了條件．第三步中通過極限思想與理想化方法處理研究對象,使順應過程得以順利進行,學生的認知再次發(fā)生轉變,重新獲得穩(wěn)定的認知平衡狀態(tài)．

2.3 應用“新知” 形成“平衡”

圖12

學生獲得新知識后,需要設置新情境,讓學生自主探究情境中的新問題,運用方法與策略解決新矛盾,促使同化與順應過程的再次發(fā)生,實現(xiàn)認知結構的再次轉變與發(fā)展,形成新的認知平衡狀態(tài)．因此在應用新知識中可以采用如下的過程設計．

首先由教師安排好各種器材:鍍鋅鐵絲彈簧(直徑為2 mm、匝數(shù)為10匝、外徑110 mm、螺距35 mm),50 g鉤碼若干個,1 m長直尺,鐵架臺一個．接著將學生分成若干組探究彈簧彈力與伸長量的關系,學生設計的實驗裝置如圖12所示,獲得的實驗數(shù)據(jù)如表4所示,作出的F-x圖像如圖13所示,圖線前面部分是直線,后面部分是曲線,圖線與學生原有認知既有相容的地方——直線符合胡克定律,又有矛盾的地方——曲線不符合胡克定律．然后,師生共同解決矛盾與問題:前面直線部分彈簧沒有超過彈性限度符合胡克定律,后面曲線部分超過彈性限度胡克定律不再適用．

表4

上述過程設計的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下3個方面: (1) 鍍鋅鐵絲彈簧比J2110螺旋彈簧容易演示超過彈性限度的情況,并且容易恢復原狀,利于學生觀察與操作; (2) 學生通過設計實驗裝置、進行實驗探究、獲得實驗結論,掌握了科學探究的方法,提升了科學思維的能力; (3) 學生在作出圖線、分析成因的過程中,促進了認知結構的再次同化與順應,促進了穩(wěn)定平衡狀態(tài)的形成．

圖13

3 規(guī)律教學過程設計的啟示

依據(jù)上述過程設計,可以得到以下3點啟示．

(1) 以科學探究為手段.

“科學探究”是指提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．[3]因此在規(guī)律教學過程設計中,必須以科學探究為手段,通過科學探究來學習科學知識與方法、提高實驗素養(yǎng)、提升問題解決能力、發(fā)展科學思維、養(yǎng)成科學態(tài)度與責任．

(2) 以科學思維為重點.

“科學思維”主要指高中物理中重要的思維方法,包括建模的思想、理想化方法、分析綜合、抽象概括、批判性思維、推理論證等思維與方法．[4]因此在規(guī)律教學過程設計中,必須以科學思維為重點,展現(xiàn)學生的思維過程、揭示學生的思維特征、提升學生的思維能力與品質．

(3) 以認知發(fā)展為中心.

學生習慣于原有認知結構去解釋問題,一旦原有認知結構與新事實產(chǎn)生沖突,就會出現(xiàn)認知不平衡狀態(tài),教師應當引導學生,通過同化與順應機制去克服認知不平衡而達到穩(wěn)定的“新”平衡狀態(tài),從而使認知得到發(fā)展與深化．因此在規(guī)律教學過程設計中,必須以認知發(fā)展為中心,通過鋪設臺階與引發(fā)矛盾等策略,促使“準認知”向“科學認知”轉化．