基于“類比腳手架模型”的電流概念教學研究

唐安琪 黃 云 袁海泉

(1. 蘇州工業園區星港學校,江蘇 蘇州 215021; 2. 蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

電流概念是電學中最基本的概念之一,也是初中學生學習的第一個電學物理量,更是進一步學習初、高中電學概念和規律的必要的預備知識;電流概念的學習是諸多電學抽象概念如電壓,電阻等概念學習的基礎,學生學習好電流概念可以為諸多電學抽象概念的學習提供方法的指導．

由于電流概念具有不可見、抽象的特性,因此經常造成學生的學習困難．電流概念的理解也一直是心理學與教育的研究焦點．學生對電流存在認知障礙的原因有:一是電流概念是抽象的概念,它看不見,摸不著,對它的學習更偏重于抽象化的理解,學生缺乏與電流相關的感性經驗;二是學生身心發展程度不夠．剛升入初三的學生,思維還處于形象向抽象過渡的時期,抽象思維能力的不足,阻礙了學生對電流概念的理解．三是學生對電流概念存在很多錯誤前概念,例如“遞減模式”:學生認為電流從正極出發,經過各盞電燈時被“用掉”,“回到”負極就少了等等．三是初中化學的學習落后于物理中電流概念的教學,無法為學生提供必備的知識支撐．

本文在文獻綜述分析學生學習電流前概念的基礎上,分析了普通類比教學的效果,將“類比腳手架模型”用于初中物理電流概念的教學,通過“水流模型”和“車鏈模型”消除學生的錯誤前概念,建立正確的電流概念,通過向“輸入空間”增加具體的“整合層”來幫助學生搭建理解電流概念的腳手架,以期為物理抽象概念的教學提供借鑒和思考．

1 學生學習電流的前概念分析

大量研究表明,學生在學習電流概念時存在著大量前概念,這些前概念影響到學生對電流概念的學習．翟冰茹[1]通過對調查問卷分析,發現初中學生在電流認識上都存在有大量前概念,這些前概念妨礙了學生學習科學概念和認知發展．主要包含:“恒定電流源，每個電源提供的電流是恒定的”、“電流消耗模型，即電流沿著導線經過用電器逐漸被消耗”、“單極模型，即不需要回路,只要有正極就可產生電流”、“電流傳播需要一定時間”等．發現有些電流的前概念是比較容易轉變的,如電流的“單極模型”、“碰撞模型”．而有一些是學生通過傳統的教學方式轉變困難的．

總結出以下幾種學生轉變困難的電流前概念:電流到某處會停下來,斷開開關的前面有電流,后面沒有電流;電流的傳播需要時間，離正極近的小燈泡先亮,離正極遠的小燈泡后亮;串聯電路中電流“順序”消耗模型，離正極近的燈泡電流大,離正極遠的燈泡電流小;串聯電路中電流“分配”消耗模型,同樣的兩個小燈泡電流相等,電流等量分配;不同的小燈泡,亮的燈泡分配的電流多;串聯電路中電流的大小與導線的長短有關，離電源近的燈泡電流大,離電源遠的燈泡電流小．

陳妙龍[2]在對初中生電流迷思概念及其成因分析的基礎上,提出轉變學生電流迷思概念的教學策略,如直觀教學、概念圖教學、合作學習、科學史認知分析、類比教學等,并通過前后測比較發現上述促進學生電流概念轉變的教學策略是有效的．

2 電流概念教學中普通類比教學效果分析

在電流概念教學中,我們經常采用類比法進行電流概念教學,所謂類比法,就是根據兩個對象的某些相同或相似的特點,推斷它們在其他方面上也有可能相同或相似的一種推理形式,但任何兩種事物都不可能完全相同,在進行類比法教學的時候要注意弄清兩個類比對象的內涵,區別它們的相同與不同點．但是,簡單地使用單一的類比教學對于學生理解抽象物理概念的幫助并不是很大,教師將類比告訴學生,卻沒有考慮學生能夠接受這種類比,這種類比能否幫助學生真正形成正確的物理概念．

在電流概念教學中,最常用的類比模型是“水流模型”,主要有以下方面的原因:水流是水的移動,水的流動需要動力,相對應地，電流是電荷的移動,電荷的移動需要電場力．所以蘇科版教材以圖1所示的“電流—水流類比”模型幫助學生初步理解電流的概念,雖然將電流比作水流可以反映電流的某些特征,但卻不能很好地讓學生理解電流的方向性、瞬時性,學生進一步正確理解電流概念仍有困難．

圖1 電流—水流類比模型

3 電流概念教學中類比腳手架的建立

“類比腳手架模型”是美國科羅拉多大學物理系的Podolefsky 和Finkelstein 于2007年提出,[3]該模型建立了一個學生應用類比方法學習物理抽象概念的機制,并利用了表征、概念整合和概念分層的思想．描述了符號、指示物和圖式之間的關系,符號指的是外部的表征,例如課本、圖表、方程、手勢或者語言．圖式是用于解釋指示物—符號關系的認知結構．圖式的最重要的功能就是建立對事物、對象或情境的解釋．三者用節點表示(如圖 2),形成三角形的3個頂點,并且三角形的邊顯示了二者間的關系,每一個符號—圖式—指示物系統就組成一個完成的心理空間．

“類比腳手架模型”是研究者在認知科學相關理論基礎上提出的一種物理抽象概念教學的模式．張靜[4]綜述了類比腳手架模型的理論基礎、研究進展及成果,介紹了類比腳手架模型在物理抽象概念教學中的應用,我們將“類比腳手架模型”用于初中物理電流概念的教學,通過“水流模型”和“車鏈模型”消除學生的錯誤前概念,建立正確的電流概念．

圖2 符號、指示物和圖示的關系

圖3是整合了“電流—水流類比模型”和“電流—車鏈類比模型”產生的電流的類比腳手架模型,圖3(a)和(b)是兩個輸入空間,圖3(c)是一個整合空間,當一個輸入空間的要素與另一個輸入空間的要素有對應關系的時候,兩個輸入空間有選擇性的映射到整合空間,產生新的空間結構．很多時候,學生的頭腦中并沒有具備相關的關系結構.因此,只有對一系列整合空間進行選擇和分層才能搭建起概念形成的腳手架．

在第1層“電流—水流”模型中,圖3(a)表示的“水流空間”包括水流和相關的符號與圖式,圖3(b)表示“電流空間”包含一個沒有完全開發的電流概念,包括一根導線和燈泡以及相關的符號和圖式．圖3(c)表示的“電流空間1”是整合了水流特征的電流概念的整合空間,這個心理空間可以有其他形式,從電流輸入空間選擇電荷要素,從水流輸入空間選擇移動和動力要素,結合成整合空間的電流概念特征．

整合空間從不同的輸入空間選擇的要素有各種原則,一種可能的原則是:優先選擇能夠緊密聯系符號和指示物的圖式,在“電流—水流”模型中,水流相關的圖式把符號和指示物相連更加緊密,所以從“電流空間”只選擇了電荷這一圖式．學生第一次學習電流概念時,在類比過程中,學生很容易記住聯系更加密切的“水流模型”,“電流空間”的圖式很容易被忽略,這種原則解釋了學生如何根據他們的先驗知識創建整合空間．

另外一種可能的原則是:優先選擇用于提示混合的符號．圖3(c)中,整合空間中的符號是來自輸入空間的符號的混合體．它表示電荷和電流的投影,還包括了“水流模型”的流動和需要動力的圖式,這種原則解釋了可以通過精心選擇不同的標志提供整合空間的線索,這種原則與提供的學習材料緊密有關,教師提供特定的材料可以促進學生形成特定的整合空間．

圖3 電流的類比腳手架模型

這種整合空間的形成不是從一個結構到另一個結構的單向映射,而是混合了兩個輸入空間從而產生一個新的整合空間．而且,新生成的整合空間也可以成為新混合體的輸入空間．在第2層“電流-車鏈”模型中,新生成的“電流空間1”成為輸入空間,與“車鏈空間”繼續組合形成新的整合空間“電流空間2”,圖3(d)表示的“車鏈空間”包括車鏈和相關的符號與圖式,引入了數量不會減少和同時轉動的的圖式,形成了較為完整的電流概念．

通過選擇了“電流—水流”、“電流—車鏈”這兩個整合空間并進行分層,搭建起電流概念形成的腳手架,幫助學生建立起正確的電流概念,很好的消除了學生錯誤前概念，“電流—水流”模型的引入很好地轉變了“單極模型”、“碰撞電流模型”等錯誤前概念,而“電流—車鏈”模型的引入很好地轉變了“恒定電流源”、“電流消耗模型”、“電流傳播需要一定時間”等錯誤前概念．

基于以上電流的“類比腳手架模型”思路,設計了“電流與電流表使用”這一節課的教學設計,進行了課堂實施,發現上述模型對于學生電流概念的轉變是有效的,能夠有效幫助學生克服錯誤前概念,掌握電流概念的本質．