基于具身認知的高中物理學科教室建設

羅 成

(浙江省桐鄉市鳳鳴高級中學，浙江 桐鄉 314500)

新高考改革背景下,學生自主選擇學習科目的同時,走班選課教學大力推進,為保障課改的有效進行,學科教室建設成為高中學校的新任務．作為深化普通高中課改先行的浙江省,僅2017年,省教育廳就投入省級專項經費1000萬元,資助全省公辦普通高中建設400個學科教室,加上地市及學校配套經費,學科教室的建設可以說是浙江省保障高中課改的一項大投入．大投入如何取得大產出,必然要求站在教育教學的需要來建設學科教室．

1 具身認知與學科教室建設的關系

1.1 學科教室有利于學生的真實情境學習

學科教室是選課走班制度下,以服務師生學科教學為宗旨,促進學生在內生動力驅使下主動學習的學科環境和學科資源的有效配置．學科教室的建設不單是教育投入與硬件升級的問題,更是新課改對教學組織和育人方式的變革提出的需要．學科教室建設要以培養學生學科核心素養為邏輯起點,在學科教室建設與使用過程中促進學校學科體系建設和推動以學生為中心的教學方式提升．教育的發展不再是簡單的以知識為全部內容的教育體系,新的學習方式更加強調真實的任務、真實的情境,強調跨學科,體驗性和實踐性．學科教室通過構建學科情境,配置豐富的學科資源,在真實的情境中提升學生學習內驅動力,促成學生的深度學習和模型有的效建構．

1.2 具身教育為學科教室建設提供了理論基礎

具身認知是心理學中一個新興的研究領域,具身認知理論主要指生理體驗與心理狀態之間有著強烈的聯系．具身認知的思想家主張思維和認知在很大程度上是依賴和發端于身體的,身體的構造、神經的結構、感官和運動系統的活動方式決定了我們怎樣認識世界,決定了我們的思維風格,塑造了我們看世界的方式．在具身認知理念下的具身學習十分重視環境的作用,關注學生學習的不同物理空間環境以及所含的各種要素和文化,在情境中把情感和認知學習結合在一起,實現心靈、身體、環境的相互激蕩,在情境中實現學生的真實體驗和思考．在具身課堂上,學習不再是單純的認知活動,情感已伴隨其中,相互觸動、相互補充．

《創設聯結:教學與人腦》一書認為,人作為一個完整的生命系統,在學習過程中身心各方面不是單一的而是聯結在一起的,包括認知、情感等都會整體地發展．作為服從人的發展需要的學科教室,不但需要適合學生學習方式變革的要求,要體現物理學科的教學特點,更要充分考慮學生物理學習過程中的身心發展需要．

具身理念下的物理學科教室建設,可以構建與創設更為真實的體驗情境,為調動學生多種感知覺參與課堂活動提供條件,以引導學生以體認的方式認識世界,形成經驗,促進學生物理問題的生成,幫助學生物理問題的探究解決．

2 具身理念下物理學科教室建設

物理學科教室建設要綜合考慮物理學科實驗為基礎,建模為發展,探究與問題解決為教學特點的要求,以實現物理課堂的情境性、體驗性、參與性與交互性．在具身理念的指導下,可以從以下幾個方面進行綜合考慮．

2.1 擴大活動空間,為具身體驗提供充足的場地,將學生身體帶入學習探究過程

普通教室的布置以學生桌椅、講臺與黑板為主,現代的教室還配置交互式電子白板或一體機等,在普通教室適合講授式或對話教學．但物理教學過程中,普通教室對物理實驗的可視性及學生實驗的體驗參與會有一定的影響．因此,在物理學科教室的設計中,要考慮學生對實驗參與的需要,這種需要不同于物理實驗室給學生提供實驗操作臺,而是需要創造一個大空間給學生具身參與運動體驗．更需要學生全身的參與和學生群體的加入．

有一個結合新實驗器材使用的創新體驗實驗,利用數字電容表可以測量出較小的電容,因此,我們可以構建一個人體電容器,兩組學生并排對列作為電容器的兩個極板(圖1),各組一個學生接觸數字電容器的測試筆,改變兩列學生間面對面的距離來模擬改變電容器兩極板間距離d,改變兩隊人數或改變學生站立或下蹲的姿勢來模擬電容器兩極板正對面積的大小,數字電容器在學生的各種改變中顯示出不同的電容大小．這個實驗中,參與人數不受限制,而且參與的人越多,電容的變化范圍越大,局限性則是參加人員受活動空間影響,大空間的物理學科教室相比普通教室就有了明顯的優勢．

麻省理工學院的網絡物理課程中,我們看到教授用長近10 m,重十幾公斤的擺球做單擺實驗.在這個實驗中學生上臺做標記驗證單擺的等幅振動、教授自己又站在球上以增加擺球質量驗證單擺振動周期與擺球質量無關.在震撼的表演中給學生心理的振動與視聽及運動的感受,用身體測量擺球的振幅與運動時間,其教學效果遠勝于我們在講臺上用鐵架臺與小擺球的演示．反觀有些學校的物理學科教室,為了美觀,將層高4.8 m的教室加個吊頂,變成3.8 m的標準辦公層高,使物理實驗在空間受限．大空間的營造不但能讓學生具身參與單擺、碰撞等真實過程,也可以架設高長的滑梯體驗力的分解與超重失重等,用身體測量運動過程中所受支持力的大小變化．

具身認知要求學生用身體器官參與課堂,促成學生全身心的參與課堂,在豐富的感知覺中獲得更多的物理信息．而學生群體的共同參與,更能促進學生的全身心參與．這就需要在物理學科教室的設計過程中,將學生桌椅相對集中,留出更多的活動空間讓學生參與活動體驗．

2.2 提供更多的具身刺激,為概念學習喚醒感官體驗,讓學生以豐富的知覺參與學習

普通的物理實驗室都會配置一定的實驗器材,可以滿足一般課堂教學演示實驗或分組實驗需要．但普通實驗或器材有時不能完全調動學生觸、聽、嗅、視、動等知覺系統,作為物理學科教室應該有比普通教室或實驗室更豐富的體驗提供,而豐富的感官體驗不可能憑空想象,需要結合物理學習的需要給學習者實實在在的感官接觸與體味．物理學中較少涉及嗅覺的使用,因此,在物理學科教室的建設中,可從視聽與運動體驗來做具體設計．

圖2 提升自己

一是為學生肢體體驗提供條件,將不可見的物理概念轉化為對身體的刺激．例如,在電感和電容的教學中,有一個“人陣”實驗,可以讓全班成員牽手一起參加,一起感受電感線圈放電時產生的瞬間高壓,當強電流短時間通過人體的時候,“麻”的感覺就是“電流強度”、“電壓”等概念間建立起了更直接的聯系．再如圖2中“提升自己”的活動,通過兩組不同滑輪組的體驗,學生用雙手感受拉力的大小后進行滑輪的力學分析,在明確的結論導向下可以更好地進行受力分析．這些體驗,物理學科教室有著比普通教室更好的條件．

二是給學生光與影的觀察,用視覺刺激豐富學生的物理體驗．在物理學科教室中,光的色散與干涉等都因呈現精美的圖像而深受學生喜愛,從而降低了物理光學的學習困擾,普通的物理實驗中,通過平面鏡及棱鏡等進行光學實驗,學生雖然可以觀察到一般的光學現象,而在物理學科教室中,通過設置大型的棱鏡與平面鏡組,做成一個較大的“萬花筒”,學生自己作為成像對象進行觀察,可以獲得更好的實驗體驗(圖3)．而天體物理與原子物理等內容的學習中,或因我們生活的空間相對太小無法感受宇宙的運動,或是研究對象過于微觀而在普通生活中無法觀察,以至于學生在這些內容的學習中困難重重．在物理學科教室,可以引入VR體驗設施,通過VR體驗星際航行、感受原子聚變與裂變的情況,讓物理現象從遙不可能變得直觀真實(圖4)．

圖3 體驗萬花筒

圖4 VR體驗

三是給學生觸覺體驗,把不能觀察的轉化為具身的感覺．較于傳統的“聽說”課堂,調動學生的觸覺體驗無疑是學科教室的一大優勢．例如對于大氣質量及壓強的概念,傳統的教學中除了理論與現象的分析,也會輔以一定的實驗,如用直尺撬動給一張鋪在桌面的報紙,以顯示大氣的真實存在．而在學科教室中,則可以制作一個密集的“釘床”,讓學生踩踏或椅靠,每一個釘子對皮膚的刺激相當于一個氣體分子撞擊容器壁的產生的力量,從而讓學生對氣體壓強的產生形成更為形象的認識．

2.3 展示科技生活史料,為興趣激發營造標識化科學環境,在沉浸式感染中促進學習者投入

具身認知理論認為學習資源在學習者學習動機的激發和維持,以及指導學習者高效學習有較強的作用．教師的新型教學策略的設計也會需要更多的場景與器件,現代的物理教學,不一定非要實驗室的標準化器材才能完成相關的實驗或演示．因此物理學科教室的布置,也可以引入生活中的科技史料,讓學科教室更具時代感與“物理味”．

一是時代感的生活體驗．我們可以將老式縫紉機與自行車放進物理學科教室,讓學生感受上世紀80年代生活的時同時,能更多的在動手體驗中了解圓周運動中的各種傳動關系;通過“家庭電器歷史展”,比較老式收音機,黑白電視機與現代電子產品的區別,也可以用老電視的顯像管做電子偏轉實驗,更真實地探究電與磁的世界．失之交臂的東西對一般的人來說更具有吸引力,上世紀的生活場景總能激發21世紀學生的學習興趣．擺弄上世紀80年代“三大件”與電子產品,在激發學生物理學習興趣的同時,這些“史料”更接近高中物理知識的工作原理,為學生的具身學習創造了機會．

二是標識化的物理學習環境．沉浸式的環境,以其“帶入感”促進學生的知覺體驗．物理學科教室的建設,可以讓天花板、墻壁、地板、桌椅等都成為物理學習環境構建的載體．裝飾成“八星繞日”的天花板與吊頂,噴繪上偉大物理實驗的窗簾,物理學家的靜態雕塑與掛圖,在軟裝上可以凸顯物理的味道;放置老式電話、打字機、收音機、電視機的展示架,擺放物理學習資料與科技書刊的圖書柜,硬件的豐富為物理教室增添科技的元素．

2.4 可變的空間布局,靈動師生位置,實現教與學的立體交互

由于抽象概念不能從外部世界的知覺狀態中直接獲得, 所以我們不能通過“看”或者“聽”直接得到抽象概念,語言工具理論(Language tool theory, Borghi & Cimatti, 2010)認為語言學習、人際交流才是抽象概念獲得的基礎．當然,學生的具身體驗也包括語言的輸入與輸出．能讓學生更好地進行人際語言體驗,也應該是物理學科教室建設需要考慮的問題．物理學科教室應該為師生對話交流創造更有效的師生共享的空間,讓師生進行合作交流．

開放式教師座席,為師生對話打開時空限制．如圖5所示，我們在學科教室的黑板側方設置教師開放式座席區,席后放置學科參考資料、常用教學儀器與電子白板．除了教師辦公備課與個別輔導,更方便師生及時對話互動與交流．在對重點問題的討論過程中,教師可以及時借助電子白板或物理實驗儀器進行演示,也可以讓學生自己通過實驗或探究尋找正確的答案．

(a)

(b)

聽做分區,保證聽課的交流與實驗的近距指導．在教室整體空間布局上,將實驗操作區與學生聽課區相對分開,學生聽課區采用可移動的一體式聽課椅,保證師生間合適的距離,同時避免普通實驗室中教師講課時學生擺弄實驗器材帶來的干擾．必要時,可以通過講學區的課椅的移動實現大空間布局,以方便更多學生參與的具身體驗．在實驗區,教師也能擴大觀察面,及時發現學生實驗操作過程中的問題,并近距離提供指導．

“BBS”留言與互動．在教室墻壁的處理上,留下一個學生學習成果討論與展示板,讓學生可以用便簽紙將自己學習中遇到的問題公布出來,讓其他學生進行BBS式交互解答,或將學習過程中的照片張貼出來,從而真正構建教與學的雙向互動情境,增強學生對物理學科學習的熱愛．

學科教室是新的教學改革背景下的新產物,更齊全的學習場景、更靈活的交互空間,更豐富的具身體驗.這些都將在學生物理觀念學習,科學思維培養、科學探究方法等方面產生更大的作用．