聚焦建構過程的概念教學范式

摘?要：以建構主義教學觀和新課程核心素養(yǎng)育人目標為出發(fā)點，以“電場強度（第1課時）”為例，論述了高中物理概念建構教學的范式與理念.提出了概念課的“SWHWA”可視化認知框架，提煉了引導自主建構的途徑及整合學習材料的原則，歸納了社會建構的學習共同體策略和基于可視化教學的元認知監(jiān)控策略.

關鍵詞：認知框架;可視化;建構;元認知

文章編號：1008-4134（2020）05-0054中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目：廣州市教育科學規(guī)劃（Guangzhou?education?scientific?research?project）2016年度課題“基于思維導圖的高中物理課堂教學實效性的研究”（課題編號：1201554015）.

作者簡介：高榮順（1982-），男，山東臨淄人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理課程與教學.

建構主義主張重視學習過程的自我建構和社會建構，在核心素養(yǎng)背景下落實學生主體地位，發(fā)展科學思維，落實“立德樹人”培養(yǎng)目標需要著眼于建構的過程.在概念的建構過程中又應當聚焦學生的思維過程，圍繞思維訓練實現(xiàn)物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任的培養(yǎng).

1?“電場強度（第1課時）”教學設計

教學環(huán)節(jié)1：物理史話——電場是客觀存在的物質.

1.1?學習材料與資源

相隔一定距離的電荷或磁體之間的作用是如何發(fā)生的？在物理學史上曾經(jīng)存在兩種解釋，一種是以牛頓學派為代表的超距作用，即這是力的一種基本形式，具有力的瞬時性特征，超距就是說這種力的傳遞與介質無關、不需要介質，另一種是法拉第的場物質觀，即認為由于電荷或磁體的存在，其本體在周圍空間激發(fā)出“場”，電荷之間、磁體之間的作用力其實是通過“場”這種介質傳遞的.

超距作用在19世紀之前為主流的科學家所接受，安培甚至按照牛頓力學的模式建立了磁體對電流的“中心力”概念，給予“超距作用”以定量的數(shù)學表達.

超距作用觀點的提出源自于樸素的以物論物的哲學思辨，而無實證依據(jù).事實上，牛頓力學的基礎——絕對時空觀也是建立在這個基礎之上，比如歐幾里德幾何空間、質點模型、點電荷模型等.到19世紀末絕對時空觀在科學領域受到質疑甚至尖銳的批判，后來愛因斯坦建立了完備的相對時空觀.

科學之所以令人信服并非因為權威，也并非因為其具有定量表達的數(shù)學形式，而是嚴謹?shù)膶嵶C依據(jù).法拉第場物質的觀念正是發(fā)展于這樣一個牛頓權威影響甚廣、擁躉不斷補充體系日趨完整的背景，1791年法拉第生于一個英國鐵匠家庭，他有九個兄弟姊妹.由于家境貧窮，法拉第沒有受到完整的教育，小學畢業(yè)后就去一家小印刷店當學徒，這使他有機會讀到很多書.他酷愛讀書，印刷店中有什么書他就讀什么書.由于豐富的閱讀，法拉第能夠用清楚簡單的語言傳達思想，但其數(shù)學能力只限于最簡單的代數(shù)，對其他更高階的數(shù)學（如微積分）并不熟悉，當時的牛頓學派基于嚴密抽象的數(shù)理體系對于他來說過于難懂，卻接受了“以力論物”的哲學和宗教觀點，比如康德提出：“物質是一連串假設的結果，只有力才是最根本的，物質由力來組成，空間為力所充滿”，波斯柯維奇的觀點更是與牛頓的時空觀大相徑庭，用空間的力取代了牛頓的物質和真空.

1831年“力線”的提出，是具有較深的哲學印痕的法拉第場觀念的最初萌芽.法拉第這種“場”的思想在當時是很超前的，很多后人佩服他當時的想象力和創(chuàng)造力，他深知基于哲學思辨的結論更需要科學實驗的支撐.法拉第發(fā)展自己的場思想的過程就是對牛頓的科學觀背離和否定的過程.

1837年法拉第通過實驗（介質電容率的測定、電感應曲線的傳播方式）發(fā)現(xiàn)電作用、磁作用與電荷之間或磁體之間的介質有關，確定了這種作用的非瞬時性，有力地否定了超距作用.

1845年，由于對磁致旋光效應現(xiàn)象的解釋，法拉第找到了磁場實體的證據(jù).磁光效應是指磁場使光的偏振面發(fā)生一定角度的偏轉，當時?“光是一種電磁波，而波是一種客觀物質”?的觀念已經(jīng)被廣為接受和證明.因此光一定也是一種物質而非性質，既然這種物質并非磁體，那一定就是磁體激發(fā)產(chǎn)生的另一種物質——磁場.

1851年，法拉第在研究了物質順磁體和抗磁體的導磁機制后進一步完善了自己的思想并指出磁場是一種真實存在的實體.

場的提出直接動搖了牛頓力學的基礎，引起了科學界的一片質疑，因為牛頓是物理學中的神，對牛頓的任何質疑都無異于褻瀆，而且法拉第因為數(shù)學基礎薄弱，給不出場的數(shù)學描述，這更是授人以口實.

1855年，麥克斯韋發(fā)表論文“論法拉第的力線”，這是對法拉第研究的數(shù)學描述，法拉第的觀點和麥克斯韋的數(shù)學完美地結合在了一起，1865年，麥克斯韋推導出了優(yōu)美的麥克斯韋方程組，這不僅是法拉第場思想的數(shù)學描述，更是奠定了近代物理電磁學一百多年以來賴以發(fā)展的基礎.

1855年，法拉第發(fā)表“論磁哲學的一些觀點”，將引力場、電場、磁場都納入空間力場的范圍，至此法拉第全面徹底地否定了牛頓的超距論，建立了自己基于科學實證的“場物質觀”.

1867年，法拉第離開了人世.他劃時代地提出了場的概念，在理論上消除了物質和能量的界限，愛因斯坦的質能方程只不過是他思想的具體化，其意義不亞于牛頓統(tǒng)一天地，也許已經(jīng)不能用科學家來稱呼這個偉人了，更應該用哲學家來贊頌他，他是在用思想來理解世界.愛因斯坦說過，“對于我們，法拉第的一些觀念，可以說是同我們母親的奶一道吮吸來的，他們的偉大和大膽是難以估量的.”

1.2?問題與探討?（如圖2）

教學環(huán)節(jié)2：探究電場的性質.

電場的性質如圖3所示.

【教學引導過程參考】?通過跨學科類比硫酸的性質（如圖4），得知性質依附于物質，是物質的屬性，只有在一定的條件下性質才得以顯化.

1.3?電場的力的性質的探究歷程

1.3.1?探究歷程的框架與路徑

1.3.2?探究歷程的思考與討論

【教學引導過程參考】電場的基本性質之一就是對電荷有力的作用，Q所激發(fā)的電場對試探電荷q有電場力的作用.由此可見F是性質的體現(xiàn)而非性質本身，當然也就不能表征性質.反過來說該性質只有在試探電荷q的存在下才能得以顯化，若無試探電荷存在該性質是內隱的.因此顯化描述該性質的要素就包含q和F.再用控制變量的方法探究試探電荷電荷量q不同的情形以及位置不同的情形即可歸納出電場強度表示式為E=F/q.學習框架如圖5所示.

教學環(huán)節(jié)3：定義電場強度的思考與討論.

表2?雙向建構反思的問題鏈設計

①電場與電場線哪一個是客觀實在？

②電場強度是矢量還是標量？

③學習電場之前，庫侖力F的施力物體和受力物體分別是誰？

學習了電場之后，定義式中的F施力物體和受力物體分別是誰？

④如何從F-q圖象中找到電場強度的信息？

⑤通過閱讀教材，回答電場線如何描述電場強度的大小和方向

【教學引導過程參考】?略.

教學環(huán)節(jié)4：鞏固練習.

（1）真空中有一個電荷量為+Q的點電荷，則距其為r的P點的場強大小為，這個公式就是點電荷在某點的電場強度的表達式.

（2）從點電荷+Q的場強表達式中可以看出，某點的場強與電荷有關，而與電荷無關，還與該點到+Q的有關，距離越大，場強越.

（3）如圖6所示，到點電荷+Q距離為r的點分布于同一球面上，則Ea=?，Eb=，Ec=.

（4）在點電荷-Q激發(fā)的電場中場強方向是怎樣的？在圖7中畫出a、b、c三點的場強方向.

（5）如圖8，點電荷+Q、-Q分別位于RtSymbolDA@

PAB的兩個頂點，SymbolPC@

PAB=30°，求P點的電場強度Ep.

（6）請列舉學過的用比值定義法描述的物理量.

2?聚焦建構過程的關鍵節(jié)點，搭建圖示化的認知框架

思維活動是學習建構過程中的核心活動，教學設計必須圍繞思維活動這個核心，而認知主體在圍繞某一主題展開的一系列復雜的思維活動中的關鍵節(jié)點決定著思維發(fā)展的脈絡、認知過程的框架、教學的時序.因此，概念教學也必須因循其相對穩(wěn)定的認知框架（圖2、圖5）.

而可視化的認知框架對于思維能力的培養(yǎng)有積極意義：第一，以可視化的形式對思維過程形成有力的支撐和引導，引導思維活動從無序向有序、從低效向高效發(fā)展;第二，條理化結構便于將認知過程分解、審視、找出底層規(guī)律，抵達問題核心;第三，不同的物理概念需要在上述認知框架基礎上進行局部調整和變化，而學生在不同的概念學習過程中完成認知框架的不斷內化和遷移，這正是思維靈活性的基礎.

認知框架的設計應當契合學科知識的內在邏輯，結合學生的心理發(fā)展水平，以教學目標或需要解決的問題不同而開發(fā)編制，在教學活動中以可視化形式展示出來，使學生有一個清晰的整體認知，同時又一脈相承，次第展開，體現(xiàn)學習進階[1]的過程.本課題研究歸納了高中物理概念的建構過程，提煉了“物理情境（Situation）—研究對象（Who）—研究方法（How）—得出概念（What）—順應練習（Applycation）?”五個關鍵節(jié)點，并以此作為概念課思維活動的“SWHWA”認知框架.

3?有機整合學習材料，引導學生的自主建構

以皮亞杰為代表的認知建構主義強調充分發(fā)揮學生的主體地位，給予學生獨立思考和發(fā)展的機會，形成自己的認知體系.學習的結果，不只是對某種刺激作出特定反應，而是頭腦中認知圖式的重建.教師可以為學生提供自我建構的認知框架，但不能越俎代庖，將本該由認知主體自我完成的思辨過程大包大攬.教師應該從以下方面促成學生自我建構的優(yōu)質高效完成.

第一，在教學設計時，應當著眼整合思維材料以充分調動學生的學習動機.

思維材料的形式分為四類：一是引發(fā)興趣的演示實驗、分組實驗;二是發(fā)人深省的問題（見表2）;三是引發(fā)認知沖突的物理現(xiàn)象;四是趣理兼?zhèn)涞奈锢硎吩?思維材料的整合必須遵循以下原則：①小容量性原則.刪減冗余的信息，不占用過多的信息加工時間.②典型性原則.即該思維材料承前啟后，在知識的同化和順應過程中便于形成和引起新認知圖式的建構.③嚴謹性原則.即材料的各部分之間必須具有嚴謹?shù)倪壿嫿Y構，體現(xiàn)科學的實證精神.④“最近區(qū)域”原則.尤其對于物理史話而言，作者當初預設的讀者群體與教學對象的認知水平不一定相同.對于史料敘述的詳略不一，那些超出學生認知范圍的需要改、刪;那些一句帶過卻又缺乏邏輯性的就要細化、充實.

第二，學生自主建構過程中，教師觀察巡視時應提供建設性、啟發(fā)性的意見或問題，而非直接指出錯誤之處或者給出正確的思路.雖然斯金納的行為主義學習理論認為即時強化是控制行為的最好方法，對學生的反應作出的反饋越快，強化效果就越大，但是這種效果也僅僅是見于當時的行為效果，而非認知轉化之下的思維效果.實踐證明，這種及時反饋的強化機制是低效或者無效的.

第三，對學生的自我建構歷程形成“過程性評價”[2]，通過學生自評、互評，組間評價、教師綜合評價等形式，關注學生的個性成長、關注學生的能力提高等，這些都有利于調動學生思維的積極主動性，形成自我建構、獨立思考的良性循環(huán).

4?組建學習共同體，鼓勵社會建構

以維果茨基為代表的社會建構主義認為個體所處的環(huán)境作用并規(guī)范著知識建構的歷程.知識建構的過程，不僅需要個體與物理環(huán)境的相互作用，更需要通過學習共同體[3]的合作互動來完成.學習共同體（learningcommunity）是指一個由學習者及其助學者（包括教師、專家、輔導者等）共同構成的團體，他們彼此之間經(jīng)常在學習過程中進行溝通、交流，分享各種學習資源，共同完成一定的教學任務.學習共同體具有兩種基本功能：一是社會強化功能;二是信息交流功能.

本課題研究歸納我校原來“導師指導下的小組合作”[4]學習模式，整合“問題導向”的教學理念，形成了“以問題鏈為主線、以師生合作互動為基本形式”的學習共同體策略（表1、表2）.問題鏈設計，首先梯度要貼近學生思維能力水平，其次問題之間應當邏輯嚴密、環(huán)環(huán)相扣、層層深入，注重問題之間形成嚴密完整的邏輯鏈條，讓學生感受到邏輯的魅力和真理的力量，最后問題應具有一定的啟發(fā)性，在一定程度上引導學生的批判創(chuàng)新思維能力、概括能力.師生互動、生生互動應當以感知交換[5]為基礎，以情感互動為紐帶，以思維互動為核心，以行為互動為表現(xiàn).

5?元認知監(jiān)控策略貫穿建構過程，形成認知圖式

建構主義認為，知識只有在應用中才能完成認知的雙向建構，在內外化雙向建構過程中，同化與順應的功能始終在發(fā)揮作用.內化建構本身體現(xiàn)了主體對客體的順應;外化建構本身則體現(xiàn)了客體被主體所同化.因此，物理概念是否習得，學生對概念理解水平的診斷和評價也必須在一定的物理情境與問題（表2）中才能得以體現(xiàn).課堂練習作為概念的順應過程必不可少，但也不能設置一些超出學生能力水平和教學目標的題目.

一般而言，概念課的課堂練習分為理解鞏固與變式拓展兩類.設置理解鞏固類的題目是為了再次回顧知識的“同化”過程，提煉物理思想方法，深化對概念的理解;設置變式拓展類題目是為了在復雜情境中完成知識的“順應”過程，活化概念的理解.

對習題的點評除了引導學生獨立思考與小組討論外，更應當側重于元認知過程監(jiān)控策略.

元認知監(jiān)控策略是對認知的監(jiān)控，以往元認知策略的實施往往礙于認知過程的隱形化，即使勉強用語言表達也非常低效，元認知監(jiān)控也就變成少數(shù)“極具自我反思意識”同學的專利，教學中無法實現(xiàn)，而本課題基于思維導圖的可視化教學設計為元認知策略的實施提供了一種解決途徑.其一，可視化教學設計將學生的認知過程顯化，便于師生比較思維過程的對錯優(yōu)劣;其二，思維導圖的時序主線、邏輯結構明晰，便于師生對思維過程的整體把握和知識體系的內化.實踐表明，元認知監(jiān)控策略對于完成概念的雙向建構，形成認知圖式具有明顯效果.

6?結束語

教學實踐必須落實概念的建構過程，落實學生的主體地位重在學生思維活動的參與，教師在課前充分預設，整合學習材料、呈現(xiàn)可視化的學習歷程，在課中適時引導兩種建構，以元認知策略貫穿兩種建構過程，促成認知圖式的形成.

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（收稿日期：2019-11-17）