基于“學習進階”的問題加工方式探討 ①
——以“滑輪”教學為例

王 力

(江蘇省南通市北城中學,江蘇 南通 226011)

1 學習進階簡介

2007年美國國家教育委員會(NRC)給出了學習進階的定義：描述學生在一定時間跨度內,對于某一主題,依次進階、逐步熟練和深化的思維方式,這種思維方式能在主題學習和探究過程中得到連續發展。學習進階理論認為學生的思維發展過程具有進階的特點,學生的學習過程就是思維發展從簡單到復雜的連續發展過程。[1]

2 物理問題的加工方式

2.1 數據驅動

在經典物理學研究中的問題解決通常是由實驗到規律,進而建構整個理論體系,如熱學、經典力學、電磁學的發展,屬于數據驅動的加工。[2]數據驅動是研究者先收集大量的現象、數據，然后進行分析,從而揭示事物的本質屬性和規律。對應的認知方式是數據驅動的加工方式,以研究中生成的數據為加工對象,并使加工的信息滿足科學現象。[3]

2.2 概念驅動

現代物理學研究中的問題解決通常是以理論模型為起點,然后回到實驗,利用實驗驗證理論的準確性,如相對論、量子力學的建立,應用了概念驅動的加工方式。[2]概念驅動是研究者先提出假設性的理論,建立理論模型后進行推演、預見,然后根據實驗事實來驗證理論。對應的認知加工方式是概念驅動的加工方式,以已有理論與事實經驗之間的矛盾等作為研究的起點,以理論分析時產生的問題為加工對象,使加工的信息滿足科學理論。[3]

3 基于“學習進階”的問題加工方式

在“滑輪”一節的教學中，需要探究的問題為滑輪的種類、定(動)滑輪的特點及其實質，教學設計主要有以下兩種。

3.1 教學設計一

活動1：生活中的滑輪有哪些應用？請你對它們進行分類。

活動2：探究使用定滑輪和動滑輪的特點。

實驗一：探究定滑輪工作時的特點

(1) 組裝定滑輪,豎直向下拉彈簧測力計,使鉤碼勻速上升,讀出拉力F。

(2) 改變鉤碼的個數,重復實驗,把測得的數據填入表1。

表1

實驗二：探究動滑輪工作時的特點

(1) 組裝動滑輪,豎直向上拉彈簧測力計使鉤碼勻速上升,讀出拉力F。

(2) 改變鉤碼的個數,重復實驗,把測得的數據填入自主設計的表格中。

活動3：閱讀教材，總結定滑輪、動滑輪的優缺點及其實質。

3.2 教學設計二

活動1：初識滑輪。

(1) 觀察滑輪,說出它的特征，它在生活中有哪些應用？

(2) 模擬提水過程,使用一個滑輪把重物提升到高處，你有幾種不同的方法？對滑輪進行分類。

活動2：再認滑輪。

提水時滑輪能替代杠桿，避免了杠桿的缺點,它們有什么聯系？

活動3：重識滑輪。

出示如圖1所示的自制木質滑輪,滑輪分上、中、下三部分,用木質插銷相連。演示滑輪的實質時,取下滑輪的上、下兩部分,變形后的滑輪(杠桿)仍能工作。找出杠桿五要素,認清滑輪的本質,分析滑輪工作時的特點。

圖1

活動4：四認滑輪。

驗證定(動)滑輪工作時的特點：(1) 根據表2,以小組為單位，完成實驗，展示匯報。(2) 實驗數據與理論數值有什么差別？分析原因，用實驗數據予以說明，并完善結論。

表2

3.3 兩種教學設計的比較

以上兩種教學設計都能達成教學目標，但是設計的理念不同,圍繞核心概念建立的具體操作過程存在差異,導致學生學習進階的程度大相徑庭。

教學設計一在科學探究環節中,教師通過預設實驗步驟,讓學生按要求動手實驗，并完成數據的記錄,通過分析、討論,從記錄的數據中歸納出規律性結論,再通過閱讀書本內容進一步深入理解結論。其科學探究的起點是觀察,先采集、分析數據，后得出結論,屬于自下而上的數據驅動的加工。這樣的設計環環緊扣,降低了探究的臺階,學生接受了“一站式”服務,在學習上得以快速進階,習得新知。但在學習過程中,學生的思維的“一馬平川”，經歷的是“復制”“粘貼”式的探究過程,看似順利突破了重難點,實則只是暫時繞開了學習中的障礙,學生的學習能力并沒有得到提升。

教學設計二與教學設計一在教學組織的邏輯結構上相反,在簡單認識滑輪之后,利用自制教具,組織學生運用杠桿的知識來解構滑輪,對滑輪的工作特點進行理論剖析,總結定(動)滑輪工作時的特點。最后通過實驗,引導各小組做出科學性評價,進一步完善結論。

教學設計二中科學探究的起點是分析產生的問題,在流程上是先有結論，然后再結合數據分析，驗證、完善結論,屬于自上而下的概念驅動的加工。通過“四認”滑輪,使邏輯思維、直覺思維、形象思維協同合作,使學生的能力螺旋上升。“一認”滑輪是生活場景的重現,它幫助學生初步認識滑輪并進行分類。該過程僅需根據記憶或簡單的理解就可以完成,屬于較低層次的能力要求；“二認”滑輪,實質上是對滑輪的初步解構,學生需要利用形象思維,根據兩種簡單機械的構造,找出靜態滑輪和杠桿在結構上的聯系,此過程是記憶的知識配合簡單理解完成的,在能力要求上有所提高；“三認”滑輪,此時學生不能僅憑記憶和簡單理解去完成動態滑輪的解構,必須在直覺思維的介入下,找到更多信息,將多個孤立事實(如靜態滑輪、工作時動態的滑輪、杠桿的五要素以及杠桿平衡條件)進行整合，最終總結出理想情況下滑輪工作時的特點,能力要求屬于較高層次；“四認”滑輪是基于實際數據，進一步完善理論模型,讓學生經歷批判性思維過程,體會科學探究中證據、邏輯的重要性。在進行教學設計時運用概念驅動的加工方式,使學生在學習中的思維連續且不斷向精致化方向發展,實現了知識與能力的升華與躍進。

4 引發的思考

從數據驅動的加工到概念驅動的加工,物理問題的解決方式發生了重要轉變。目前初中物理教學中問題解決的方式多為數據驅動的加工,“數據”既是學生思維的“支點”,也成了解決問題的重要“提示”。從認知發展的角度看,數據和現象的處理主要對應于具體運算水平,需要具體事物和能觀察到的實際現象的支持,如果問題足夠具體,學生可以完成復雜的運算,因此數據驅動的加工對應較低水平的認知能力。

如何在初中階段使學生的能力得到進階？改變物理學習中“只會做題”“不會思考”的現狀？筆者認為,利用概念驅動加工方式解決物理問題是重要的途徑。

(1) 概念驅動的加工符合形式運算特點

初中生的思維已經能夠擺脫具體事物、過程的影響,將現實性和可能性區分開,能夠以假說或理論為前提,進行假設推演,得到符合邏輯的結論,并用實驗來檢驗假設,進而解釋現象或提出新的假設。與此同時,達到形式運算水平的學生,還能夠進行反思,分析、尋找思維過程或結論中的矛盾,發現理論的局限性,從而進行完善。顯而易見,概念驅動的加工方式是符合形式運算特點的一種較高水平的認知方式。

(2) 概念驅動的加工可以深化形象思維的運用

概念驅動的加工首先需要研究者先提出假設,建立新的理論模型。在原有的知識經驗的基礎上重新整合與加工,創造出新概念、新理論。它既可以是已知的知識經過加工和物理現象相結合產生的新形象,也可以是幾個毫不相干的事物聯系在一起形成的新事物,在此過程中形象思維通常以想象的形式出現。

(3) 概念驅動的加工可以加強直覺思維的運用

理論分析時產生的問題是概念驅動加工的對象,它只暴露出事實的部分特征,很難做出邏輯性的判斷,只能根據已知的理論或現象,利用類比、猜想和非邏輯的方法進行啟發式的領悟。信息的提取和加工具有跳躍性等特點,這就要求直覺思維的參與,跳過個別細節,從整體上去認清事物的本質。

(4) 概念驅動的加工可以推進理想化方法的應用

理想化方法作為物理問題研究的常用方法,在概念驅動的加工中也是普遍使用的。通過建立理想化模型,抽象經驗事實,提取理想化客體,通過想象、利用直覺思維和邏輯思維進行理想化實驗,最終找出事物最本質的屬性。

在初中物理教學中,我們不僅要認識這種基于學習進階的概念驅動的加工方式,更要讓它在課堂中落地生根,促進學生能力的提升。