多重表征與學(xué)習(xí)進(jìn)階整合的“庫侖定律”教學(xué)探索

陳 昊 王長江 陳仁旭

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

“表征”(Representation)一般是指用某一種形式將一種事、物、想法或知識重新表現(xiàn)出來[1].對于同一個(gè)事物的表征，既可以是語言文字表征，也可以是圖像表征，不同的表征形式一起統(tǒng)稱為多重表征.在國外，關(guān)于物理教學(xué)的多重表征研究，有許多都明確了多重表征教學(xué)策略在物理概念理解和規(guī)律應(yīng)用與遷移方面獲得成功[2]，因此,結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，研究多重表征教學(xué)也會(huì)給教學(xué)帶來新的啟發(fā).

1 多重表征與多重表征教學(xué)

1.1 多重表征理論

多重表征，也被稱之為多元表征.一般地，在教育心理學(xué)研究領(lǐng)域中，研究者眼中的多重表征泛指多重外在表征(Multiple External Representations,MERs)，是指為學(xué)習(xí)者提供多樣化、彈性的信息呈現(xiàn)方式，對于一個(gè)知識點(diǎn)或?qū)W習(xí)對象，分別利用文本、圖片圖像、真實(shí)照片、動(dòng)畫、模型、多媒體等方式來顯示，以達(dá)到學(xué)習(xí)障礙的最小化，學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)的最大化[3].本文將物理表征主要分為以下幾種：

文字/語言表征、數(shù)學(xué)表征、圖像表征、物理模型表征、動(dòng)畫/圖片表征、實(shí)物表征.

以上這些表征按照特征，可以分為兩類：形象表征和抽象表征.

形象表征包括圖像表征、動(dòng)畫/圖片表征、實(shí)物表征，其特點(diǎn)是直觀地展示物理信息，知識一般而言是內(nèi)隱的.

抽象表征包括文字/語言表征、物理模型表征和數(shù)學(xué)表征，其特點(diǎn)是它由不同符號通過一定的規(guī)則、語法組織而成，能夠傳遞抽象的、較精準(zhǔn)的信息，知識是外顯的.

1.2 多重表征教學(xué)

多重表征教學(xué)則是將多重表征的理念系統(tǒng)化地實(shí)現(xiàn)，有目的地在教學(xué)中體現(xiàn)多重的表征形式，并通過不同的手段將其有機(jī)結(jié)合，通過教師進(jìn)行精心有序的符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的設(shè)計(jì)，以多樣的教學(xué)形態(tài)進(jìn)行的教學(xué)[4].

多重表征教學(xué)與傳統(tǒng)的教學(xué)形式相比，更加注重以多種表征的形式進(jìn)行教學(xué).在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)在知識學(xué)習(xí)的各個(gè)階段使用不同的知識表征形式(Multiple Representations)，使學(xué)生學(xué)會(huì)構(gòu)建更高質(zhì)量和更完整的表征形式，其學(xué)習(xí)效果比傳統(tǒng)教學(xué)策略更好[5].

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在課程理念上強(qiáng)調(diào)教學(xué)方式的多元化，而且在對核心素養(yǎng)的要求上也要求學(xué)生發(fā)展“物理觀念”要素[6].使用多重表征進(jìn)行教學(xué)可以讓學(xué)生從多個(gè)角度學(xué)習(xí)知識，幫助學(xué)生全面深刻地理解概念和規(guī)律.例如在學(xué)習(xí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的過程中，同時(shí)用文字表征、數(shù)學(xué)表征、圖像表征展示勻變速直線運(yùn)動(dòng)過程，可以讓學(xué)生清晰地把握運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律.

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階與多重表征教學(xué)的聯(lián)系

美國國家教育委員會(huì)認(rèn)為，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”是學(xué)生在一個(gè)較大的時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)或者探究知識時(shí)，其思維所遵循的連貫且不斷深入發(fā)展的路徑的描述[7].在運(yùn)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行物理教學(xué)時(shí)，要保證知識結(jié)構(gòu)的完整性和連貫性，在概念學(xué)習(xí)的進(jìn)階教學(xué)中，關(guān)鍵點(diǎn)就在于進(jìn)階節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí).

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為，有意義的、生動(dòng)的材料容易學(xué)習(xí)和理解，而多重表征教學(xué)就是通過多方位的知識表征方式的展示，來幫助學(xué)生學(xué)習(xí).在學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)部分，由于不同進(jìn)階節(jié)點(diǎn)的知識不同，對于表征教學(xué)的要求也不相同.

具體來說，對于低水平部分的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)部分，一般需要形象表征，因?yàn)樗m合直觀展示，符合學(xué)生在學(xué)習(xí)初階段的思維；對于中水平部分的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，需要形象表征和抽象表征共同使用，它能夠充分增進(jìn)學(xué)生感知和對知識的理解；對于高水平或者終點(diǎn)的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，需要使用抽象表征和形象表征結(jié)合，學(xué)生能夠從多角度，多方位地看待知識，全面提升學(xué)生的思維品質(zhì).一般的整合方式如圖1所示.但是具體的使用，還需要結(jié)合案例做一定的調(diào)整.

圖1 多重表征和學(xué)習(xí)進(jìn)階整合圖

3 以“庫侖定律”為例的多重表征教學(xué)

3.1 庫侖定律的學(xué)習(xí)進(jìn)階與多重表征聯(lián)系

通過對庫侖定律系統(tǒng)知識點(diǎn)的邏輯順序以及學(xué)生知識基礎(chǔ)的調(diào)查，依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想確定庫侖定律多重表征的教學(xué)分析,如圖2所示.

圖2 庫侖定律多重表征的教學(xué)分析圖

3.2 多重表征與學(xué)習(xí)進(jìn)階整合的“庫侖定律”教學(xué)案例

(1)學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)一——庫侖力的影響因素和點(diǎn)電荷模型的建立

在教學(xué)過程中，可以通過圖片/動(dòng)畫表征創(chuàng)設(shè)一些有趣的靜電力實(shí)驗(yàn)情境，如“水流偏轉(zhuǎn)”“羽毛吸引”等.引入實(shí)驗(yàn)如圖3所示.

圖3 演示視頻圖片

視頻播放過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考物理現(xiàn)象背后的規(guī)律.視頻播放結(jié)束后，教師可以指出本節(jié)課的教學(xué)目的：探究帶電體間的相互作用規(guī)律.

教師提問“兩個(gè)帶電體間的相互作用力可能與什么因素有關(guān)？”讓學(xué)生闡述自己的觀點(diǎn)，如可能與帶電體的形狀、大小、電荷量、距離等因素有關(guān).然后提問：“研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要問題是物體的運(yùn)動(dòng)過程，其形狀大小對物體運(yùn)動(dòng)沒有顯著影響時(shí)，可以忽略，因此我們建構(gòu)了質(zhì)點(diǎn)這一理想模型.如果帶電體之間的距離很遠(yuǎn)，比它們自身大很多時(shí)，它們的大小和形狀及電荷的分布對所研究的相互作用力影響大嗎？”引導(dǎo)學(xué)生思考“質(zhì)點(diǎn)”模型的建立過程，通過對比引入“點(diǎn)電荷”模型.展示庫侖定律的點(diǎn)電荷模型如圖4所示，請學(xué)生類比“質(zhì)點(diǎn)”思考“點(diǎn)電荷”是怎樣的帶電體[8].

圖4 電荷間作用力的點(diǎn)電荷模型

設(shè)計(jì)意圖：在引入階段，圖片動(dòng)畫表征可以讓學(xué)生直觀地看到帶電體的實(shí)物，對庫侖力的作用產(chǎn)生印象，形成初步的感知.而使用物理模型表征學(xué)習(xí)點(diǎn)電荷，能夠?qū)⒋我蛩睾雎缘簦c“質(zhì)點(diǎn)”模型比較，能讓學(xué)生更容易想象、理解和刻畫點(diǎn)電荷模型，理解庫侖力的影響因素.

(2)學(xué)習(xí)進(jìn)階節(jié)點(diǎn)二——庫侖力大小的定性研究和定量研究

學(xué)生猜想庫侖力與距離、帶電荷量有關(guān)后，教師引導(dǎo)學(xué)生回答研究一個(gè)量和多個(gè)量的關(guān)系時(shí)，采用什么方法？(控制變量法).

向?qū)W生展示描繪庫侖力實(shí)驗(yàn)原理的模型如圖5所示，討論實(shí)驗(yàn)操作過程：一組保持兩個(gè)帶電體的電荷量不變，改變帶電小球位置；另一組保持帶電小球位置固定，改變固定帶電體的電荷量.因?yàn)閹щ娦∏驊揖€的傾斜程度表示庫侖力大小，所以需要觀察帶電小球懸線的傾斜程度.

圖5 庫侖定律實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理后，領(lǐng)取器材，每組領(lǐng)取到“電荷間作用力演示器，橡膠棒，毛皮，帶絕緣柄的金屬球，刻度尺各一件”，其中電荷間作用力演示器如圖6所示.教師引導(dǎo)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)操作：距離的改變是通過在滑槽內(nèi)移動(dòng)金屬球底座.電荷是通過摩擦起電，小球是通過接觸然后帶電，小球的電荷量通過拆分法，摩擦橡膠棒多次接觸增加帶電荷量.偏轉(zhuǎn)角度的大小代表靜電力的大小.

設(shè)計(jì)操作方案，讓學(xué)生畫出實(shí)驗(yàn)表格，分組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想.最后通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：兩電荷間的距離越大或電荷量越小，庫侖力越小.

圖6 電荷間作用力演示器

上面的實(shí)驗(yàn)只能得到庫侖力的定性關(guān)系，具體的庫侖力的定量關(guān)系需要教師使用PPT(圖片表征)和視頻(動(dòng)畫表征)展示學(xué)習(xí).讓學(xué)生對照PPT自主學(xué)習(xí)教材內(nèi)容，了解實(shí)驗(yàn)過程、原理和操作方式，然后與同桌相互討論庫侖扭秤測量的過程.讓學(xué)生再一次觀看實(shí)驗(yàn)視頻思考自己的想法，學(xué)習(xí)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的技巧，即用轉(zhuǎn)換法和微小量放大法對靜電力進(jìn)行測量.在資料展示中可以將庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)列出，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：在探究庫侖定律的定性實(shí)驗(yàn)階段，圖片動(dòng)畫表征可以直觀展示實(shí)驗(yàn)原理圖，讓學(xué)生明白如何控制變量.使用實(shí)物表征和圖像表征教學(xué)，能讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程，制作表格記錄數(shù)據(jù)，提升學(xué)生動(dòng)手能力.在定量探究階段，用圖片動(dòng)畫表征把科學(xué)史和科學(xué)家探索庫侖定律的過程展示給學(xué)生，可以引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的科學(xué)論證過程，學(xué)習(xí)如何用轉(zhuǎn)換法和微小量放大法對靜電力進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)概念的學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的提升.文字和數(shù)學(xué)表征中能夠展示出庫侖定律精確的信息和具體的表達(dá)式，從而讓學(xué)生完整地理解庫侖定律.在整個(gè)教學(xué)過程中，不同的表征形式穿插交替地結(jié)合出現(xiàn)，能夠讓學(xué)生在經(jīng)歷探索庫侖定律過程中對其深入理解.

(3)學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)——庫侖定律的適用條件

在庫侖定律的教學(xué)內(nèi)容完成后，學(xué)生需要思考庫侖定律的適用條件.

(1)“兩個(gè)點(diǎn)電荷之間距離趨于零時(shí),相互作用力是否趨于無窮大？”回顧新課引入中的演示視頻，引導(dǎo)學(xué)生推理，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的距離趨于零時(shí)，電荷已不能看成點(diǎn)電荷，庫侖定律將不再適用.通過資料展示給學(xué)生具體的數(shù)值：庫侖定律的適用范圍是10-13～1026m.

(2)“多個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用是怎么樣的？” 靜電力同樣具有力的共性，遵循牛頓定律和力的平行四邊形法則，結(jié)合受力分析的物理模型，根據(jù)力的疊加原理，多個(gè)點(diǎn)電荷存在時(shí)，某點(diǎn)電荷受的靜電力，是其他各個(gè)點(diǎn)電荷對其靜電力的疊加.

設(shè)計(jì)意圖：使用動(dòng)畫/圖片表征能直觀展示庫侖力作用效果，引發(fā)學(xué)生思考和推理，結(jié)合物理模型表征學(xué)習(xí)，能在回顧受力分析知識的同時(shí)，通過類比，學(xué)習(xí)庫侖定律的適用條件.數(shù)學(xué)表征，能給出庫侖定律的適用范圍，能讓學(xué)生在具體數(shù)值上對庫侖定律的適用條件有一定的認(rèn)識，了解庫侖定律的內(nèi)涵和外延.最終達(dá)成學(xué)習(xí)進(jìn)階的第三水平.

4 結(jié)束語

綜上所述，在物理教學(xué)中，多重表征和學(xué)習(xí)進(jìn)階的有機(jī)結(jié)合是學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念，認(rèn)識物理規(guī)律的一種重要方式，它為知識和思維的具象化提供了新的解決途徑.對于學(xué)習(xí)進(jìn)階的不同階段，多重表征的構(gòu)建都不盡相同，教師應(yīng)該靈活選用合適的表征方式進(jìn)行教學(xué)，考慮所選擇表征的科學(xué)性.同時(shí)，教師也應(yīng)該在教學(xué)過程中滲透使用多重表征的意識，對學(xué)生多重表征能力加強(qiáng)訓(xùn)練和指導(dǎo).