運用情境支架教學促進學生物理概念的學習進階

摘 要：促進學生深化理解物理概念的教學是物理教學的重要組成部分，學生概念進階的思維路徑并不唯一，各路徑的迷思與凌亂區間情況不同，教師的教學應當選擇多數學生的迷思或凌亂路徑，針對性地創設情境支架，通過情境支架揭示概念本質，促進學生實現概念的學習進階.

關鍵詞：概念教學;學習進階;情境支架;凌亂區間;踏腳板

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0033-04

基金項目：江蘇省十三·五教育立項課題“‘互聯網+背景下初中物理情境體驗式教學的實踐研究”（項目編號：C-c/2016/02/67）.

作者簡介：

薛鈺康（1963-），男，江蘇蘇州人，本科，中學高級教師，研究方向：教材研究、課堂教學、物理實驗、物理科學方法教育.

物理學是研究物質及其運動規律的一門科學，物理學的理論體系由物理概念和規律組成，物理規律則表達了物理概念間的相互關系.實踐表明，學生在物理學習上出現的問題與困難大多源自于對物理概念理解的不清晰，學生由于對概念理解不透、混淆不清，就難以真正理解公式、定律的內在聯系和深刻含義，因此，學生在解決實際問題時便極為困難，極易出現錯誤.基于上述分析，教師對于物理概念的教學便顯得極為重要，也可以這樣說，概念教學是物理教學最重要的部分.

現代認知建構理論表明，學生的學習過程不是海綿“吸水”的過程，而是類似于房屋“建造”的過程，是在學生原有知識經驗的基礎上完成新知的建構.奧蘇泊爾說“如果我不得不把教育心理學的所有內容簡約成一條原理的話，我會說：影響學習最重要的因素是學生已知的內容.弄清楚這一點后，進行相應的教學”.這里學生“已知的內容”相當于教育學中通常所說的前概念或前知識，教師在物理課堂開展概念教學就是幫助學生對前概念知識進行轉化、建構達成現在學習新概念知識的過程，這就是學習進階的過程.

1 關于學習進階的路徑

學習進階（learning progressions，簡稱LPs）也稱學習進程，美國國家教育委員會（NRC）的報告《將科學帶入校園》（Taking Science to School）中給出的定義是：學習進階描述學生對于某個主題連續的、更加熟練的思考方式，這些思考方式能隨著學生對這個主題的學習和探究依次連續發展.因此，學習進階并非簡單地指學生是否獲得某個知識，而是指學生全部學習過程，這里的“階”代表學生不同的思考方式，或者說是學生不同的思維路徑.這類似于理查德·費曼（Richard Phillips Feynman）對量子力學路徑積分的描述，粒子從初始時間的位置A到終點時間的位置B間的路徑有多條，如圖1所示，其概率用波函數的平方來反映，最終從A到B由所有路徑的和或泛函積分而得到的量子幅來取代經典力學的單一路徑.人的思維路徑是否也是量子化？也許可能.但學生多路徑的思考方式確實在實際教學事件中得到反映，學生在面對同一個問題時，其表現出解決問題的思考、表達方式均有差異，特別是當學生面對陌生的、比較有難度的問題或內容更是如此.對我們每一個個體而言，在解決問題的過程中思維運動的過程也是多樣、復雜變化的，最終指向歸一.

學習進階的進“階”有多種描述方式，以概念進階為例，有專家提出可以分為：同一階段不同概念間的進階;不同階段相同概念的進階.借用Alicia C.Alonzo與翟小銘在《學習進階：描述學生思維發展的有效方式》一文中的“高錨點”與“低錨點”來描述進階則比較方便，其中“高錨點”代表教師期望學生學習達到的理解水平，“低錨點”代表學生進入課堂時所達到的理解水平.那么，學習進階就是發生在學生“低錨點”與“高錨點”之間不同的思考方式.教師的教學過程應該發生在“低錨點”與“高錨點”之間.由于它們之間的進階存在許多路徑，不同路徑之間存在差異，分別有迷思的、有錯誤的等各種不同的凌亂區間，教師要從所教的對象即學生的實際境脈出發，對路徑有選擇性地進行突破，以幫助學生達成學習進階.以上便是教師的教學任務，這不是積分，而是選擇.Alicia C.Alonzo與翟小銘在《學習進階：描述學生思維發展的有效方式》一文中同樣指出：更重要的是，學習進階理論通常會關注學生的“錯誤思考”，因為有時這更能有效地刻畫學生在特定層級的思考方式.因此，尤其是在“凌亂區間”，學習進階重點在于描述從學生視角來看有意義的特征.

2 情境支架促進概念學習進階

學習進階的發現一方面使教師關注學生在學習過程中的思維方式、思維路徑，另一方面還使教師認識到路徑中的“凌亂區間”，它對課堂教學具有極大的潛在價值，它能為教師描繪出學生思維發展更清晰的圖景，從而有助于教師選擇最恰當的教學方式，設計能夠幫助學生的思維從凌亂區間中突圍的教學方式，從而幫助學生實現進階到學習的“高錨點”.

不同學生思維路徑中的“凌亂區間”可能不盡相同，原因與學生對同一學習內容所具有的原有“已知內容”不同有關，這就是“階”，也是教學進階的“踏腳板”.有專家指出：“一個給定學習進階的‘階通常會同時包含學生習得的知識內容和一些非科學的概念.”因此，奧蘇泊爾強調教師要關注學生“已知的內容”，基于學生認知建構的概念轉變來看，“凌亂區間”中很重要的一種情況是學生的“迷思概念”，迷思概念是指“學生在學習科學概念之前即具有的直覺知識或與正統科學知識不符的概念”.

迷思概念是學生學習進階過程中的最大困擾，也是學生實現學習進階必須克服與解決的問題，物理學科的最大優勢在于“以物釋理”，教師通過創設充分的物理情境支架來助推學生澄清概念迷思，實現學習進階.有專家說“情境是讓抽象、瑣碎的知識對兒童更有意義”，教師教學設計的最大關注點就是尋“階”與破“階”，對物理教學設計中起到重要作用的工作就是創設有效的物理情境支架來破“階”.

2.1 事例一：“電阻”概念教學的實例

“電阻”是在學生學習“電流”“電壓”概念之后學習的電學概念，什么是電阻？教材給出的解釋為：“電阻是導體對電流的阻礙作用.”學生僅僅憑這樣一句話理解“電阻”的概念便極其困惑.學生理解的主要困難在于以下問題：（1）雖然在此前的教學中，教師用類比法進行電流的教學，但電流很抽象，看不見、摸不著，部分學生甚至沒有理解電流的概念.（2）電阻如何阻電？（3）電阻是什么“東西”？

從學習進階的角度分析，本節課的起點“電流”是學生的“低錨點”，如圖2所示，“電阻1”是教師應當在初中物理教學中向學生傳授的“高錨點” ，“電阻2”可以看作更高學習階段的“高錨點”，可以是高中或大學教學的達成目標.初中物理教學學生思維發生在“低錨點——電流”與“高錨點——電阻1”之間，不同學生的學習路徑不同.如圖2所示，教師根據經驗或錨測可以知道多數學生發生的思維凌亂區間是“運動阻礙”，這個“運動阻礙”迷思概念就是初中物理“電阻”概念教學的“階——踏腳板”.學生此時并不知道導體內部電荷運動情況，很難理解“運動阻礙”，教師應當如何處理？

克服學生思維迷思的最佳方式是通過實際情境的呈現，讓學生實現認知的同化或順應.因此，教師可以再次利用“類比”方法設計一個情境支架：用三根相同的、兩端開口的透明塑料管，一根空管，一根裝一些障礙物（如紗布、顆粒物等），第三根障礙物裝更多一些，如圖3所示.然后，教師分別從上端管口注水，但需要注意的是注水水流應當相同，從而讓學生觀察下端管口出水水流的情況，為了便于學生觀察，可以將注入的水染成紅色.從實驗中學生可以看到下端出水的情況不同，原因是同樣的水在不同的管中受到的阻礙不同，教師進而與學生共同分析類比：“水流”類比“電流”;“水阻”類比“電阻”，幫助學生建構“電阻”概念，實現“電阻”概念的學習進階.

在這里，教師設計這個情境支架的目的在于幫助學生破“階”，有的放矢地促進學生學習進階，而這最關鍵的一步是確定大多數學生的“階”.

這里還需要說明的一點是，實際電阻與水阻之間存在本質差異，就像電磁波與水波的差異一樣，電阻與導體內電子的運動與碰撞等相互作用有關.因此，學生通過類比對“電阻”的認識在進一步的學習時便會出現“迷思概念”，這就是從“電阻1”到“電阻2”的學習進階，所以，“迷思概念”不等于“錯誤概念”，其發生與學習者的學習階段有關，學習者對于概念的認識與理解不可能一步到位，而是逐步進階，人類對自然的總體認識也是如此，物理學從牛頓的絕對時空觀到愛因斯坦相對論時空不也是同樣如此嗎？這是對大境界的認識進階而已.

2.2 事例二：“壓強”概念教學的實例

“壓強”是在學生學習“壓力”概念之后，為了比較壓力作用效果而引入的一個物理量，它在現實中具有重要意義，可以用來比較不同物體的抗壓程度等等.壓強作為一個定量物理量的建構，教師在實際教學中引導學生進行“探究壓力作用效果”的實驗后，學生明確要比較壓力的作用效果可以通過“相同壓力情況下比較受力面積的大小”或“相同受力面積的情況下比較壓力的大小”的方法，但是不明確為何引入壓力F與受力面積S的比值來表示.

如圖4所示，學生知識的起點“壓力”是“低錨點”，“壓強1”是教師需要在初中物理教學中幫助學生達到的“高錨點”，學習進階發生在“低錨點——壓力”與“高錨點——壓強1”之間.學生的多重思維方式構成學生的學習路徑，根據對學生的了解，可以知道大多數學生對于路徑4存在概念迷思，迷思點就在“相同受力面積”“相同壓力”兩種情況之外，“不同受力面積，不同壓力”如何比較？針對初中學生的年齡特點所具備的認知情況而言，這便是“比值定義法”的“階”或者是“踏腳板”.該如何進行突破？

通過創設“問題解決”情境支架.

情境1：兩個邊長分別為2cm、5cm的橡皮泥正方體，放在水平桌面上，要如何比較它們所產生的壓力作用效果大小？

解決方案：學生通過實際操作，提出通過切割的方法，使其受力面積或壓力相同，可以比較出二者大小關系.

情境2：一頭大象站在水平地面上，大象重6×104N，每只腳底的面積是600cm2;芭蕾舞演員重475N，一腳點地，腳尖與地面接觸面積是9.5cm2.如圖5所示，試比較大象和芭蕾舞演員對地面壓力作用效果的大小關系？

這個問題就是針對上述操作性方案所設計，在無法操作解決問題時怎么辦？學生可以通過遷移“速度”概念建構時所采用的方法來解決問題，因此，取“大象”與“芭蕾舞演員”對地面“1cm2”上的壓力比較，從而比較它們的大小關系.

學生再通過討論，對比兩個問題的解決方案共同點與發展性特點，發現二者都使用到取相同面積，即把壓力F給予在S上分攤的方法，這是數學上求“壓力F與受力面積S的比值”，從而在物理學引入一個新的物理量“壓強”.當然，在這個過程中，教師還可以激發學生思考：能否用“受力面積S與壓力F的比值”來比較？而教師對于這個問題的解決應該給予學生解釋說明.

教師通過解決學生思維方式中的最重要、大多數的迷思問題“不同F、不同S”，幫助學生實現從“壓力”到“壓強”的學習進階，也幫助學生進一步理解物理學上常用“比值定義法”的原理，對學生后續類似概念的學習有很好的促進作用，也提升學生的學習能力.

3 教學實踐的啟示

學習進階理論充分詮釋學生學習的認知過程，至于學生認知思維的過程是否是“量子化”？我們并不知道，各種文獻提供的學習進階除了對學生“迷思概念”“凌亂區間”提出“問題檢測”的預測之外，沒有看到更多定量的路徑量化數據，這也不是本文討論的主題.但是，量子路徑積分思想對思維共生激發具有重要影響意義.

以上是筆者對初中物理概念教學實例所做的研究分析，具有一般性的意義，對高中物理教學甚至一般性的自我學習、同伴學習等都具有同等價值.但是，由于“階”形成的原因較為復雜，不同的概念具有不同的階，不同的學生個體也具有不同的階，教師針對具體問題要具體分析，分析清楚該概念建構時的“階”形成的原因，針對原因設計相應情境支架，突破“階”點，從而實現“概念進階”，也就實現“學習進階”.華東師范大學課程與教學研究所終身教授高文先生說“關注知識的情境性是揭示知識本質的一個新視角”，情境支架是學習進階過程中“階”突破的有效手段與載體，值得在此開展更多的研究與實踐.

教學法指出課堂教學設計時要切實抓住教學重點、教學難點，突破教學難點是一堂課的關鍵之所在，對于一堂課是這樣，對一個單元的教學是這樣，同樣對一節課中一個環節、一個概念的教學也是這樣.概念教學的難點突破在于概念“階”的突破，就是概念建構的學習進階的過程.教師在教學設計時應當著力于做好教學細節，從每一個環節、每一個概念著手，致力于通過情境支架的設計來助推概念教學進階，幫助學生實現概念建構.這種物理概念教學學習進階的重要途徑與手段，將在一定程度上改變教師的教學方式.教師采用這種教學方式，既有助于激發學生的學習興趣，又有助于降低學生學習的坡度與難度，促進輕負高效學習的實現.

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（收稿日期：2020-09-14）