基于任務(wù)分析方法的“兩種電荷”教學(xué)探討

陳伊淳 賈樹欣 陳剛

摘 要：符合學(xué)生學(xué)習(xí)機制的教學(xué)才是有效的教學(xué).教學(xué)任務(wù)分析的方法，能幫助教師梳理出符合物理概念規(guī)律習(xí)得機制的教學(xué)過程，依據(jù)教學(xué)任務(wù)分析、安排教學(xué)活動，能幫助學(xué)生有效習(xí)得相應(yīng)的物理規(guī)律.本文依據(jù)教學(xué)任務(wù)分析，對人教版教材“兩種電荷”教學(xué)片段進行討論，認(rèn)為“電荷間的相互作用”及“只有兩種電荷”結(jié)論的獲得，應(yīng)該經(jīng)歷一系列的子環(huán)節(jié)，得到相應(yīng)的子結(jié)論后獲得.

關(guān)鍵詞：兩種電荷;信息加工;教材分析

中圖分類號：G633.7???? 文獻標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0020-04

作者簡介：陳伊淳（1996-），女，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

賈樹欣（1998-），男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

陳剛（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科學(xué)課程學(xué)習(xí)心理及教學(xué)理論.

1 問題的提出

“兩種電荷”是人教版初中教材九年級第十五章“電流和電路”的第1節(jié)，兩種電荷及其相互作用規(guī)律是進一步深入學(xué)習(xí)電學(xué)、理解許多電現(xiàn)象的基礎(chǔ)[1].教材此部分內(nèi)容呈現(xiàn)如圖1所示.

根據(jù)節(jié)選片段，本節(jié)教學(xué)獲得的主要結(jié)論如下.

結(jié)論1：摩擦后的物體帶電.

結(jié)論2：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引.

結(jié)論3：自然界只有兩種電荷.

“演示部分”呈現(xiàn)兩個實驗.

演示實驗1：絲綢摩擦過的玻璃棒靠近另一根被吊起的絲綢摩擦過的玻璃棒.

演示實驗2：毛皮摩擦過的橡膠棒靠近另一根被吊起的絲綢摩擦過的玻璃棒.

基于信息加工心理學(xué)的觀點，物理規(guī)律的建立，即結(jié)論的獲得，是通過邏輯加工實驗現(xiàn)象所含的信息得來的.上述兩個演示實驗的邏輯加工能否支撐結(jié)論的獲得？是否需要前提依據(jù)？前提依據(jù)如何得到？

為了使學(xué)生真正理解電荷之間的相互作用及自然界只存在兩種電荷，達(dá)到“知其然知其所以然”，本文以任務(wù)分析為依據(jù)，分析本節(jié)課的主要結(jié)論及獲得主要結(jié)論所必需的子結(jié)論和相應(yīng)的子環(huán)節(jié)，探討符合學(xué)生學(xué)習(xí)機制的教學(xué)邏輯，提出教學(xué)方案.

2 基于信息加工心理學(xué)的學(xué)習(xí)機制

2.1 物理概念規(guī)律建立和排除因果聯(lián)系的邏輯機制

學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示出學(xué)習(xí)的內(nèi)部機制，證明學(xué)生學(xué)習(xí)的過程實則是進行信息加工的過程，符合學(xué)習(xí)機制的教學(xué)才是有效的教學(xué)，這為教學(xué)指明了方向[2].

物理概念和規(guī)律都是通過與其他概念間的關(guān)系界定的，物理概念間聯(lián)系的建立不是憑空的，是學(xué)習(xí)者通過內(nèi)部邏輯加工機制建立的.建立聯(lián)系的基本邏輯機制主要有求同法、差異法、共變法、求同求異法等歸納方法.求同法是通過考查被研究對象出現(xiàn)的若干場合，確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的，如果是，那么這個共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)見表1.

自然規(guī)律反映了事物之間的因果關(guān)系，即在一定條件下會出現(xiàn)一定的現(xiàn)象.要構(gòu)成一個穩(wěn)定的因果關(guān)系，最重要有兩點：其一，可重復(fù)性;其二，可預(yù)見性.以上兩條性質(zhì)要求“相同的原因必定產(chǎn)生相同的結(jié)果”，但宏觀世界的事物沒有絕對的相同，可以用“等價”一詞代替“相同”，則可把因果關(guān)系歸結(jié)為：等價的原因產(chǎn)生等價的結(jié)果.

由此可以得到兩種排除物理量因果聯(lián)系的演繹推理方式[3].

推理形式一：

如果A與B有因果聯(lián)系，則A變化，B變化.

A′變化，而B′未變化.

A′與B′無必然聯(lián)系.

推理形式二：

如果A與B有因果聯(lián)系，則A不變化，B亦不變化.

A′不變化，而B′變化.

A′與B′無必然聯(lián)系.

2.2 教學(xué)任務(wù)分析

加涅認(rèn)為任務(wù)分析的目的是“為設(shè)計有效教學(xué)所必須的學(xué)習(xí)條件提供依據(jù)”[4].教學(xué)任務(wù)分析能幫助教師揭示學(xué)習(xí)者達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所需要掌握的知識、技能及相互間序列關(guān)系的認(rèn)知活動.對實驗歸納途徑的教學(xué)，重點要分析出各教學(xué)結(jié)論獲得的邏輯過程.邏輯過程揭示了學(xué)習(xí)者習(xí)得該結(jié)論所必須識別出的信息，教師有序地呈現(xiàn)有效信息是學(xué)生習(xí)得學(xué)習(xí)結(jié)果的最基本保證[5].

3 基于任務(wù)分析的“兩種電荷”教學(xué)

3.1 主要結(jié)論

本節(jié)課主要獲得兩個主要的結(jié)論及相應(yīng)的子結(jié)論.

結(jié)論1：摩擦后的物體帶電.

結(jié)論2：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引.

子結(jié)論2-1：絲綢（毛皮）摩擦后的兩根玻璃棒（橡膠棒）具有同樣的帶電性質(zhì).

子結(jié)論2-2：具有同種帶電性質(zhì)的物體相互排斥.

子結(jié)論2-3：毛皮摩擦過的橡膠棒和絲綢摩擦過的玻璃棒帶電性質(zhì)不同.

子結(jié)論2-4：具有不同帶電性質(zhì)的物體相互吸引.

結(jié)論3：自然界只存在兩種電荷.

3.2 結(jié)論建立的邏輯過程

3.2.1 結(jié)論1的建立

教師通過列舉生活中常見的摩擦后物體能吸引輕小物體的現(xiàn)象，遵循求同的歸納方法，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到摩擦后的物體能帶電，即獲得結(jié)論1，其邏輯過程見表2.

3.2.2 子結(jié)論2-1的建立

學(xué)生要通過觀察演示實驗1的現(xiàn)象獲得“同種電荷互相排斥”的結(jié)論，首先需要習(xí)得子結(jié)論2-1“絲綢摩擦后的兩根玻璃棒具有同樣的帶電性質(zhì)”，實際教學(xué)中，此子結(jié)論雖不是教學(xué)重難點，但卻是邏輯加工獲得結(jié)論2的必要條件之一.如上文2.1部分所述，穩(wěn)定的因果關(guān)系可以歸結(jié)為相同的原因產(chǎn)生相同的結(jié)果.教師可以簡單地引導(dǎo)學(xué)生意識到，絲綢摩擦過的兩根玻璃棒，都帶電（能吸附紙屑等），由于是同樣的摩擦方式，兩根玻璃棒的帶電性質(zhì)相同，幫助學(xué)生有效地建立“絲綢摩擦后的兩根玻璃棒具有同樣的帶電性質(zhì)”這一規(guī)律.同樣地，“毛皮摩擦后的兩根橡膠棒具有同樣的帶電性質(zhì)”這一規(guī)律能有效建立.

3.2.3 子結(jié)論2-2的建立

在建立起子結(jié)論2-1的基礎(chǔ)上，教師通過演示表3的兩個實驗，引導(dǎo)學(xué)生識別共同條件“絲綢摩擦過的玻璃棒A、B具有相同帶電性質(zhì)”“毛皮摩擦過的橡膠棒C、D具有相同帶電性質(zhì)”和共同結(jié)果“A、B互相排斥”“C、D互相排斥”，引導(dǎo)學(xué)生遵循求同法的邏輯加工機制，獲得子結(jié)論2-2“具有同種帶電性質(zhì)的物體相互排斥”，其邏輯過程見表3.

3.2.4 子結(jié)論2-3的建立

此子結(jié)論的獲得應(yīng)遵循演繹推理的邏輯加工機制.在建立起子結(jié)論2-2的基礎(chǔ)上，將絲綢摩擦過的橡膠棒A靠近毛皮摩擦后懸掛的橡膠棒D，觀察到相互吸引的現(xiàn)象，根據(jù)如下的邏輯結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生獲得子結(jié)論2-3“毛皮摩擦過的橡膠棒和絲綢摩擦過的玻璃棒帶電性質(zhì)不同”.

3.2.5 子結(jié)論2-4的建立

既然毛皮摩擦過的橡膠棒和絲綢摩擦過的玻璃棒帶電性質(zhì)不同，不妨將“絲綢摩擦過的玻璃棒”的帶電性質(zhì)標(biāo)記為，將毛皮摩擦過的橡膠棒的帶電性質(zhì)標(biāo)記為.通過演示表4中的兩個實驗，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到共同條件“A、D帶電性質(zhì)不同”“C、B帶電性質(zhì)不同”及共同結(jié)果“A、D相互吸引”“C、B相互吸引”，遵循求同法的加工機制，獲得子結(jié)論2-4“具有不同帶電性質(zhì)的物體相互吸引”，其邏輯過程見表4.

3.2.6 結(jié)論3的建立

經(jīng)歷上述的各個子結(jié)論獲得過程，學(xué)生已經(jīng)習(xí)得兩種基本帶電體——絲綢摩擦過的玻璃棒和毛皮摩擦過的橡膠棒——的基本性質(zhì)，見表5.

教師要說明自然界只存在兩種電荷，需要引入除絲綢摩擦過的玻璃棒和毛皮摩擦過的橡膠棒的第三種摩擦后的帶電體進行歸納.摩擦其他物體使其帶電，如果其和絲綢摩擦過的玻璃棒相排斥，和毛皮摩擦過的橡膠棒相吸引，則具有和絲綢摩擦過的玻璃棒相同的性質(zhì)，可以標(biāo)記為;如果其和絲綢摩擦過的玻璃棒相吸引，和毛皮摩擦過的橡膠棒相排斥，則具有和毛皮摩擦過的橡膠棒相同的性質(zhì)，可以標(biāo)記為;如果既和絲綢摩擦過的玻璃棒相排斥（吸引），也和毛皮摩擦過的橡膠棒相排斥（吸引），則具有不同于該兩者的性質(zhì).

遵循求同法的邏輯加工機制（見表6），學(xué)生可習(xí)得結(jié)論3“自然界只有兩種電荷”.

由于課堂上能展示的帶電物體及其間相互作用的實驗是有限的，教師應(yīng)向?qū)W生說明，許多科學(xué)家做了無數(shù)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)自然界中所有帶電的物體，凡是和毛皮摩擦過的橡膠棒相吸引的，一定和絲綢摩擦過的玻璃棒相排斥;凡是和絲綢摩擦過的玻璃棒相吸引的，一定和毛皮摩擦過的橡膠棒相排斥，和前面的實驗現(xiàn)象完全吻合，讓學(xué)生感受推理方法中從特殊到一般的思維方式.

盡管做了無數(shù)的實驗，自然界所有帶電的物體還是無法窮盡，因此，上述的歸納方法屬于不完全的歸納，教師可以進一步引發(fā)學(xué)生思考，如果存在第三種電荷，應(yīng)該表現(xiàn)出何種性質(zhì).不同于正電荷和負(fù)電荷的第三種電荷，應(yīng)該具有不同于表5的兩種性質(zhì)，即要么分別與絲綢摩擦過的玻璃棒、毛皮摩擦過的橡膠棒都排斥，要么分別與之都吸引，如果出現(xiàn)了這樣的實驗現(xiàn)象，則“只有兩種電荷”的結(jié)論可以被推翻.也就是說，該結(jié)論是可被證偽的，基于證偽主義的科學(xué)觀，在反例出現(xiàn)之前，該結(jié)論是科學(xué)的.

1785年法國物理學(xué)家?guī)靵龇謩e用扭秤實驗和電單擺實驗探究了同種電荷和異種電荷之間的相互作用，證明靜電力遵從平方反比規(guī)律.基于正負(fù)兩種電荷前提建立的庫侖定律是電磁學(xué)理論的基本定律，其正確性也被電磁學(xué)的各種實驗事實所證實，因此，“只存在兩種電荷”是被接受的.

4 總結(jié)

上文根據(jù)物理教學(xué)任務(wù)分析的步驟，將教材上主要的兩個結(jié)論拆解成若干的子結(jié)論，并分析了各個子結(jié)論獲得的邏輯過程.

物理規(guī)律的建立，即結(jié)論的獲得，是通過邏輯加工實驗現(xiàn)象所含的信息得來的.基于教材兩個演示實驗建立電荷之間相互作用的規(guī)律，學(xué)生首先需要得到“絲綢摩擦過的兩根玻璃棒所帶的電荷種類相同”“絲綢摩擦過的玻璃棒和毛皮摩擦過的橡膠棒所帶的電荷種類不同”兩個子結(jié)論，然而支撐這兩個子結(jié)論獲得的實驗和對應(yīng)的邏輯過程在教材中體現(xiàn)不明確，學(xué)生自行閱讀后是否能真正理解“電荷間的相互作用”需要打一個問號.此外，關(guān)于“自然界只存在兩種電荷”，在上述結(jié)論獲得的前提下，教師進一步設(shè)計支撐結(jié)論獲得的實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)推理的過程，豐富學(xué)生的思維活動，能幫助學(xué)生有效地習(xí)得該結(jié)論.

教學(xué)任務(wù)分析的方法揭示了學(xué)生習(xí)得物理規(guī)律的內(nèi)部過程，有助于教師遵循學(xué)生的學(xué)習(xí)機制，合理地安排教學(xué)活動.教材是教師進行教學(xué)活動設(shè)計的重要參考來源，但對于教材中因篇幅限制而未完整呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師若能根據(jù)任務(wù)分析的要求，梳理出符合物理概念規(guī)律習(xí)得機制的教學(xué)過程，將能取得事半功倍的教學(xué)效果.

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理（九年級全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[2]陳剛.論物理概念和規(guī)律意義學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計——學(xué)習(xí)心理學(xué)的視角[J].全球教育展望，2014，43（12）：58-71.

[3]陳剛.物理學(xué)習(xí)與教學(xué)論[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2019.

[4]加涅著.皮連生譯.教學(xué)設(shè)計的原理[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1999.

[5]張宗義.基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理概念課教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)，2019，41（04）：43-45.

（收稿日期：2021-06-28）