變構學習模型在物理跨學科實踐中的應用

摘 要：近幾年涌現的跨學科研究文獻中，鮮有“物理學在信息技術中的應用”案例。通過對學生學習行為的分析發現“變構學習模型”能較好地彌合學生在信息技術與物理學之間的認知鴻溝，解構既有認知，煉制全新概念。以貼近學生生活的“體驗授時服務”跨學科實踐為例，學生通過兩項具體實踐任務，解構了對信息傳遞技術的片面認知，初步建構了信息技術與物理學緊密結合的觀念。

關鍵詞：變構模型；跨學科實踐；物理學與信息技術；授時服務

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）7-0090-6

《義務教育物理課程標準（2022年版）》的一級主題“跨學科實踐”下，共有9個三級主題［1］，其中“5.2.3 了解物理學在信息技術中的應用”鮮有研究和實踐。物理學為信息技術提供了從信息錄入到傳輸和存儲的底層理論基礎和硬件架構，但這些內容難以讓初中生了解。如果生搬硬套課標活動建議：“查閱資料，了解物理學對信息技術發展的貢獻”［1］，又過于寬泛且實踐性不足。因而，如何將課標活動建議具體化、生活化，實現“做中學”“用中學”就成了一個重要的課題。

1 學習模型

初中生既有的原初概念與課標5.2.3對應的活動目標具有一定的距離。課前調查發現，學生將信息技術窄化為網絡傳遞信息，他們評估信息可靠性的意識不足，不關心信息錄入、傳輸和存儲的物理學本質，難以切身感受物理學對信息技術發展的貢獻。開設在低年級的信息技術課程雖然已著力解決上述問題，但是囿于學生認知水平和信息技術學科視野，效果仍然有限。

物理的跨學科實踐應該首先基于物理學科知識，通過選取適合學生認知水平的跨學科案例，整合形成跨學科的大概念，比如，物理學和生物學都涉及到的“能量”。有了“大概念”，跨學科實踐就成了物理課程的有機組成部分，既有多學科知識的應用，又實現了新知識的學習［2］。物理學和信息技術之間確實有共通的大概念，比如，“信息熵”就與物理學中“熵”有著深厚的淵源，但這些內容不是初中生能接受的，在他們的認知結構中，信息技術和物理學之間存在鴻溝，活動設計應該要合理地轉化他們的原初概念。

1.1 概念體

瑞士的焦爾當（André Giordan）教授深入研究了概念轉化的過程，在總結了行為主義、認知主義、建構主義等學習觀后，提出了在學生的腦海中不僅有對知識概念本身的理解，還有個人的執著與信念、價值觀與元認知等。它們相互作用，共同形成了“概念體”［3］。

嵌入在“概念體”中的原初概念有時候會成為建構新認知的階梯，有時候卻會反過來阻礙新概念的形成［2］。比如，學生從幼年時代構建起的狹隘信息技術認知，使得學生對于物理學在信息技術中的應用不甚感興趣。因為“在大多數情況下，只有被期待的知識才能被聽懂”，反之“新信息不能與學生相適應，那它就會被毫不留情地排斥”［3］。

1.2 變構學習模型

焦爾當教授的團隊在對前人學習理論進行了充分實驗驗證之后，提出了變構學習模型（allosteric learning model），這種模型非常適合像跨學科實踐這樣復雜的學習過程。研究者認為，原初概念并不會因為新概念的出現而被輕易替換，“概念體”很像化學上“變構蛋白質”的結構與功能，是學生腦海中活化的有機整體，但是又會受到外部環境的影響而改變。所以，教師可以通過操作學習環境來干擾學生的“概念體”［3-4］。

在變構學習模型中，活動可以緊貼學生原初概念的情境引入，這一過程稱為“驅動”。然后，在活動中讓學生產生認知沖突，動搖學生的原初概念，令原有的“概念體”逐漸解體，這一過程稱為“解構”。隨著活動的推進，學生在元認知的監控下，自我審視原初概念，并逐步重構和轉化原初概念，這一過程稱為“變構”。變構學習模型的主體是學生，但“幕后引導者”一定是教師，他們設計活動，并營造師生互動、生生互動的學習環境，引領學生多維度、多層次地質疑原初概念，形成了“多重對質”。進而激發學生內在轉化動機，形成新的概念。上述認知過程稱為“煉制”［4］。

2 “體驗授時服務”跨學科實踐

學生關于信息技術的原初概念過于剛性，所以基于變構學習模型的設計思路，跨學科實踐活動應當貼近學生的生活，這樣才能引起他們足夠的注意，活動主題應當從學生熟悉的網絡應用切入，然后讓學生產生認知沖突。活動主題應既能滲透各種信息傳遞方式，也能有助于電磁波傳遞信息等知識內容的建構。綜合上述考慮，筆者選定“體驗授時服務”作為本次跨學科實踐的主題，其學習模型如圖1所示。

2.1 網絡授時，重在“解構”

“跨學科實踐”的第一課時主題為“網絡授時”，上課地點在機房。

2.1.1 情境：標準時間從何而來

情境由2個驅動問題構成。驅動問題1：自律守時的生活離不開標準時間，經濟、交通、通信等各個領域更是毫秒必爭，那么標準時間從何而來呢？學生列舉了智能手表、電腦和手機等設備，在學生的生活中其他計時工具也必須和這些智能設備進行校時。驅動問題1激活并延續了學生的原初概念——信息大多通過網絡傳播。

驅動問題2：智能設備的標準時間又是從哪里來？這一問題令部分學生困惑，他們甚至不明白計時工具走時會有誤差，需要及時校準，因而只有部分學生回答出了智能設備都是聯網自動校準時間的。驅動問題2雖然與學生原初概念產生了一點偏差，但是仍然在他們的概念框架內。情境引入讓新信息“插入學生已掌握的知識組織中”，避免“他們所掌握的知識在認知和情緒層面構成障礙”［2］。

2.1.2 活動1：時間服務器

活動1由2項任務組成。任務1：找尋電腦與什么設備聯網校時。通過上網查詢和比對，學生發現電腦都是與時間服務器聯絡后獲得標準時間的，他們打開了授時服務器設置，發現圖2所示選項中的“time.windows.com”“time.nist.gov”均為海外服務器。教師適時地告知學生，我國時間校準技術是自主可控的，中國國家授時中心設在陜西，我國的標準時間——“北京時間”是由他們產生和發播的。任務1的信息和學生的原初概念產生了不協調——互聯網的信息來源并非全部可靠。

任務2：更改授時服務器設置，了解授時服務。學生在對話框的服務器一欄填入國家授時中心的網址“ntp.ntsc.ac.cn”，當看到“同步成功”的提示后非常興奮。通過國家授時中心的官網，學生又了解到我國授時服務精度提高至微秒量級，技術世界領先，并找尋到了長波授時、短波授時、衛星授時等時間校準服務［4］。這時的學生已經和原初概念產生了裂痕——互聯網并非唯一信息傳遞渠道。

2.1.3 活動2：網絡授時誤差成因

活動2的核心任務是通過分析和計算理解網絡時間同步的原理，進一步解構學生的原初概念。

對比幾種授時服務后，學生發現網絡授時精度比較低，一般為幾十毫秒到幾百毫秒。學生立刻想到了網絡延遲，這是他們都有的上網體驗。教師則指出系統設計者一定會考慮到網絡延遲，并設法找尋出具體延遲時間，然后糾正。

2.2 短波授時，重在“變構”

第二課時的主題為“短波授時”，先在教室集中，后到操場活動。

教師在總結了第一課時的作業完成情況后，提出驅動問題“網絡授時需要來回校準，長波、短波和衛星授時方式為何可以單向傳送”，問題引導學生復現九年級物理中電磁波相關知識，他們的回答有：“長波、短波和衛星通信的微波都是電磁波，電磁波的傳播速度和光速一致”“在空間中傳播的電磁波不像網絡傳輸一樣會有很大的延遲”。教師立刻借著這個討論和學生們一起回顧長波、短波和微波在空間中的傳輸特性，比如衛星發射的微波可以穿過電離層，長波一般以地面波傳輸，傳播比較穩定，短波主要靠電離層反射，所以穩定性較差。

活動3：體驗短波授時。

活動3的核心任務是用收音機接收短波授時信號。

西安市郊的國家授時中心的短波電臺用2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz頻率發送無線電授時信號。身處千里之外的上海，嘗試用普通收音機接收短波授時信號一定非常具有挑戰性。教師將收音機放在窗臺邊，接收頻率調諧至短波10 MHz，信號非常微弱。學生立刻想到這是由于建筑物對短波遮擋比較嚴重，教師則用一根長約5 m的導線延長了收音機的天線，將導線的另一頭放在窗外后（圖4），收音機立刻傳出“滴……滴……滴”的計時聲。每一個“滴”聲間隔1秒，每隔1分鐘則會聽到“嘟”的一聲長音。

為了改善收聽效果，教師又帶領學生來到操場，學生以2人為一小組開展活動。活動采用普通的全波段收音機，僅有10 MHz和15 MHz頻段，配備一根長5 m的導線用作延長天線。由于地處鬧市，操場外圍仍有一圈較高的建筑。學生饒有興趣地開展活動，他們有人為了避免建筑物遮擋，登上了操場東側的一棟小樓；有的為了提升接收效果，把天線另一頭套在了金屬欄桿或黑板的金屬外框上；更多學生是邊走邊試，最后大多數人都集中到了開闊的操場中心（圖5）。由于授時中心是用不同頻率交替發播授時信號，所以不同班級接收到的授時信號頻率不完全相同。

回到教室后，學生首先反思了短波接收效果差異的原因，比如利用金屬延長天線可以增強短波接收效果，在開闊地帶或建筑物高處短波受到遮擋較少等。學生接收授時信號并反思分析的過程是電磁波知識的運用過程。活動契合了學生“概念體”變構的最佳位點——物理學在信息技術的重要應用，在原初概念解構之后，重構新的概念。

第二課時的課后作業是：利用課余時間接收國家授時中心的整點報時信號并錄制視頻。總結兩節課的活動并形成報告，報告應包含以下內容：①簡述哪些情況下短波接收效果較好；②簡述網絡授時精度低于短波授時的主要原因。

2.3  多重對質，“煉制”新知

第三課時主題是“總結回顧，互幫互評”。

教師總結了前段時間的學習成果，以三個小組為一大組，進行小組間的成果展示和報告互評，評價量表如表1所示。活動目的是更多地營造利于概念變構的學習環境，通過學生與新信息之間的對質、學生之間的對質，營造原初概念變構的環境，“煉制”新的認知。

活動4：成果展示，分組討論。

在成果展示階段，大多數小組都展示了接收到的整點報時信號——先是一段莫爾斯電碼，然后是女聲播報：“BPM標準時間頻率標準頻發播臺”。從學生提交的活動視頻中可以看出，有學生用上了家長的專業收音機，有學生為此采購了專用短波天線，還有學生對比報時信號，發現自己的手機時間慢了一秒（圖6）。

分組討論階段的議題如下：（1）什么情況下短波接收效果較好？學生一致反饋晚上效果好，空曠場地效果好，樓層越高效果越好。同時，他們也通過查閱資料給出了原因，諸如電離層白天黑夜反射電磁波能力不同，空曠場地和高層電磁波被遮擋少，電磁污染小。大多數學生認為天線越長效果越好，教師則指出當天線增加到一定長度后，接收效果基本不變了，具體長度與電磁波波長有關［7］。不僅是接收天線，發射天線尺寸也與電磁波的波長有關，教師展示了圖7，對比授時中心的短波和長波發射天線，學生們意識到一般情況下波長越長發射天線尺寸也越大。

（2）網絡授時精度低于短波授時的主要原因是什么？大多數學生在活動2的基礎上又計算了短波授時的用時。他們將西安和上海之間的直線距離約1 200 km除以光速3×105 km/s，得出傳播時間僅4 ms，音頻信號解調的時間則完全可以忽略，短波授時比網絡授時直接且高效。還有學生指出，西安到上海之間的電磁波傳播距離不能算成是1 200 km，而應考慮地表弧度和電離層的反射，不過即便如此，計算出的誤差仍然很小。這一系列討論令學生認識到了信息的傳遞離不開物理知識的應用，最終達成了課標的要求。

3 活動反思

本活動以學生熟悉的時間校準為切入點，以標準時間的發播和校準為中心解構重組了學生的原初概念，學生了解并體驗了多種信息傳遞方式，對比分析出了網絡傳遞信息的局限，了解了物理學在時間信息傳遞中的應用。變構學習模型也可以用于物理學本身的大概念形成，比如學生在初二物理學習了機械功后，可以通過類比電流和水流引入電功的初步概念，然后制造認知沖突，幫助學生理解電流做功的實質。

實踐中筆者發現，大多數學生通過活動逐步實現了概念的轉變，更讓人驚喜的是有一部分學生對信息技術很感興趣，他們有的是在獲知課題時就開始自行查閱資料，有的是第一課時后就積極了解物理學在時間信息傳遞中的應用，他們主動變構原初概念，效果遠超教師的預期。這批學生查閱到了北斗衛星導航系統也有雙向校準授時模型，精度很高，可以校準網絡授時的主服務器時間。他們還將活動視頻發送給授時中心，收到了紀念明信片（圖8）。有學生發現自己的電波表原來是通過授時中心發射的BPC低頻時碼進行校準的。還有學生關注到了授時中心更新了量子時鐘，認識到一秒鐘的定義以及北斗高精度導航所涉及的物理學知識如此高深，這也堅定了他們學好物理的決心。筆者為了回應學生的疑問，也多次咨詢了授時中心的專業人士。

焦爾當教授指出，情緒和情感是學習的發動機，變構學習模型只是更多地站在教學設計者的視角去面對學生的問題［2］。若站在學生的視角，則建立在興趣之上的持久學習動力，可以調用大量的注意、記憶、思考等認知資源，主動解構舊知、建構新知。因而，無論什么學習情境下，教師都應將激發和保持學生的學習興趣作為第一要務。正如盧梭所言，“讓孩子產生學習欲望，那么一切方法都會是好方法”。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：2-38.

［2］范兵，許鈺彬，郭洋.物理跨學科實踐：內涵、特點與案例［J］.物理教學探討，2024，42（2）：76-80，85.

［3］安德烈·焦爾當，裴新寧.變構模型——學習研究的新路徑［M］.杭零，譯.北京：教育科學出版社，2010：9-47，95-164.

［4］裴新寧.變構學習模型與教學設計［J］.全球教育展望，2006，35（12）：38-42.

［5］中國科學院國家授時中心.中國標準時間［EB/OL］. （2010-07-16）［2023-12-19］. http：//www.ntsc.cas.cn/xgzx/zhb/201007/t20100716_2904147.html.

［6］蔡志武，藺玉亭，肖勝紅，等.時間基準與授時服務［M］.北京：國防工業出版社，2021：123-134，154-183.

［7］辜金星.電磁波系列實驗的設計與演示［J］.物理教師，2020，41（3）：50-53.