“靜電場”主題的學習進階研究

謝佳宏 王較過

(陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

“靜電場”是高中物理的重要教學內容,由于靜電場看不見摸不著,使得學生對靜電場缺乏感性認識,加之靜電場知識點零碎龐雜,從而導致該部分內容教師難教學生難學.對于“靜電場”主題的教學而言,如何使學生深刻理解相關概念,促進學生對靜電場知識的連貫性、發展性學習,幫助學生形成良好的知識結構就是一個值得探討的重要問題.

近年來,廣大教育工作者把學習進階理論應用于課堂教學實踐取得了良好的教學效果.所謂學習進階,其實質就是對學生在各學段,學習同一主題知識時所遵循的連貫的、循序漸進的學習路徑的描述,一般表現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列.[1]應用學習進階理論指導教學,有助于教師引導學生循序漸進的學習主題知識,形成良好的知識結構.要達到這個目的,首先必須明確所學主題的學習進階．本文就“靜電場”主題的學習進階做一探討.

1 學習進階的理論基礎

應用學習進階理論指導教學之目的是為了探索“應為學生設立怎樣的學習路徑”這一核心問題.[2]學習進階的理論基礎主要有布魯納的“螺旋式課程設計”和維果斯基的“最近發展區”理論.

布魯納曾經指出,成功組織學習材料的有效途徑是發展一種“螺旋式的課程”,課程設計應該將學科核心概念置于課程的中心地位,把它們以與兒童思維水平相符的形式呈現出來,隨著兒童年齡的增長和學習的繼續,不斷加深對這些學科核心概念的理解和應用.[3]換言之,課程設計應該具有連貫性和漸進性,學生針對同一主題知識的學習不可能一次到位,應該把學科核心概念劃分為連續的循序漸進的學習序列,以適應不同年齡段和具有不同認知水平的學生.在學習內容的序列中,每一階段的學習都是下一階段的基礎,同時也是前一階段的加深和拓展.例如,對“加速度”的學習,首先,在位移和速度相關知識的基礎之上,引導學生從運動學的視角定義加速度,理解加速度是描述物體速度變化快慢的物理量,掌握對物體運動的描述,探討勻變速直線運動的規律;其次,通過牛頓第二定律將加速度與力聯系起來,從動力學的視角理解加速度,幫助學生認識如果物體所受合外力不為0,就會產生加速度.使學生不僅能通過對物體的受力分析,運用牛頓第二定律計算物體的加速度,還能通過對物體加速度的分析,運用牛頓第二定律計算物體受到的合外力,解決生產生活中的實際問題,從而深化對加速度的認識.這樣的課程設計與教學,符合學生的認知發展,能讓學生循序漸進的理解加速度,實現加速度的學習進階.

維果斯基的最近發展區理論指出,[4]學生發展有兩種水平,一種是學生現有發展水平,另一種是學生潛在的發展水平,兩種水平間的差異就是“最近發展區”．教學應準確把握學生的最近發展區,設計合理的教學方案,促進“最近發展區”不斷向前發展,幫助學生逐漸達到較高水平.例如,在“滑動摩擦力”的教學中,初中階段學生對滑動摩擦力有了定性的認識,具備了二力平衡和控制變量法的相關知識和初步的實驗探究能力,這就是高中階段學生學習滑動摩擦力的現有水平.而學生的潛在水平是能夠掌握滑動摩擦力的產生條件和影響因素,掌握其計算公式.在教學中,教師引導學生通過實驗探究滑動摩擦力的影響因素,對滑動摩擦力進行定量分析和計算,逐漸將學生潛在的發展水平變為現實水平.

學習進階描述了學生各學段持續發展的學習路徑,它能有效地呈現概念間的邏輯關系,指出先學什么,后學什么,使先學的知識對后面的學習產生積極影響,為學生提供最恰當的學習情景.學習進階不僅描述學生學習和思維發展的路徑,更重要的是確定學生發展所處的不同思維層次,通過對每一層次的描述,呈現學生需要達到的水平,從而使教師準確把握學生的最近發展區,設計合理的教學方案,促進學生的最近發展區不斷向前發展,使學生日趨進步,逐步完善知識體系.

2 “靜電場”主題的學習進階

學習進階研究是假設與驗證、理論與實踐相互交替、不斷完善的過程.[5]其步驟一般是:確定研究主題(核心概念),選擇合適的進階變量和維度,確定初步的學習進階,然后開發測量工具并對學生進行測試,根據測量結果對初步確定的學習進階進行驗證和修訂.

2.1 “靜電場”主題相關概念間的層級關系

筆者依據《義務教育物理課程標準(2011年版)》,[6]《普通高中物理課程標準(實驗)》[7]和《普通高中課程標準實驗教科書.物理(選修3-1)》,[8]對靜電場部分的學習內容進行梳理發現,在初中階段,要求學生通過觀察摩擦起電現象,探究并了解電荷的種類及其相互作用,能舉例說明生活中的靜電現象.而在高中階段,要求學生進一步認識電荷,從微觀層面對摩擦起電進行分析,并利用理想化的物理模型(點電荷)對電荷間的相互作用進行定量研究,然后學習描述電場性質的相關物理量.在此基礎之上,通過靜電現象和電容器等內容的拓展應用,加深學生對靜電場的認識與理解.“靜電場”主題中各個概念間的層級關系如圖1所示.

由圖1可見,盡管本章涉及的概念較多,但它們主要是圍繞“電荷”、和“靜電場基本性質”兩個方面展開.這兩方面涉及的概念相互關聯且逐漸深化,學生在學習過程中就是圍繞這些概念逐漸加深對靜電場的認識與理解的.

圖1 “靜電場”主題概念間的層級關系

2.2 “靜電場”主題的進階變量和進階維度

進階變量一般是學科內的核心概念和關鍵能力,[9]它是將進階起點、中間層級和進階終點有機鏈接起來的紐帶.研究者通過對進階變量的分析和觀察,能夠追蹤學生對某一主題知識學習時的階段性發展.進階維度其實質就是進階變量的不同方面,學生從不同的方面學習學科核心概念,最后綜合各個維度達到對學科核心概念的整體把握.例如Alonzo[10]在研究“力與運動”這一主題的學習進階時,將其分為“F合=0”、“F合≠0”、“物體運動”和“物體靜止”4個維度,而這4個維度的進階就構成了“力與運動”主題的學習進階.進階變量和進階維度的選擇是理論和實踐相互質證的過程,研究者基于自身的研究視角和目的往往會選擇不同的進階變量和維度,然后根據實踐效果對其加以修正,以便更好地描述學生的學習進階發展.本文選擇的進階變量是“靜電場”主題知識內容和學生的認知發展水平.進階維度是“電荷”和“靜電場基本性質”兩個維度.需要說明的是,這兩個維度之間并不是相互孤立、毫無聯系,同時各維度也并不是處于完全相同的層級.學生對某一維度的理解會對另一維度的學習提供支持和幫助.例如“電荷”這一維度中庫倫定律的學習,會對“靜電場基本性質”這一維度中電場強度的學習產生積極影響.

2.3 “靜電場”主題的進階層級

確定進階層級就是對最低層級、最高層級,和中間層級的劃分與描述.[11]確定最低層級一般基于學生對目標知識的原始認識,包括學生頭腦中已有的生活經驗和相關的前概念等.確定最高層級一般依據社會期望、課程標準對學生的要求等．確定中間層級則基于已有的對學生情況的研究結果,以及對具體學科內容的分析.[12]筆者依據課程標準和教材、學生認知發展規律,結合靜電場研究的相關文獻,將“靜電場”主題的學習進階劃分為4個層級水平.

水平1:具有零碎的、尚未相互關聯的生活經驗和事實,并將這些生活經驗與物理概念建立起聯系,但尚不能用這些概念對靜電場現象進行解釋.

水平2:能記憶靜電場相關概念的定義和規律的具體內容,并能用其對靜電場相關現象進行簡單解釋.

水平3:深刻理解靜電場相關概念,能厘清概念間的區別與聯系,并用科學方法建立靜電場概念間內在的邏輯關系,把握事實經驗的本質特征.

水平4:能全面理解靜電場主題知識,并與其他主題知識建立起聯系,形成系統的知識結構,綜合分析問題.

為了更好地說明層級水平的劃分,在此以“電荷”為例,對靜電場主題學習進階層級的劃分做一說明.學生從“冬天脫毛衣會有電火花和聲音產生”,“夏天用梳子梳頭發,頭發變得蓬松”等生活現象獲得事實經驗,并將這些事實經驗與“摩擦起電”“電荷”等物理概念建立聯系,說明達到了水平1;知道電荷、自由電子、靜電感應、電荷守恒定律等靜電場概念和規律的具體內容,說明達到了水平2;深入理解概念,并從微觀層面解釋摩擦起電的實質,得出電荷守恒定律,理解點電荷這一理想模型,建立電荷間相互作用的定量關系,說明達到了水平3;將這些知識建立起系統的聯系,解決“靜電復印”“靜電除塵”等綜合性的實際問題,說明達到了水平4.

2.4 “靜電場”主題學習進階的建構

在對課程標準、教材和靜電場相關文獻分析的基礎之上,筆者從“電荷”和“靜電場基本性質”兩個維度將“靜電場”主題的進階發展過程劃分為4個水平,并對每一水平加以解釋說明,確定了“靜電場”主題的學習進階如表1所示.

從表1可以看出,學生對于“靜電場”主題的學習并不是一蹴而就的,而是從“電荷”和“靜電場基本性質”兩個維度,循序漸進地學習相關概念,經歷不同的思維層級,逐漸進階的學習過程.因此,在教學的過程中,要依據“靜電場”主題的學習進階規律,針對不同層級學生的思維特點和具體表現,設計合理的教學方案,幫助學生形成系統的知識結構,促進其核心素養的發展.

表1 “靜電場”主題的學習進階

3 對“靜電場”主題教學實踐的建議

學習進階是溝通理論研究與課堂教學實踐的橋梁,對課堂教學有重要的指導意義.在靜電場主題教學實踐中,充分發揮“靜電場”主題學習進階的教學價值,有利于課程的螺旋深入和學生思維的發展,有利于學生知識體系的建立.能幫助學生將孤立、零散知識進行整合形成完善的知識體系.

教學之前,一方面教師要認識到靜電場主題的學習是一個循序漸進的過程,明確學生學習該主題知識會經歷的幾個主要階段,根據每個階段的教學目標合理分配課時,統籌安排靜電場主題的教學工作.另一方面,教師要準確判斷學生發展所處層級,以及所要達到的目標和存在的典型的迷思概念,準確把握學生的最近發展區,在此基礎之上進行科學的教學設計.

教學之中,教師要積極創設物理情景增加學生的感性認識,統一進階起點使學生盡量處在同一起跑線.同時,還要善于發現學生的錯誤認識,充分利用這些錯誤認識,清晰地判斷學生的思維層次,明確學生發展的認知障礙所在,然后選擇合適的教學方法,建構循序漸進、由淺入深的學習路徑,幫助學生逐漸從低水平向高水平進階.

教學之后,教師要積極進行復習評價,檢測學生是否到達了該階段的認知要求.學習進階提供了一種用來評價學生思維發展的模型,該模型揭示了學生思維的發展是一種由簡單到復雜而不是由錯到對的過程.在進行教學評價的時候不能以知識目標為唯一標準,要注重對學生思維過程的評價.因此,在開發評價工具的時候,應多設計一些開放性的評價方式,比如二段式測評,問卷,訪談等等．通過基于過程性的評價方式診斷學生的學習情況和認知障礙,不僅能促進教師教學方法的改進,優化課堂教學,也能增加教學評價方式的多樣化.

4 結束語

本文運用學習進階理論,結合對課標、教材和靜電場相關文獻的分析,初步確定了“靜電場”主題的學習進階,并提出了相應的教學建議.但是,筆者的研究還只是初步的探討,“靜電場”主題學習進階的精確構建,還需要進一步的實證研究.構建一個科學合理的學習進階往往需要進行多輪的測試和修改,學習進階的建構正是這樣一個假設與驗證、理論與實踐不斷交替、逐步完善的過程.如何運用學習進階來指導具體的教學實踐,提高物理課堂教學質量還需要進一步深入研究.