利用大概念教學促進前概念激活與轉化的路徑探究

劉 璇 須 萍

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

1 前言

目前,國內外科學教育工作者對“前概念”已經進行了廣泛而深入的研究[1],并且對于如何有效利用和轉化學生頭腦中普遍存在的前概念提出了若干教學策略.關于前概念的轉化策略大多是基于建構主義理論提出的,主要有呈現情境、運用悖論、展示過程、科學類比、知情交融[2]等,但調查表明,大部分教師雖然能夠意識到學生頭腦中可能存在不恰當的概念,也會采取策略進行應對,但其往往是將這些固有概念當做錯誤進行“驅逐”.有文獻[3]對中學物理教師概念掌握情況進行了調查,指出教師對學生前概念的實際應對能力十分缺乏,這導致學生很難建立真正科學準確的物理概念.如何在教學過程中將激活和轉化前概念的意識落到實處,在實踐方面仍有很大的空缺.

大概念是基于若干具體事實抽象形成的概念,具體事例越多,對大概念支撐性越強,形成的大概念抽象程度越高,也越不容易遺忘.大概念中的“真實性”能夠引發學生對現實世界的思考,而不僅僅是使用現實世界的案例進行簡單的聯想和驗證.目前的一般概念教學往往忽略了日常概念的價值,而這些日常概念恰恰是形成大概念的基石.

大概念是基于大量事實抽象出來的,具有高度生活價值;學生又在生活中積累了相當的生活體驗,形成了一定的日常概念,這些體驗和概念便可作為形成大概念的素材被加以利用.因此利用大概念教學活化學生的正確前概念,轉化錯誤概念有其可行性.教師可以在探查學情的基礎上了解學生大腦中前概念的存在情況,創設情境,抓住并暴露學生頭腦中的盲點,引起學生的認知沖突,充分調動學生的科學前概念,破除錯誤前概念,從而有效實施教學.筆者就以下幾種學生中常見的前概念問題類型為例,探討基于不同前概念類型,運用大概念教學有效轉化或利用學生前概念的策略的方法,從而提高物理教學的效果.

2 前概念問題類型及應對策略

2.1 對于正確但不充分的前概念 激活并抽象成大概念

學生的前概念并非全然錯誤,其中不乏正確但不足以支撐新學習的知識,教師若對這類知識或概念進行合理地激活與引導,顯然于學生對新概念的理解是有益的.

根據大概念教學理論,運用知識的過程就是遷移的過程,在解決問題,尤其是復雜問題時,需要學生遵循“具體-抽象-具體”的高通路遷移路徑.教師在教學過程中實施“具體-抽象”的轉化時,應當充分利用其中與即將學習的知識一致的前概念,將正確但不充分的前概念作為教學資源、作為學習新知識的跳板,引導學生抽象成大概念后再進行新任務的解決.

以功能單元的一道習題為例,如圖1所示,教師在批改學生作業時發現,第二空“提著滑板行走又對滑板做了______J的功”錯誤人數最多,錯誤答案幾乎都是“125 J”,調查發現錯誤答案基本都是用滑板重力25 N乘行走距離5 m,W=Fs=25 N×5 m=125 J.但滑板在水平方向并沒有受到力的作用,“有距離無力”,最終答案為“0 J”.事實上,該題的情境設置是非常理想化的,忽略空氣阻力且默認人勻速水平前進,而學生做題時往往會代入生活經驗——日常生活中我們提重物前進時難以讓重物始終保持水平,因為人在直立行走時,重心會上下移動.因此,在真實生活中提重物前行時,確實會對物體在豎直方向上做功.

圖1 功能單元習題示例

在物理概念學習中,學生不僅要理解知識的內涵,也要明確其外延,即概念適用的范圍和條件.初中物理學習中,我們所遇到的問題情境設置往往是簡化的,去除了許多真實情境中應當考慮的因素.但是,學生在日常生活中從大量的物理現象中獲得的生活經驗作為前概念必然會影響科學概念的學習.教師在授課時通常會告訴學生:做功的本質是能量的轉化,但這一概念對于剛學習物理的學生而言較為抽象,難以理解,于是在這道題的情境中,一些學生會進行不當的類比:“我提著重物向前走,消耗了自身的能量,那必然是對物體做了功”.學生拎重物這一日常體驗未被激活,是模糊的,在解答習題時必然會產生負面影響.在利用大概念進行單元教學時,從單元目標可以看出,功的科學內容包含在“能量”主題中,功與能量大概念緊密相聯,建構功的概念的錨點是學科大概念“能量轉化”.在課時目標指導下,教師應當基于教材,創設真實情境,組織學生進行活動,激活學生日常經驗,激發學生思維沖突,推進教學.可以先通過真實生活中的多個不同的搬運物體實例讓學生進行分析,知道力和在力的方向上移動的距離是做功的兩個必要因素,再由此判斷試題中的做功情況,從而完成“具體-抽象-具體”的遷移過程.

2.2 對于缺失的前概念 給予大概念作為建構基點

學生對于速度、力這類知識點一般能夠輕易掌握,因為這些概念在日常生活中時常能夠找到對應的現象或事例,如汽車行駛得快慢、搬物體花費力氣大小,相關生活經驗為學生科學概念的學習奠定了基礎.但隨著物理學習的深入,很多抽象難懂的概念并不能在日常生活中找到對應的現象,這就導致前概念的缺失.

在日常授課中,學生對于理解新概念尤其是抽象程度較高的概念產生困難時,教師可以先傳授大概念給學生,讓學生以該大概念為自我生長點生長出新的概念,大概念在這一過程中就是作為先行組織者存在的.建構是大概念教學中非常關鍵的一個階段,也是基于前概念進行教學的主要理論支撐,其路向分為演繹式和歸納式,大部分高中物理知識相對初中更加抽象晦澀,運用演繹式學習效率較高,教師可以先告訴學生大概念,再通過師生討論或教師示證幫助學生加深概念理解,以彌補學生缺失相應前概念的問題.

例如在動量教學中,傳統教學按照知識邏輯推導出動量概念容易導致學生對動量的本質感到困惑,因此可以先行融入大概念進行教學.教師應首先讓學生明白這樣一個本質問題:無論是動能還是動量,都是作為表現物體運動的量度提出的.將這樣一個大概念作為新概念的生長點,有利于學生區分動量和動能,加深對動量的理解和思考.在教學中,當學生對動量有一定認識后,很容易聯想到動能概念,此時教師便可引導學生對動量和動能進行對比——兩種觀點看起來天差地別,其實有著異曲同工的效果,只是思考角度不同:動能定理是力在空間上的累積,動量定理是力在時間上的累積,因此在不發生機械運動和其他形式運動轉化的情況下,運動的傳遞和變化的情況可以用動量去量度,但在發生了機械運動和其他形式運動轉化的情況下,則應以動能去量度.比如在光滑平面上木塊碰撞問題的解決中,力的變化是急劇而復雜的,部分學生會一幀一幀地進行受力分析或試圖運用動能定理,導致問題難以解決,動量定理的運用便可以有效化解這一難題.在對比兩者使用條件并歸納后,學生便能夠在運動量度這一大概念上生長出動量觀念,同時加深對已有的動能觀念的認識.

2.3 大概念教學中的真實情境引起認知沖突轉變錯誤概念

學生在生活中有時沒有獲得清楚的感知,或受到生活環境以及外界因素的影響,會形成錯誤前概念[4].

真實情境的運用是大概念教學不可缺失的一部分,與知識緊密聯系的情境有助于學生形成結構化的知識,進而掌握學科的基本概念架構.所以學生可以在真實問題的解決中利用大概念驗證之前的形成的認知或概念是否正確,進而修正自己的知識體系.這就要求教師要設置適當的情境引起學生的認知沖突,讓學生在沖突中發現原有前概念的錯誤之處,從而將其轉變為正確的概念.

在進行向心力部分教學時,學生常常不能很好地理解向心力是用于表現力的作用效果,而不是具有確定性質的某種類型的力.在利用圓錐擺探究向心力特點的實驗中,許多學生在受力分析時會將向心力當作一個獨立的力來分析,因為在初中階段接觸力的概念時學習的重力、彈力、摩擦力等性質力,導致學生產生“力只能按照性質分類”的錯誤前概念,事實上,力可以按照性質、效果、研究對象、作用方式等進行分類,向心力屬于按照力的作用效果分類的力.但凡學生理解這一學科大概念,便不會在進行向心力受力分析時重復分析.教師在教學時可以通過設置精細的情境引起學生的認知沖突,利用多種情景進行歸納式教學.例如,可以設置3種不同的實驗情境,讓學生利用球繩模型、球盤模型、球管模型,使拉力、靜摩擦力、支持力分別作為向心力的來源,使小球以相同的線速度和半徑做勻速圓周運動,表現出相同的運動效果,如圖2～4所示.學生在觀察到不同性質的力都可以使物體表現出相同的運動狀態后,便會產生認知沖突,從而理解向心力是按照力的作用效果分類的力,在受力分析時不能和其他按性質分類的力一同分析.此后再將圓盤模型和繩模型相結合,使摩擦力和拉力共同提供向心力,加深學生對“向心力是一種效果力”的理解,如圖5所示.單元教學后,還可以通過類比,將學生已經學過的浮力、引力和向心力進行類比,歸納按作用效果分類的力,加深概念理解.

圖2 球繩模型

圖3 球盤模型

圖4 球管模型

圖5 圓盤與繩模型結合

3 結束語

大概念教學近幾年來已經成為國內外研究的熱點,與各種新教學理論或方法之間都有著內在的關聯,我們可以將大概念教學作為一個支點,解決教學過程中可能存在的各種挑戰.教師必須加強對學生已有前概念的重視,采取相應教學策略利用學生已有的正確觀念加強其對新知識的理解與建構,檢查和破除錯誤概念,提高思維邏輯能力,從而提升物理教學的效果.