基于原型启发的物理概念教学策略初探

段玉文

(上海市嘉定区第二中学，上海 201802)



基于原型启发的物理概念教学策略初探

段玉文

(上海市嘉定区第二中学，上海 201802)

原型启发教学策略就是通过理解掌握问题的原型得到问题表征．物理概念建构的原型选择应遵循相似程度原则、熟悉程度原则、“集体无意识”程度原则．原型启发包括3个教学阶段:原型学习阶段、原型启发下的非原型学习阶段和概念巩固阶段．原型特征属性的掌握程度是整个教学过程的重点,原型表征的清晰建构是物理概念学习的关键．

物理概念;原型启发;教学策略

人们首先是通过原型认识事物,然后将一些与原型具有一些差异的事物归类认识,这就是所谓的“原型启发”．概念主要是以原型即它的最佳实例表征出来的,我们主要是从能最好地说明一个概念的实例来理解该概念,在概念构建时应先选择理想的原型．原型启发教学策略,就是通过理解掌握问题的原型得到问题表征．下面结合“单摆”概念的教学实例,针对原型启发策略在物理概念教学中的应用进行分析．

1 原型的选择原则

在概念教学过程中概念的构建是最为关键的过程,选择什么样的原型构建概念,对物理基本概念教学十分重要．原型选择不合适或错误,将使学生在概念构建过程中产生困难或完全不能构建起概念．概念构建过程中原型的选择应遵循以下一些原则．

1.1 相似程度原则

相似程度原则,即选择的原型应该与所要解决的问题有相似的特征．从本质上说,原型之所以具有启发作用,主要是因为这一事物本身的属性和特点与所要学习的东西有相似之处,因而要选择最能体现概念内涵的“原型”．原型启发策略中的原型成员和非原型成员的地位并不相等．就某一个具体的概念范畴而言,其原型成员具备该范畴的理想值,处于范畴的中心,有明显的类属特征和较高的清晰度．因此,范畴内的其他成员是不宜用于构建概念的．例如,有些教师教“单摆”概念时,用了钟摆作为构建单摆概念的原型,钟摆实际上是一个复合摆,这个原型就不适用于构建单摆概念,只有在学生学习了单摆概念后,再来理解钟摆的原理才有效．

1.2 熟悉程度原则

原型应该是学生已经熟悉的事物,不熟悉的事物对学生是没有启发性的,学生不熟悉的原型很难让学生从教学需要的认知角度去认识概念．例如,我们对所有的学生都用同样的原型,然而不同地域的学生其经历不同,可能对这个原型基本没有了解,或是根本不了解,这样的原型也就没有任何启发意义．原型启发是对同类事物进行全面理解掌握的过程,对于原型达到内化的概念,是可以用来认识其同类事物的．原型启发是建立在好的、清楚的样本之上,然后将其他实体根据它们与这些样本在某些或一组属性上的相似性而归入该范畴．例如,当利用原型构建起清晰的“单摆”概念后,再将与原型有些共同特征但也又不是完全相吻合的“钟摆”、“秋千”、“等效摆”等归到一起认识,是一个难度较低的学习过程．

1.3 “集体无意识”程度原则

“集体无意识”是由普遍的和反复发生的心理内容所构成,并非个体的,而是所有人行动中普遍所具有的内容和模式．原型的外在表现是象征,是集体无意识．对于原型的理解应该达到“集体无意识”程度．例如,人们的思维过程开始是以实物进行的,而随着知识的发展,思维随之发展,后来学习过程中其意识与原型就无关了,而与概念有关．概念的建立是需要原型的,当概念建立起来后,在其他学习过程中是用概念进行思维,而不是用原型进行思维的,也就是说在学习过程中涉及到某一事物时,并不需要看到具体的事物,这种事物是用概念代替的．如“简谐运动”概念的学习是以弹簧振子、单摆等一类机械振动原型进行的,而在简谐运动概念掌握以后,一旦涉及到简谐运动就应该知道简谐运动是什么样子,有什么性质,因此根本无需看到实际的振动形式．对概念理解不清楚学习不会有效,对概念理解清楚但没有达到集体无意识状态,学习也会产生困难,但学习可以发生．对于听不懂课的现象,很多情况下是学生对概念理解不清楚,也就是对原型没有掌握,或是对原型的理解没有达到“集体无意识”状态．

2 原型启发的教学流程

原型启发策略指导的物理概念教学分为3个阶段,即原型学习阶段、原型启发下的非原型的学习阶段和概念巩固阶段．只是在课堂教学中,各概念的原型属性的学习需要逐步完成,会使这3个阶段的学习界限表面看起来不清晰,但这3个阶段其实是一直贯穿在教学过程中的．在下面“单摆”概念的实例分析中,虽然界限有些隐形,但还是力争将原型启发的精髓渗透到教学设计和实际教学中去．

2.1 原型学习阶段

原型启发强调构建概念是需要原型的,在建构概念中,原型的学习能帮助学生克服由于看不见而导致的学习困难．虽然学生肉眼看不见,但是它们确实是存在的,釆取合适的方式也是可以让学生“看得见的”．如照片、模型、生活中的现象感知等．原型启发策略认为人们最初的思维是从实物开始的,这样我们在学生“看到”的基础上来建构概念．

例如,“单摆”概念的建构其原型为:用细线悬挂着小球,如果细线的质量与小球质量相比可以忽略,球的直径与线的长度相比也可以忽略,这样的装置就叫做单摆．根据文字叙述,结合观察实物原型,学生简化为清晰地理想模型:在一根没有质量且长度不变的细线下悬挂一个质点,该质点在重力的作用下做微小振动．学生先熟悉“单摆”的形貌和结构,然后在头脑中清晰建构模型,最后再学习单摆的周期公式．

例1.把单摆的振动看作是简谐运动,需要满足的条件是

(A) 摆球体积要大.

(B) 摆线要粗而结实.

(C) 最大摆角不超过5°.

(D) 摆球的重心必须在球心上.

答案： (C).

例2.某单摆由1m长的摆线连接一个直径2cm的铁球组成,关于单摆周期,以下说法正确的是

(A) 摆角从5°改为3°,单摆的周期会变小.

(B) 用等质量木球替代铁球,单摆的周期不变.

(C) 用等质量的铜球替代铁球,单摆的周期变小.

(D) 将单摆从上海移到北京,单摆的周期会变大.

答案： (C).

“原型”的掌握程度直接关系到后两个阶段的学习情况,通过单摆原型的特征属性学习来掌握单摆的概念以及单摆的周期公式,可以降低学生对概念的理解难度．在教学中通过有关练习,强化原型的学习,后两个阶段的学习的难度就会大大降低,学习速度也会明显提高．

2.2 原型启发下的非原型的学习阶段

人们首先是通过原型认识事物,然后将一些与原型具有一些差异的事物归类认识,原型成员和非原型成员不一定完全相似,但在一些本质上是相似的．原型启发的实质就是人们在解释某种现象时,将属于这类现象的某个个体视为原型,在对这个原型总体特征认识不变的情况下,把握这类现象的其他个体．

原型学习阶段后,接着以认识原型的方式启发学生认识其他非原型成员,而在此过程中,最为关键的一点在于学生对原型的理解程度．原型的特征属性是一个逐步被认识的过程,所以在非原型的学习阶段过程中,要把对原型特征属性的进一步理解作为认知的重点,原型特征属性掌握得越好,概念也就掌握得越好,因为原型是表征概念的最佳实例,在教学过程中,一定要把握这个原则．

例如,在单摆概念表征之后,再扩展到其他实例,如双线摆等非原型成员的思维的建构．同样值得注意的是,“单摆”的表征是关键的部分,这决定着学生物理学科思维的发展．

例3.如图1(a)所示是一双线摆,双线摆较之单摆有一个明显的优点,它不像单摆那样,稍不小心就会在水平面上做圆锥摆运动,它是用两根等长的细线悬挂一小球构成的．图中的L和θ为已知量,当小球垂直于纸面做简谐运动时,周期为多大?如果把双线摆打一个结,如图1(b)所示,若L1、L2、α均已知,当小球垂直于纸面做简谐运动,周期为多大?

图1

图2

例4.如图2所示,A是半径为R的光滑圆弧轨道的最低点,B、C为可视为质点的两小球,将B球放在A点正上方h处,将C球放在离A点很近的轨道上,同时由静止释放B、C两球(忽略空气阻力)．当B球下落到A点时恰好与C球相遇,h的最小值应为__________;将C球向A点移动至原AC弧的中点,再次同时释放两球,仍当B球下落到A点时恰好与C球相遇,h的最小值将____________(选填“减小”、“不变”或“增大”)．

原型启发策略认为概念范畴成员具有不同的典型性,存在原型成员和非原型成员．原型成员处于范畴的中心,其他成员则视其与原型成员的相似程度分别处于从原型到最不原型之间的各个位置上并具有不同的概念范畴隶度．通过上述有关练习,学生在学习其他非原型成员时,加深对“单摆”原型特征属性的理解,使概念的表征在头脑中达到一定的熟练程度,或是形成了清晰的心理图式,对概念的拓展应用会起到无意识的启发作用,从而降低学习的难度,提高学习效率．

2.3 概念的巩固阶段

概念教学最后阶段是进行概念的巩固,通过概念的应用教学,促进学生对概念属性的掌握．例如,让学生利用单摆公式测定重力加速度,通过实验利用T2-l图像测出重力加速度,以及分析摆钟从地球表面一个位置搬到另一个位置,如何校准等问题的分析解决,促使学生对单摆概念达到“集体无意识”的程度．

例5.用单摆测定重力加速度的实验中，

(1) (多选题)应选用下列器材中的

(A) 半径1 cm的木球.

(B) 半径1 cm的实心钢球.

(C) 1 m左右的细线.

(D) 30 cm左右的细线.

(E) 秒表、三角板、米尺.

(2) 若在某次实验中,测得细线的长度为l、摆球直径为D、单摆完成N次全振动的时间为t,则利用上述量求重力加速度g的表达式为_______．

图3

例6.用单摆测重力加速度的实验中,组装单摆时,在摆线上端的悬点处,用一块开有狭缝的橡皮夹牢摆线,再用铁架台的铁夹将橡皮夹紧，如图3所示．

(1) (单选)这样做的目的是

(A) 保证摆动过程中摆长不变.

(B) 可使周期测量得更加准确.

(C) 使摆长不可调节.

(D) 保证摆球在同一竖直平面内摆动.

(2) (单选)图4所示振动图像真实地描述了对摆长约为1 m的单摆进行周期测量的4种操作过程,图像横坐标原点表示计时开始,ABCD均为30次全振动的图像,已知sin5°=0.087,sin15°=0.26,这4种操作过程合乎实验要求且误差最小的是

图4

图5

(3) 某小组发现单摆静止时摆球重心在球心的正下方,但仍将悬点到球心的距离当成摆长L,通过改变摆线长度,测得6组L和对应的周期T,画出图像L-T2,选取A、B两点,坐标如图5，则重力加速度的表达式g=________,此结果与摆球重心在球心处相比,将________(选填“偏大”、“偏小”或“相同”)．

例7.在地球表面上周期准确的秒摆(周期为2s),移到距离地面为nR0的高度处(R0为地球半径),该秒摆的周期________s,此时为了让秒摆保持周期2s不变,则需要________(“增长”,“减短”)摆长．

答案： 2(n+1),减短.

在上述单摆概念建构的3个阶段中,原型的特征属性的掌握程度是整个教学过程的重点,原型表征的清晰建构是物理概念学习的关键．原型的特征属性的学习是一个逐步完成的过程,原型特征属性掌握得越熟练,最好能达到集体无意识的程度,原型启发下的非原型成员的学习就会越容易,概念就掌握得越牢靠和清晰．例如,提到单摆,人们头脑浮现出细线下拴一个铁球,绕悬点摆动的原型;提到单摆的等时性,人们联想起伽利略在教堂里对摆动的吊灯的观察情景;提到单摆的周期公式,人们回忆起来的是利用控制变量法研究影响单摆周期因素的实验;提到单摆等时性的应用,人们脑海中呈现的是摆钟的画面;提到单摆周期公式的应用,回忆起来的是利用数学公式或是图像法测重力加速度……每一个物理概念都与一个曾被不断强化的表征原型相对应,每一条物理规律都与一个物理过程的动态表征原型相联系,每一种研究方法都与一种具体的操作(动笔计算、动手实验)原型相衔接．选择科学的、合理的教学方式,可以降低知识本身的难度,帮助学生更加轻松地学习,并教会他们学会学习．

综上所述,利用原型启发策略指导物理概念的构建以及概念拓展的教学设计,对于物理教学有积极的指导意义．原型启发能够帮助学生克服对物理概念难于把握的恐惧感,以认识宏观事物的思维来认识它们,也与高中学生逐步由形象思维向抽象思维过渡的思维特征相吻合．原型成员的表征达到了“集体无意识”的程度,其他非原型成员表征的形成就会在学生无意识的状态下完成了,便自然而然地能克服物理概念过于繁多、难记和抽象等特点而形成的学习障碍,在很大程度上降低了物理概念学习的难度,帮助学生在轻松的氛围中建立清晰的表征形式和物理学科思维,从而提高学生的物理学习兴趣、信心、能力和物理成绩．

1 陈刚等著.自然学科学习与教学设计[M].上海:上海教育出版社,2005.

2 邓铸.问题解决中对问题的外部表征和内部表征[J].心理学动态,2001,9(3):193-200.

3 莫雷,吴思娜.不同概化的问题原型对问题归类和解决的影响[J].心理学报,2001,33(5):416-424.

4 刘兆岩.原型范畴理论的进步与局限[J].宁波工程学院学报, 2011,23(2):35-39.

5 梁德雄.从物理概念的建立看物理概念教学[J].物理教师，2011(4)：7-8.

本文系全国教育科学“十二五”规划教育部重点课题“培养中学生物理语言表征问题能力的实践研究”(课题批准号:DHA140323)的阶段性研究成果．

2016-12-08)