“静电场”主题的学习进阶研究

谢佳宏 王较过

(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西 西安 710119)

“静电场”是高中物理的重要教学内容,由于静电场看不见摸不着,使得学生对静电场缺乏感性认识,加之静电场知识点零碎庞杂,从而导致该部分内容教师难教学生难学.对于“静电场”主题的教学而言,如何使学生深刻理解相关概念,促进学生对静电场知识的连贯性、发展性学习,帮助学生形成良好的知识结构就是一个值得探讨的重要问题.

近年来,广大教育工作者把学习进阶理论应用于课堂教学实践取得了良好的教学效果.所谓学习进阶,其实质就是对学生在各学段,学习同一主题知识时所遵循的连贯的、循序渐进的学习路径的描述,一般表现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列.[1]应用学习进阶理论指导教学,有助于教师引导学生循序渐进的学习主题知识,形成良好的知识结构.要达到这个目的,首先必须明确所学主题的学习进阶．本文就“静电场”主题的学习进阶做一探讨.

1 学习进阶的理论基础

应用学习进阶理论指导教学之目的是为了探索“应为学生设立怎样的学习路径”这一核心问题.[2]学习进阶的理论基础主要有布鲁纳的“螺旋式课程设计”和维果斯基的“最近发展区”理论.

布鲁纳曾经指出,成功组织学习材料的有效途径是发展一种“螺旋式的课程”,课程设计应该将学科核心概念置于课程的中心地位,把它们以与儿童思维水平相符的形式呈现出来,随着儿童年龄的增长和学习的继续,不断加深对这些学科核心概念的理解和应用.[3]换言之,课程设计应该具有连贯性和渐进性,学生针对同一主题知识的学习不可能一次到位,应该把学科核心概念划分为连续的循序渐进的学习序列,以适应不同年龄段和具有不同认知水平的学生.在学习内容的序列中,每一阶段的学习都是下一阶段的基础,同时也是前一阶段的加深和拓展.例如,对“加速度”的学习,首先,在位移和速度相关知识的基础之上,引导学生从运动学的视角定义加速度,理解加速度是描述物体速度变化快慢的物理量,掌握对物体运动的描述,探讨匀变速直线运动的规律;其次,通过牛顿第二定律将加速度与力联系起来,从动力学的视角理解加速度,帮助学生认识如果物体所受合外力不为0,就会产生加速度.使学生不仅能通过对物体的受力分析,运用牛顿第二定律计算物体的加速度,还能通过对物体加速度的分析,运用牛顿第二定律计算物体受到的合外力,解决生产生活中的实际问题,从而深化对加速度的认识.这样的课程设计与教学,符合学生的认知发展,能让学生循序渐进的理解加速度,实现加速度的学习进阶.

维果斯基的最近发展区理论指出,[4]学生发展有两种水平,一种是学生现有发展水平,另一种是学生潜在的发展水平,两种水平间的差异就是“最近发展区”．教学应准确把握学生的最近发展区,设计合理的教学方案,促进“最近发展区”不断向前发展,帮助学生逐渐达到较高水平.例如,在“滑动摩擦力”的教学中,初中阶段学生对滑动摩擦力有了定性的认识,具备了二力平衡和控制变量法的相关知识和初步的实验探究能力,这就是高中阶段学生学习滑动摩擦力的现有水平.而学生的潜在水平是能够掌握滑动摩擦力的产生条件和影响因素,掌握其计算公式.在教学中,教师引导学生通过实验探究滑动摩擦力的影响因素,对滑动摩擦力进行定量分析和计算,逐渐将学生潜在的发展水平变为现实水平.

学习进阶描述了学生各学段持续发展的学习路径,它能有效地呈现概念间的逻辑关系,指出先学什么,后学什么,使先学的知识对后面的学习产生积极影响,为学生提供最恰当的学习情景.学习进阶不仅描述学生学习和思维发展的路径,更重要的是确定学生发展所处的不同思维层次,通过对每一层次的描述,呈现学生需要达到的水平,从而使教师准确把握学生的最近发展区,设计合理的教学方案,促进学生的最近发展区不断向前发展,使学生日趋进步,逐步完善知识体系.

2 “静电场”主题的学习进阶

学习进阶研究是假设与验证、理论与实践相互交替、不断完善的过程.[5]其步骤一般是:确定研究主题(核心概念),选择合适的进阶变量和维度,确定初步的学习进阶,然后开发测量工具并对学生进行测试,根据测量结果对初步确定的学习进阶进行验证和修订.

2.1 “静电场”主题相关概念间的层级关系

笔者依据《义务教育物理课程标准(2011年版)》,[6]《普通高中物理课程标准(实验)》[7]和《普通高中课程标准实验教科书.物理(选修3-1)》,[8]对静电场部分的学习内容进行梳理发现,在初中阶段,要求学生通过观察摩擦起电现象,探究并了解电荷的种类及其相互作用,能举例说明生活中的静电现象.而在高中阶段,要求学生进一步认识电荷,从微观层面对摩擦起电进行分析,并利用理想化的物理模型(点电荷)对电荷间的相互作用进行定量研究,然后学习描述电场性质的相关物理量.在此基础之上,通过静电现象和电容器等内容的拓展应用,加深学生对静电场的认识与理解.“静电场”主题中各个概念间的层级关系如图1所示.

由图1可见,尽管本章涉及的概念较多,但它们主要是围绕“电荷”、和“静电场基本性质”两个方面展开.这两方面涉及的概念相互关联且逐渐深化,学生在学习过程中就是围绕这些概念逐渐加深对静电场的认识与理解的.

图1 “静电场”主题概念间的层级关系

2.2 “静电场”主题的进阶变量和进阶维度

进阶变量一般是学科内的核心概念和关键能力,[9]它是将进阶起点、中间层级和进阶终点有机链接起来的纽带.研究者通过对进阶变量的分析和观察,能够追踪学生对某一主题知识学习时的阶段性发展.进阶维度其实质就是进阶变量的不同方面,学生从不同的方面学习学科核心概念,最后综合各个维度达到对学科核心概念的整体把握.例如Alonzo[10]在研究“力与运动”这一主题的学习进阶时,将其分为“F合=0”、“F合≠0”、“物体运动”和“物体静止”4个维度,而这4个维度的进阶就构成了“力与运动”主题的学习进阶.进阶变量和进阶维度的选择是理论和实践相互质证的过程,研究者基于自身的研究视角和目的往往会选择不同的进阶变量和维度,然后根据实践效果对其加以修正,以便更好地描述学生的学习进阶发展.本文选择的进阶变量是“静电场”主题知识内容和学生的认知发展水平.进阶维度是“电荷”和“静电场基本性质”两个维度.需要说明的是,这两个维度之间并不是相互孤立、毫无联系,同时各维度也并不是处于完全相同的层级.学生对某一维度的理解会对另一维度的学习提供支持和帮助.例如“电荷”这一维度中库伦定律的学习,会对“静电场基本性质”这一维度中电场强度的学习产生积极影响.

2.3 “静电场”主题的进阶层级

确定进阶层级就是对最低层级、最高层级,和中间层级的划分与描述.[11]确定最低层级一般基于学生对目标知识的原始认识,包括学生头脑中已有的生活经验和相关的前概念等.确定最高层级一般依据社会期望、课程标准对学生的要求等．确定中间层级则基于已有的对学生情况的研究结果,以及对具体学科内容的分析.[12]笔者依据课程标准和教材、学生认知发展规律,结合静电场研究的相关文献,将“静电场”主题的学习进阶划分为4个层级水平.

水平1:具有零碎的、尚未相互关联的生活经验和事实,并将这些生活经验与物理概念建立起联系,但尚不能用这些概念对静电场现象进行解释.

水平2:能记忆静电场相关概念的定义和规律的具体内容,并能用其对静电场相关现象进行简单解释.

水平3:深刻理解静电场相关概念,能厘清概念间的区别与联系,并用科学方法建立静电场概念间内在的逻辑关系,把握事实经验的本质特征.

水平4:能全面理解静电场主题知识,并与其他主题知识建立起联系,形成系统的知识结构,综合分析问题.

为了更好地说明层级水平的划分,在此以“电荷”为例,对静电场主题学习进阶层级的划分做一说明.学生从“冬天脱毛衣会有电火花和声音产生”,“夏天用梳子梳头发,头发变得蓬松”等生活现象获得事实经验,并将这些事实经验与“摩擦起电”“电荷”等物理概念建立联系,说明达到了水平1;知道电荷、自由电子、静电感应、电荷守恒定律等静电场概念和规律的具体内容,说明达到了水平2;深入理解概念,并从微观层面解释摩擦起电的实质,得出电荷守恒定律,理解点电荷这一理想模型,建立电荷间相互作用的定量关系,说明达到了水平3;将这些知识建立起系统的联系,解决“静电复印”“静电除尘”等综合性的实际问题,说明达到了水平4.

2.4 “静电场”主题学习进阶的建构

在对课程标准、教材和静电场相关文献分析的基础之上,笔者从“电荷”和“静电场基本性质”两个维度将“静电场”主题的进阶发展过程划分为4个水平,并对每一水平加以解释说明,确定了“静电场”主题的学习进阶如表1所示.

从表1可以看出,学生对于“静电场”主题的学习并不是一蹴而就的,而是从“电荷”和“静电场基本性质”两个维度,循序渐进地学习相关概念,经历不同的思维层级,逐渐进阶的学习过程.因此,在教学的过程中,要依据“静电场”主题的学习进阶规律,针对不同层级学生的思维特点和具体表现,设计合理的教学方案,帮助学生形成系统的知识结构,促进其核心素养的发展.

表1 “静电场”主题的学习进阶

3 对“静电场”主题教学实践的建议

学习进阶是沟通理论研究与课堂教学实践的桥梁,对课堂教学有重要的指导意义.在静电场主题教学实践中,充分发挥“静电场”主题学习进阶的教学价值,有利于课程的螺旋深入和学生思维的发展,有利于学生知识体系的建立.能帮助学生将孤立、零散知识进行整合形成完善的知识体系.

教学之前,一方面教师要认识到静电场主题的学习是一个循序渐进的过程,明确学生学习该主题知识会经历的几个主要阶段,根据每个阶段的教学目标合理分配课时,统筹安排静电场主题的教学工作.另一方面,教师要准确判断学生发展所处层级,以及所要达到的目标和存在的典型的迷思概念,准确把握学生的最近发展区,在此基础之上进行科学的教学设计.

教学之中,教师要积极创设物理情景增加学生的感性认识,统一进阶起点使学生尽量处在同一起跑线.同时,还要善于发现学生的错误认识,充分利用这些错误认识,清晰地判断学生的思维层次,明确学生发展的认知障碍所在,然后选择合适的教学方法,建构循序渐进、由浅入深的学习路径,帮助学生逐渐从低水平向高水平进阶.

教学之后,教师要积极进行复习评价,检测学生是否到达了该阶段的认知要求.学习进阶提供了一种用来评价学生思维发展的模型,该模型揭示了学生思维的发展是一种由简单到复杂而不是由错到对的过程.在进行教学评价的时候不能以知识目标为唯一标准,要注重对学生思维过程的评价.因此,在开发评价工具的时候,应多设计一些开放性的评价方式,比如二段式测评,问卷,访谈等等．通过基于过程性的评价方式诊断学生的学习情况和认知障碍,不仅能促进教师教学方法的改进,优化课堂教学,也能增加教学评价方式的多样化.

4 结束语

本文运用学习进阶理论,结合对课标、教材和静电场相关文献的分析,初步确定了“静电场”主题的学习进阶,并提出了相应的教学建议.但是,笔者的研究还只是初步的探讨,“静电场”主题学习进阶的精确构建,还需要进一步的实证研究.构建一个科学合理的学习进阶往往需要进行多轮的测试和修改,学习进阶的建构正是这样一个假设与验证、理论与实践不断交替、逐步完善的过程.如何运用学习进阶来指导具体的教学实践,提高物理课堂教学质量还需要进一步深入研究.