基于“类比脚手架模型”的电流概念教学研究

唐安琪 黄 云 袁海泉

(1. 苏州工业园区星港学校,江苏 苏州 215021; 2. 苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

电流概念是电学中最基本的概念之一,也是初中学生学习的第一个电学物理量,更是进一步学习初、高中电学概念和规律的必要的预备知识;电流概念的学习是诸多电学抽象概念如电压,电阻等概念学习的基础,学生学习好电流概念可以为诸多电学抽象概念的学习提供方法的指导．

由于电流概念具有不可见、抽象的特性,因此经常造成学生的学习困难．电流概念的理解也一直是心理学与教育的研究焦点．学生对电流存在认知障碍的原因有:一是电流概念是抽象的概念,它看不见,摸不着,对它的学习更偏重于抽象化的理解,学生缺乏与电流相关的感性经验;二是学生身心发展程度不够．刚升入初三的学生,思维还处于形象向抽象过渡的时期,抽象思维能力的不足,阻碍了学生对电流概念的理解．三是学生对电流概念存在很多错误前概念,例如“递减模式”:学生认为电流从正极出发,经过各盏电灯时被“用掉”,“回到”负极就少了等等．三是初中化学的学习落后于物理中电流概念的教学,无法为学生提供必备的知识支撑．

本文在文献综述分析学生学习电流前概念的基础上,分析了普通类比教学的效果,将“类比脚手架模型”用于初中物理电流概念的教学,通过“水流模型”和“车链模型”消除学生的错误前概念,建立正确的电流概念,通过向“输入空间”增加具体的“整合层”来帮助学生搭建理解电流概念的脚手架,以期为物理抽象概念的教学提供借鉴和思考．

1 学生学习电流的前概念分析

大量研究表明,学生在学习电流概念时存在着大量前概念,这些前概念影响到学生对电流概念的学习．翟冰茹[1]通过对调查问卷分析,发现初中学生在电流认识上都存在有大量前概念,这些前概念妨碍了学生学习科学概念和认知发展．主要包含:“恒定电流源，每个电源提供的电流是恒定的”、“电流消耗模型，即电流沿着导线经过用电器逐渐被消耗”、“单极模型，即不需要回路,只要有正极就可产生电流”、“电流传播需要一定时间”等．发现有些电流的前概念是比较容易转变的,如电流的“单极模型”、“碰撞模型”．而有一些是学生通过传统的教学方式转变困难的．

总结出以下几种学生转变困难的电流前概念:电流到某处会停下来,断开开关的前面有电流,后面没有电流;电流的传播需要时间，离正极近的小灯泡先亮,离正极远的小灯泡后亮;串联电路中电流“顺序”消耗模型，离正极近的灯泡电流大,离正极远的灯泡电流小;串联电路中电流“分配”消耗模型,同样的两个小灯泡电流相等,电流等量分配;不同的小灯泡,亮的灯泡分配的电流多;串联电路中电流的大小与导线的长短有关，离电源近的灯泡电流大,离电源远的灯泡电流小．

陈妙龙[2]在对初中生电流迷思概念及其成因分析的基础上,提出转变学生电流迷思概念的教学策略,如直观教学、概念图教学、合作学习、科学史认知分析、类比教学等,并通过前后测比较发现上述促进学生电流概念转变的教学策略是有效的．

2 电流概念教学中普通类比教学效果分析

在电流概念教学中,我们经常采用类比法进行电流概念教学,所谓类比法,就是根据两个对象的某些相同或相似的特点,推断它们在其他方面上也有可能相同或相似的一种推理形式,但任何两种事物都不可能完全相同,在进行类比法教学的时候要注意弄清两个类比对象的内涵,区别它们的相同与不同点．但是,简单地使用单一的类比教学对于学生理解抽象物理概念的帮助并不是很大,教师将类比告诉学生,却没有考虑学生能够接受这种类比,这种类比能否帮助学生真正形成正确的物理概念．

在电流概念教学中,最常用的类比模型是“水流模型”,主要有以下方面的原因:水流是水的移动,水的流动需要动力,相对应地，电流是电荷的移动,电荷的移动需要电场力．所以苏科版教材以图1所示的“电流—水流类比”模型帮助学生初步理解电流的概念,虽然将电流比作水流可以反映电流的某些特征,但却不能很好地让学生理解电流的方向性、瞬时性,学生进一步正确理解电流概念仍有困难．

图1 电流—水流类比模型

3 电流概念教学中类比脚手架的建立

“类比脚手架模型”是美国科罗拉多大学物理系的Podolefsky 和Finkelstein 于2007年提出,[3]该模型建立了一个学生应用类比方法学习物理抽象概念的机制,并利用了表征、概念整合和概念分层的思想．描述了符号、指示物和图式之间的关系,符号指的是外部的表征,例如课本、图表、方程、手势或者语言．图式是用于解释指示物—符号关系的认知结构．图式的最重要的功能就是建立对事物、对象或情境的解释．三者用节点表示(如图 2),形成三角形的3个顶点,并且三角形的边显示了二者间的关系,每一个符号—图式—指示物系统就组成一个完成的心理空间．

“类比脚手架模型”是研究者在认知科学相关理论基础上提出的一种物理抽象概念教学的模式．张静[4]综述了类比脚手架模型的理论基础、研究进展及成果,介绍了类比脚手架模型在物理抽象概念教学中的应用,我们将“类比脚手架模型”用于初中物理电流概念的教学,通过“水流模型”和“车链模型”消除学生的错误前概念,建立正确的电流概念．

图2 符号、指示物和图示的关系

图3是整合了“电流—水流类比模型”和“电流—车链类比模型”产生的电流的类比脚手架模型,图3(a)和(b)是两个输入空间,图3(c)是一个整合空间,当一个输入空间的要素与另一个输入空间的要素有对应关系的时候,两个输入空间有选择性的映射到整合空间,产生新的空间结构．很多时候,学生的头脑中并没有具备相关的关系结构.因此,只有对一系列整合空间进行选择和分层才能搭建起概念形成的脚手架．

在第1层“电流—水流”模型中,图3(a)表示的“水流空间”包括水流和相关的符号与图式,图3(b)表示“电流空间”包含一个没有完全开发的电流概念,包括一根导线和灯泡以及相关的符号和图式．图3(c)表示的“电流空间1”是整合了水流特征的电流概念的整合空间,这个心理空间可以有其他形式,从电流输入空间选择电荷要素,从水流输入空间选择移动和动力要素,结合成整合空间的电流概念特征．

整合空间从不同的输入空间选择的要素有各种原则,一种可能的原则是:优先选择能够紧密联系符号和指示物的图式,在“电流—水流”模型中,水流相关的图式把符号和指示物相连更加紧密,所以从“电流空间”只选择了电荷这一图式．学生第一次学习电流概念时,在类比过程中,学生很容易记住联系更加密切的“水流模型”,“电流空间”的图式很容易被忽略,这种原则解释了学生如何根据他们的先验知识创建整合空间．

另外一种可能的原则是:优先选择用于提示混合的符号．图3(c)中,整合空间中的符号是来自输入空间的符号的混合体．它表示电荷和电流的投影,还包括了“水流模型”的流动和需要动力的图式,这种原则解释了可以通过精心选择不同的标志提供整合空间的线索,这种原则与提供的学习材料紧密有关,教师提供特定的材料可以促进学生形成特定的整合空间．

图3 电流的类比脚手架模型

这种整合空间的形成不是从一个结构到另一个结构的单向映射,而是混合了两个输入空间从而产生一个新的整合空间．而且,新生成的整合空间也可以成为新混合体的输入空间．在第2层“电流-车链”模型中,新生成的“电流空间1”成为输入空间,与“车链空间”继续组合形成新的整合空间“电流空间2”,图3(d)表示的“车链空间”包括车链和相关的符号与图式,引入了数量不会减少和同时转动的的图式,形成了较为完整的电流概念．

通过选择了“电流—水流”、“电流—车链”这两个整合空间并进行分层,搭建起电流概念形成的脚手架,帮助学生建立起正确的电流概念,很好的消除了学生错误前概念，“电流—水流”模型的引入很好地转变了“单极模型”、“碰撞电流模型”等错误前概念,而“电流—车链”模型的引入很好地转变了“恒定电流源”、“电流消耗模型”、“电流传播需要一定时间”等错误前概念．

基于以上电流的“类比脚手架模型”思路,设计了“电流与电流表使用”这一节课的教学设计,进行了课堂实施,发现上述模型对于学生电流概念的转变是有效的,能够有效帮助学生克服错误前概念,掌握电流概念的本质．