基于具身认知促进物理抽象概念构建的教学策略*

任虎虎

(江苏省太仓高级中学 江苏 苏州 215411)

1 对具身认知的认识

基于对身心二元论的批判和反思，引发了将主体身体体验引入认知过程的身心一元论的第二代认知科学产生，即具身认知.镜像神经元的发现为具身认知理论建构奠定了生理基础.硏究表明，主体在表征、加工或运用抽象概念时，由对物体的观察或操作而诱发的运动系统的激活过程，实际上就是“镜像神经系统的激活”过程.传统教学三要素是教师、学生和知识，它们之间的关系如图1所示，具身认知认为教学是四要素，包括教师、学生、知识和环境，它们之间是通过身体联系在一起的，如图2所示.

图1 传统教学三要素

图2 教学四要素

基于具身认知的学习过程是一种“学习中行动——行动中反思——反思中实践——实践中建构”的螺旋式上升过程.学习者在特定思想、观念的引导下展开对世界和人自身的多方面作用，即“学习中行动”.其间不断对思想观念、行动本身及其成效进行思考和自省，即“行动中反思”.在此基础上，将反思的结果转为现实的行动，即“反思中实践”.最终，在实践中建构出更实质、更综合的知识框架和行动经验，即“实践中建构”.显然，具身学习是行动与反思协调驱动的过程.它注重身与心的统一，强调实践与经验的互动，构建身心合一的个体实践性知识.

2 基于具身认知的物理抽象概念教学

高中物理知识性强，对学生思维的要求较高，很多物理概念的理解需要学生自己内化和反思，并且有些物理概念与生活中的现象相悖.初中学生主要是培养形象思维，而高中学生必须由形象思维上升到抽象思维，需要将具体的实物或过程抽象为理想化的模型，比如质点、自由落体运动等.

基于具身认知的具身学习是帮助学生深刻理解物理抽象概念本质与意义的有效途径，通过具身化的学习、隐喻和表达将抽象的、静态的和符号的物理概念“还原”“激活”和“打开”，让物理教学回归学生的生活世界，回归学生的经验，通过创设问题情境促进学生多维体验，在体验中对话、在对话中反思、在反思中成长.

物理抽象概念之所以抽象是因为它是去情境化的，有些甚至是脱离学生的生活世界，是抽象思维的结果.教学中教师需要还原物理概念建立的过程情境，通过实验探究、类比等方法让学生具身体验模型一步步构建的过程，深度理解物理抽象概念的内涵，创设生活化的问题情境进行应用，活化物理抽象概念.

3 基于具身认知 促进物理抽象概念构建的教学策略

3.1 创设实验情境 显化物理抽象概念

还原物理抽象概念的建立过程，通过创设针对性的、具体的实验情境，外显物理抽象概念的内涵和本质，让学生切身经历视觉、听觉和或触觉的体验，深度理解物理抽象概念.

教学案例：如图3所示电路，引导学生思考两个问题：单刀双掷开关S→1的时候电路是什么接法？S→2时电路是怎样的？

图3 电容器充、放电示意图

接下来展示笔者自制的电容器充、放电实物线路板，如图4所示，外接电源、电流表和电压表， 让一名学生操作，其他学生仔细观察电流表和电压表的指针偏转情况.

图4 自制电容器充、放电实物图

引导学生描述：(1)开关S→1时有什么实验现象？(2)S断开(不接1也不接2)有什么现象？(3)S→2时有什么实验现象？

当S→1时，具身体验到：电流表指针向右偏转后很快终摆回“0”刻度，电压表指针向右摆动到某个值后不动；当S断开时，体验到：电流表指针还在“0”刻度不动，电压表指针在缓慢地向“0”刻度移动；当S→2时，电流表指针向左偏转后很快又摆回“0”刻度，电压表指针迅速摆回“0”刻度.

针对上述学生的体验，通过问题驱动与学生深度对话帮助学生认识电容器的作用.

师：电流是怎么形成的？

生甲：自由电荷的定向运动.

师：S→1时，流过电流表的电荷有没有穿过电容器？为什么？

生乙：没有，从电容器的结构可以看出两个极板彼此绝缘.

师：那么流过电流表的电荷去哪里了呢？

生丙：只能储存在电容器的极板上.

师：所以电容器的作用是什么？

生丁：容纳电荷的仪器.

师：这个过程叫电容器的充电，容纳电荷后，两极板间有电势差，此时它有对外做功的能力，也就是它也储存了电能.

师：S→2时，流过电流表的电流为什么和S→1时相反？

生戊：此时电容器的两个极板被直接接在一起，电容器要放电，所以和充电过程自由电荷移动的方向相反.

要研究电容器容纳电荷本领的大小，就得研究电容器容纳的电荷量Q和两极板电势差U之间的关系.借助DIS实验平台的电流传感器和电压传感器.用电流传感器和电压传感器代替刚才的电流表和电压表进行实验.

为了学生具身体验实验操作的过程，学生独立完成这一过程，一名同学前面操作，如图5所示.

图5 学生具身体验

其他学生记录实验数据，让开关S→1时，记录下电压传感器读数和计算机显示的I-t图像，如图6所示.

图6 充电电流图像

师：对于测量得到的I-t图像，如何得到电容器的电荷量？

生己：计算图像与坐标轴围成的面积？

师：你是怎么想到的？

生庚：类似于v-t图像和F-x图像的面积.

点击软件“数据分析”中的“积分”选项，就可测出电容器的电荷量.电容器a测5组数据，测完后再换另一个电容器b进行测量，将所测数据记录在表1中.

表1 实验数据记录表

为了形象直观地反映出Q与U间的关系，让学生切身做出两个电容器的Q-U图像，如图7所示.

师：从图像中能得出什么结论？

生辛：对于同一个电容器，Q与U成正比，即Q与U的比值不变，不同的电容器Q与U的比值不同.

师：这个比值越大说明什么？

图7 Q和U的图像关系

生壬：说明在相同电压下，能够容纳的电荷越多.

3.2 类比相似概念 内化物理抽象概念

一些物理抽象概念脱离了学生的生活背景，尤其电磁学中的部分概念，此时可以寻找一些相似的、学生熟悉的物理概念，采用类比的科学思想方法，增强具身效应，唤醒学生的已有经验，帮助学生内化物理抽象概念.

教学案例：在实验探究的基础上，可以通过类比的方法进一步深化对电容器电容的理解.

类比生活中熟悉的盛水容器，如图8所示，向两个不同底面积的圆柱形容器中加水到相同高度，如1 cm，根据体积计算公式：V=Sh可知，底面积大的容器装的水多，我们就说底面积大的容器容纳水的本领强.可以将电势差U类比高度差h，总电荷量Q类比总体积V，电容器的电容C类比盛水容器的底面积S.从而内化电容器电容的物理意义：表示电容器容纳电荷本领大小，电容越大，表示容纳电荷的本领越强.

图8 类比盛水容器

3.3 解决实际问题 活化物理抽象概念

物理与生活密切联系，新课标倡导通过学生活动体验，认识“科学·技术·社会·环境(STSE)”间的关系，通过设计待解决的实际学习任务或问题，拉近物理知识和生活的距离，体现具身性，应用所学知识和方法，活化物理抽象概念.

教学案例：展示如图9所示水塔照片，创设待解决实际问题.姜师傅是某自来水厂的水电工，他一天要检查自来水水塔水位好几次，由于水塔很高、腿脚不便，他想能有一个自动测定水位高度的仪器就轻松多了.你能用今天所学知识帮他设计一个吗？

图9 水塔

为解决这个问题，引导学生构建模型：将自来水视为绝缘体，当水位下降后，上方的的空间被空气“占领”，这个过程中电介质在不断减小.可以在水塔的外圈贴上一层锡箔，在中间插入一不锈钢管，构成电容器的两个极板.当水位下降时，电容器的电容将不断减小，也就是电容器的电容和水位的下降情况存在对应关系，从而可以通过测量电容来知道水位的下降情况.通过这些实际问题解决，活化对电容器电容的理解.

还可以介绍超级电容器，推荐学生课后观看CCTV10(科教频道)在2016年12月19日《走进科学》播出的“超级电容”节目，了解超级电容在生活中的广泛应用，让学生具身体验到生活即物理、物理即生活.