聚焦建构过程的概念教学范式

摘 要：以建构主义教学观和新课程核心素养育人目标为出发点，以“电场强度（第1课时）”为例，论述了高中物理概念建构教学的范式与理念.提出了概念课的“SWHWA”可视化认知框架，提炼了引导自主建构的途径及整合学习材料的原则，归纳了社会建构的学习共同体策略和基于可视化教学的元认知监控策略.

关键词：认知框架;可视化;建构;元认知

文章编号：1008-4134（2020）05-0054中图分类号：G633.7文献标识码：B

基金项目：广州市教育科学规划（Guangzhou education scientific research project）2016年度课题“基于思维导图的高中物理课堂教学实效性的研究”（课题编号：1201554015）.

作者简介：高荣顺（1982-），男，山东临淄人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理课程与教学.

建构主义主张重视学习过程的自我建构和社会建构，在核心素养背景下落实学生主体地位，发展科学思维，落实“立德树人”培养目标需要着眼于建构的过程.在概念的建构过程中又应当聚焦学生的思维过程，围绕思维训练实现物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的培养.

1 “电场强度（第1课时）”教学设计

教学环节1：物理史话——电场是客观存在的物质.

1.1 学习材料与资源

相隔一定距离的电荷或磁体之间的作用是如何发生的？在物理学史上曾经存在两种解释，一种是以牛顿学派为代表的超距作用，即这是力的一种基本形式，具有力的瞬时性特征，超距就是说这种力的传递与介质无关、不需要介质，另一种是法拉第的场物质观，即认为由于电荷或磁体的存在，其本体在周围空间激发出“场”，电荷之间、磁体之间的作用力其实是通过“场”这种介质传递的.

超距作用在19世纪之前为主流的科学家所接受，安培甚至按照牛顿力学的模式建立了磁体对电流的“中心力”概念，给予“超距作用”以定量的数学表达.

超距作用观点的提出源自于朴素的以物论物的哲学思辨，而无实证依据.事实上，牛顿力学的基础——绝对时空观也是建立在这个基础之上，比如欧几里德几何空间、质点模型、点电荷模型等.到19世纪末绝对时空观在科学领域受到质疑甚至尖锐的批判，后来爱因斯坦建立了完备的相对时空观.

科學之所以令人信服并非因为权威，也并非因为其具有定量表达的数学形式，而是严谨的实证依据.法拉第场物质的观念正是发展于这样一个牛顿权威影响甚广、拥趸不断补充体系日趋完整的背景，1791年法拉第生于一个英国铁匠家庭，他有九个兄弟姊妹.由于家境贫穷，法拉第没有受到完整的教育，小学毕业后就去一家小印刷店当学徒，这使他有机会读到很多书.他酷爱读书，印刷店中有什么书他就读什么书.由于丰富的阅读，法拉第能够用清楚简单的语言传达思想，但其数学能力只限于最简单的代数，对其他更高阶的数学（如微积分）并不熟悉，当时的牛顿学派基于严密抽象的数理体系对于他来说过于难懂，却接受了“以力论物”的哲学和宗教观点，比如康德提出：“物质是一连串假设的结果，只有力才是最根本的，物质由力来组成，空间为力所充满”，波斯柯维奇的观点更是与牛顿的时空观大相径庭，用空间的力取代了牛顿的物质和真空.

1831年“力线”的提出，是具有较深的哲学印痕的法拉第场观念的最初萌芽.法拉第这种“场”的思想在当时是很超前的，很多后人佩服他当时的想象力和创造力，他深知基于哲学思辨的结论更需要科学实验的支撑.法拉第发展自己的场思想的过程就是对牛顿的科学观背离和否定的过程.

1837年法拉第通过实验（介质电容率的测定、电感应曲线的传播方式）发现电作用、磁作用与电荷之间或磁体之间的介质有关，确定了这种作用的非瞬时性，有力地否定了超距作用.

1845年，由于对磁致旋光效应现象的解释，法拉第找到了磁场实体的证据.磁光效应是指磁场使光的偏振面发生一定角度的偏转，当时 “光是一种电磁波，而波是一种客观物质” 的观念已经被广为接受和证明.因此光一定也是一种物质而非性质，既然这种物质并非磁体，那一定就是磁体激发产生的另一种物质——磁场.

1851年，法拉第在研究了物质顺磁体和抗磁体的导磁机制后进一步完善了自己的思想并指出磁场是一种真实存在的实体.

场的提出直接动摇了牛顿力学的基础，引起了科学界的一片质疑，因为牛顿是物理学中的神，对牛顿的任何质疑都无异于亵渎，而且法拉第因为数学基础薄弱，给不出场的数学描述，这更是授人以口实.

1855年，麦克斯韦发表论文“论法拉第的力线”，这是对法拉第研究的数学描述，法拉第的观点和麦克斯韦的数学完美地结合在了一起，1865年，麦克斯韦推导出了优美的麦克斯韦方程组，这不仅是法拉第场思想的数学描述，更是奠定了近代物理电磁学一百多年以来赖以发展的基础.

1855年，法拉第发表“论磁哲学的一些观点”，将引力场、电场、磁场都纳入空间力场的范围，至此法拉第全面彻底地否定了牛顿的超距论，建立了自己基于科学实证的“场物质观”.

1867年，法拉第离开了人世.他划时代地提出了场的概念，在理论上消除了物质和能量的界限，爱因斯坦的质能方程只不过是他思想的具体化，其意义不亚于牛顿统一天地，也许已经不能用科学家来称呼这个伟人了，更应该用哲学家来赞颂他，他是在用思想来理解世界.爱因斯坦说过，“对于我们，法拉第的一些观念，可以说是同我们母亲的奶一道吮吸来的，他们的伟大和大胆是难以估量的.”

1.2 问题与探讨 （如图2）

教学环节2：探究电场的性质.

电场的性质如图3所示.

【教学引导过程参考】 通过跨学科类比硫酸的性质（如图4），得知性质依附于物质，是物质的属性，只有在一定的条件下性质才得以显化.

1.3 电场的力的性质的探究历程

1.3.1 探究历程的框架与路径

1.3.2 探究历程的思考与讨论

【教学引导过程参考】电场的基本性质之一就是对电荷有力的作用，Q所激发的电场对试探电荷q有电场力的作用.由此可见F是性质的体现而非性质本身，当然也就不能表征性质.反过来说该性质只有在试探电荷q的存在下才能得以显化，若无试探电荷存在该性质是内隐的.因此显化描述该性质的要素就包含q和F.再用控制变量的方法探究试探电荷电荷量q不同的情形以及位置不同的情形即可归纳出电场强度表示式为E=F/q.学习框架如图5所示.

教学环节3：定义电场强度的思考与讨论.

表2 双向建构反思的问题链设计

①电场与电场线哪一个是客观实在？

②电场强度是矢量还是标量？

③学习电场之前，库仑力F的施力物体和受力物体分别是谁？

学习了电场之后，定义式中的F施力物体和受力物体分别是谁？

④如何从F-q图象中找到电场强度的信息？

⑤通过阅读教材，回答电场线如何描述电场强度的大小和方向

【教学引导过程参考】 略.

教学环节4：巩固练习.

（1）真空中有一个电荷量为+Q的点电荷，则距其为r的P点的场强大小为，这个公式就是点电荷在某点的电场强度的表达式.

（2）从点电荷+Q的场强表达式中可以看出，某点的场强与电荷有关，而与电荷无关，还与该点到+Q的有关，距离越大，场强越.

（3）如图6所示，到点电荷+Q距离为r的点分布于同一球面上，则Ea= ，Eb=，Ec=.

（4）在点电荷-Q激发的电场中场强方向是怎样的？在图7中画出a、b、c三点的场强方向.

（5）如图8，点电荷+Q、-Q分别位于RtSymbolDA@

PAB的两个顶点，SymbolPC@

PAB=30°，求P点的电场强度Ep.

（6）请列举学过的用比值定义法描述的物理量.

2 聚焦建构过程的关键节点，搭建图示化的认知框架

思维活动是学习建构过程中的核心活动，教学设计必须围绕思维活动这个核心，而认知主体在围绕某一主题展开的一系列复杂的思维活动中的关键节点决定着思维发展的脉络、认知过程的框架、教学的时序.因此，概念教学也必须因循其相對稳定的认知框架（图2、图5）.

而可视化的认知框架对于思维能力的培养有积极意义：第一，以可视化的形式对思维过程形成有力的支撑和引导，引导思维活动从无序向有序、从低效向高效发展;第二，条理化结构便于将认知过程分解、审视、找出底层规律，抵达问题核心;第三，不同的物理概念需要在上述认知框架基础上进行局部调整和变化，而学生在不同的概念学习过程中完成认知框架的不断内化和迁移，这正是思维灵活性的基础.

认知框架的设计应当契合学科知识的内在逻辑，结合学生的心理发展水平，以教学目标或需要解决的问题不同而开发编制，在教学活动中以可视化形式展示出来，使学生有一个清晰的整体认知，同时又一脉相承，次第展开，体现学习进阶[1]的过程.本课题研究归纳了高中物理概念的建构过程，提炼了“物理情境（Situation）—研究对象（Who）—研究方法（How）—得出概念（What）—顺应练习（Applycation） ”五个关键节点，并以此作为概念课思维活动的“SWHWA”认知框架.

3 有机整合学习材料，引导学生的自主建构

以皮亚杰为代表的认知建构主义强调充分发挥学生的主体地位，给予学生独立思考和发展的机会，形成自己的认知体系.学习的结果，不只是对某种刺激作出特定反应，而是头脑中认知图式的重建.教师可以为学生提供自我建构的认知框架，但不能越俎代庖，将本该由认知主体自我完成的思辨过程大包大揽.教师应该从以下方面促成学生自我建构的优质高效完成.

第一，在教学设计时，应当着眼整合思维材料以充分调动学生的学习动机.

思维材料的形式分为四类：一是引发兴趣的演示实验、分组实验;二是发人深省的问题（见表2）;三是引发认知冲突的物理现象;四是趣理兼备的物理史话.思维材料的整合必须遵循以下原则：①小容量性原则.删减冗余的信息，不占用过多的信息加工时间.②典型性原则.即该思维材料承前启后，在知识的同化和顺应过程中便于形成和引起新认知图式的建构.③严谨性原则.即材料的各部分之间必须具有严谨的逻辑结构，体现科学的实证精神.④“最近区域”原则.尤其对于物理史话而言，作者当初预设的读者群体与教学对象的认知水平不一定相同.对于史料叙述的详略不一，那些超出学生认知范围的需要改、删;那些一句带过却又缺乏逻辑性的就要细化、充实.

第二，学生自主建构过程中，教师观察巡视时应提供建设性、启发性的意见或问题，而非直接指出错误之处或者给出正确的思路.虽然斯金纳的行为主义学习理论认为即时强化是控制行为的最好方法，对学生的反应作出的反馈越快，强化效果就越大，但是这种效果也仅仅是见于当时的行为效果，而非认知转化之下的思维效果.实践证明，这种及时反馈的强化机制是低效或者无效的.

第三，对学生的自我建构历程形成“过程性评价”[2]，通过学生自评、互评，组间评价、教师综合评价等形式，关注学生的个性成长、关注学生的能力提高等，这些都有利于调动学生思维的积极主动性，形成自我建构、独立思考的良性循环.

4 组建学习共同体，鼓励社会建构

以维果茨基为代表的社会建构主义认为个体所处的环境作用并规范着知识建构的历程.知识建构的过程，不仅需要个体与物理环境的相互作用，更需要通过学习共同体[3]的合作互动来完成.学习共同体（learningcommunity）是指一个由学习者及其助学者（包括教师、专家、辅导者等）共同构成的团体，他们彼此之间经常在学习过程中进行沟通、交流，分享各种学习资源，共同完成一定的教学任务.学习共同体具有两种基本功能：一是社会强化功能;二是信息交流功能.

本课题研究归纳我校原来“导师指导下的小组合作”[4]学习模式，整合“问题导向”的教学理念，形成了“以问题链为主线、以师生合作互动为基本形式”的学习共同体策略（表1、表2）.问题链设计，首先梯度要贴近学生思维能力水平，其次问题之间应当逻辑严密、环环相扣、层层深入，注重问题之间形成严密完整的逻辑链条，让学生感受到逻辑的魅力和真理的力量，最后问题应具有一定的启发性，在一定程度上引导学生的批判创新思维能力、概括能力.师生互动、生生互动应当以感知交换[5]为基础，以情感互动为纽带，以思维互动为核心，以行为互动为表现.

5 元认知监控策略贯穿建构过程，形成认知图式

建构主义认为，知识只有在应用中才能完成认知的双向建构，在内外化双向建构过程中，同化与顺应的功能始终在发挥作用.内化建构本身体现了主体对客体的顺应;外化建构本身则体现了客体被主体所同化.因此，物理概念是否习得，学生对概念理解水平的诊断和评价也必须在一定的物理情境与问题（表2）中才能得以体现.课堂练习作为概念的顺应过程必不可少，但也不能设置一些超出学生能力水平和教学目标的题目.

一般而言，概念课的课堂练习分为理解巩固与变式拓展两类.设置理解巩固类的题目是为了再次回顾知识的“同化”过程，提炼物理思想方法，深化对概念的理解;设置变式拓展类题目是为了在复杂情境中完成知识的“顺应”过程，活化概念的理解.

对习题的点评除了引导学生独立思考与小组讨论外，更应当侧重于元认知过程监控策略.

元认知监控策略是对认知的监控，以往元认知策略的实施往往礙于认知过程的隐形化，即使勉强用语言表达也非常低效，元认知监控也就变成少数“极具自我反思意识”同学的专利，教学中无法实现，而本课题基于思维导图的可视化教学设计为元认知策略的实施提供了一种解决途径.其一，可视化教学设计将学生的认知过程显化，便于师生比较思维过程的对错优劣;其二，思维导图的时序主线、逻辑结构明晰，便于师生对思维过程的整体把握和知识体系的内化.实践表明，元认知监控策略对于完成概念的双向建构，形成认知图式具有明显效果.

6 结束语

教学实践必须落实概念的建构过程，落实学生的主体地位重在学生思维活动的参与，教师在课前充分预设，整合学习材料、呈现可视化的学习历程，在课中适时引导两种建构，以元认知策略贯穿两种建构过程，促成认知图式的形成.

参考文献：

[1]郭玉英，姚建欣，张静.整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J].课程·教材·教法，2013，33（02）：44-49.

[2]白丽洁.高职院校学生学业成绩过程性评价改革的应用与效果分析[J].科技风，2019（31）：64.

[3]Shazia K. Jan，Panos Vlachopoulos Social Network Analysis： A Framework for Identifying Communities in Higher Education Online Learning[J]. Technology， Knowledge and Learning， 2019， 24 （4）：621-639.

[4]汪明微.导师指导下小组合作学习模式的构建原则[J].基础教育研究，2013（09）：19-21.

[5]任炜东，卢慕稚，续佩君.感悟与同行：中学物理教学的有效途径[J].课程·教材·教法，2015，35（12）：96-100.

（收稿日期：2019-11-17）