变构学习模型在物理跨学科实践中的应用

摘 要：近几年涌现的跨学科研究文献中，鲜有“物理学在信息技术中的应用”案例。通过对学生学习行为的分析发现“变构学习模型”能较好地弥合学生在信息技术与物理学之间的认知鸿沟，解构既有认知，炼制全新概念。以贴近学生生活的“体验授时服务”跨学科实践为例，学生通过两项具体实践任务，解构了对信息传递技术的片面认知，初步建构了信息技术与物理学紧密结合的观念。

关键词：变构模型；跨学科实践；物理学与信息技术；授时服务

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）7-0090-6

《义务教育物理课程标准（2022年版）》的一级主题“跨学科实践”下，共有9个三级主题［1］，其中“5.2.3 了解物理学在信息技术中的应用”鲜有研究和实践。物理学为信息技术提供了从信息录入到传输和存储的底层理论基础和硬件架构，但这些内容难以让初中生了解。如果生搬硬套课标活动建议：“查阅资料，了解物理学对信息技术发展的贡献”［1］，又过于宽泛且实践性不足。因而，如何将课标活动建议具体化、生活化，实现“做中学”“用中学”就成了一个重要的课题。

1 学习模型

初中生既有的原初概念与课标5.2.3对应的活动目标具有一定的距离。课前调查发现，学生将信息技术窄化为网络传递信息，他们评估信息可靠性的意识不足，不关心信息录入、传输和存储的物理学本质，难以切身感受物理学对信息技术发展的贡献。开设在低年级的信息技术课程虽然已着力解决上述问题，但是囿于学生认知水平和信息技术学科视野，效果仍然有限。

物理的跨学科实践应该首先基于物理学科知识，通过选取适合学生认知水平的跨学科案例，整合形成跨学科的大概念，比如，物理学和生物学都涉及到的“能量”。有了“大概念”，跨学科实践就成了物理课程的有机组成部分，既有多学科知识的应用，又实现了新知识的学习［2］。物理学和信息技术之间确实有共通的大概念，比如，“信息熵”就与物理学中“熵”有着深厚的渊源，但这些内容不是初中生能接受的，在他们的认知结构中，信息技术和物理学之间存在鸿沟，活动设计应该要合理地转化他们的原初概念。

1.1 概念体

瑞士的焦尔当（André Giordan）教授深入研究了概念转化的过程，在总结了行为主义、认知主义、建构主义等学习观后，提出了在学生的脑海中不仅有对知识概念本身的理解，还有个人的执著与信念、价值观与元认知等。它们相互作用，共同形成了“概念体”［3］。

嵌入在“概念体”中的原初概念有时候会成为建构新认知的阶梯，有时候却会反过来阻碍新概念的形成［2］。比如，学生从幼年时代构建起的狭隘信息技术认知，使得学生对于物理学在信息技术中的应用不甚感兴趣。因为“在大多数情况下，只有被期待的知识才能被听懂”，反之“新信息不能与学生相适应，那它就会被毫不留情地排斥”［3］。

1.2 变构学习模型

焦尔当教授的团队在对前人学习理论进行了充分实验验证之后，提出了变构学习模型（allosteric learning model），这种模型非常适合像跨学科实践这样复杂的学习过程。研究者认为，原初概念并不会因为新概念的出现而被轻易替换，“概念体”很像化学上“变构蛋白质”的结构与功能，是学生脑海中活化的有机整体，但是又会受到外部环境的影响而改变。所以，教师可以通过操作学习环境来干扰学生的“概念体”［3-4］。

在变构学习模型中，活动可以紧贴学生原初概念的情境引入，这一过程称为“驱动”。然后，在活动中让学生产生认知冲突，动摇学生的原初概念，令原有的“概念体”逐渐解体，这一过程称为“解构”。随着活动的推进，学生在元认知的监控下，自我审视原初概念，并逐步重构和转化原初概念，这一过程称为“变构”。变构学习模型的主体是学生，但“幕后引导者”一定是教师，他们设计活动，并营造师生互动、生生互动的学习环境，引领学生多维度、多层次地质疑原初概念，形成了“多重对质”。进而激发学生内在转化动机，形成新的概念。上述认知过程称为“炼制”［4］。

2 “体验授时服务”跨学科实践

学生关于信息技术的原初概念过于刚性，所以基于变构学习模型的设计思路，跨学科实践活动应当贴近学生的生活，这样才能引起他们足够的注意，活动主题应当从学生熟悉的网络应用切入，然后让学生产生认知冲突。活动主题应既能渗透各种信息传递方式，也能有助于电磁波传递信息等知识内容的建构。综合上述考虑，笔者选定“体验授时服务”作为本次跨学科实践的主题，其学习模型如图1所示。

2.1 网络授时，重在“解构”

“跨学科实践”的第一课时主题为“网络授时”，上课地点在机房。

2.1.1 情境：标准时间从何而来

情境由2个驱动问题构成。驱动问题1：自律守时的生活离不开标准时间，经济、交通、通信等各个领域更是毫秒必争，那么标准时间从何而来呢？学生列举了智能手表、电脑和手机等设备，在学生的生活中其他计时工具也必须和这些智能设备进行校时。驱动问题1激活并延续了学生的原初概念——信息大多通过网络传播。

驱动问题2：智能设备的标准时间又是从哪里来？这一问题令部分学生困惑，他们甚至不明白计时工具走时会有误差，需要及时校准，因而只有部分学生回答出了智能设备都是联网自动校准时间的。驱动问题2虽然与学生原初概念产生了一点偏差，但是仍然在他们的概念框架内。情境引入让新信息“插入学生已掌握的知识组织中”，避免“他们所掌握的知识在认知和情绪层面构成障碍”［2］。

2.1.2 活动1：时间服务器

活动1由2项任务组成。任务1：找寻电脑与什么设备联网校时。通过上网查询和比对，学生发现电脑都是与时间服务器联络后获得标准时间的，他们打开了授时服务器设置，发现图2所示选项中的“time.windows.com”“time.nist.gov”均为海外服务器。教师适时地告知学生，我国时间校准技术是自主可控的，中国国家授时中心设在陕西，我国的标准时间——“北京时间”是由他们产生和发播的。任务1的信息和学生的原初概念产生了不协调——互联网的信息来源并非全部可靠。

任务2：更改授时服务器设置，了解授时服务。学生在对话框的服务器一栏填入国家授时中心的网址“ntp.ntsc.ac.cn”，当看到“同步成功”的提示后非常兴奋。通过国家授时中心的官网，学生又了解到我国授时服务精度提高至微秒量级，技术世界领先，并找寻到了长波授时、短波授时、卫星授时等时间校准服务［4］。这时的学生已经和原初概念产生了裂痕——互联网并非唯一信息传递渠道。

2.1.3 活动2：网络授时误差成因

活动2的核心任务是通过分析和计算理解网络时间同步的原理，进一步解构学生的原初概念。

对比几种授时服务后，学生发现网络授时精度比较低，一般为几十毫秒到几百毫秒。学生立刻想到了网络延迟，这是他们都有的上网体验。教师则指出系统设计者一定会考虑到网络延迟，并设法找寻出具体延迟时间，然后纠正。

2.2 短波授时，重在“变构”

第二课时的主题为“短波授时”，先在教室集中，后到操场活动。

教师在总结了第一课时的作业完成情况后，提出驱动问题“网络授时需要来回校准，长波、短波和卫星授时方式为何可以单向传送”，问题引导学生复现九年级物理中电磁波相关知识，他们的回答有：“长波、短波和卫星通信的微波都是电磁波，电磁波的传播速度和光速一致”“在空间中传播的电磁波不像网络传输一样会有很大的延迟”。教师立刻借着这个讨论和学生们一起回顾长波、短波和微波在空间中的传输特性，比如卫星发射的微波可以穿过电离层，长波一般以地面波传输，传播比较稳定，短波主要靠电离层反射，所以稳定性较差。

活动3：体验短波授时。

活动3的核心任务是用收音机接收短波授时信号。

西安市郊的国家授时中心的短波电台用2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz频率发送无线电授时信号。身处千里之外的上海，尝试用普通收音机接收短波授时信号一定非常具有挑战性。教师将收音机放在窗台边，接收频率调谐至短波10 MHz，信号非常微弱。学生立刻想到这是由于建筑物对短波遮挡比较严重，教师则用一根长约5 m的导线延长了收音机的天线，将导线的另一头放在窗外后（图4），收音机立刻传出“滴……滴……滴”的计时声。每一个“滴”声间隔1秒，每隔1分钟则会听到“嘟”的一声长音。

为了改善收听效果，教师又带领学生来到操场，学生以2人为一小组开展活动。活动采用普通的全波段收音机，仅有10 MHz和15 MHz频段，配备一根长5 m的导线用作延长天线。由于地处闹市，操场外围仍有一圈较高的建筑。学生饶有兴趣地开展活动，他们有人为了避免建筑物遮挡，登上了操场东侧的一栋小楼；有的为了提升接收效果，把天线另一头套在了金属栏杆或黑板的金属外框上；更多学生是边走边试，最后大多数人都集中到了开阔的操场中心（图5）。由于授时中心是用不同频率交替发播授时信号，所以不同班级接收到的授时信号频率不完全相同。

回到教室后，学生首先反思了短波接收效果差异的原因，比如利用金属延长天线可以增强短波接收效果，在开阔地带或建筑物高处短波受到遮挡较少等。学生接收授时信号并反思分析的过程是电磁波知识的运用过程。活动契合了学生“概念体”变构的最佳位点——物理学在信息技术的重要应用，在原初概念解构之后，重构新的概念。

第二课时的课后作业是：利用课余时间接收国家授时中心的整点报时信号并录制视频。总结两节课的活动并形成报告，报告应包含以下内容：①简述哪些情况下短波接收效果较好；②简述网络授时精度低于短波授时的主要原因。

2.3  多重对质，“炼制”新知

第三课时主题是“总结回顾，互帮互评”。

教师总结了前段时间的学习成果，以三个小组为一大组，进行小组间的成果展示和报告互评，评价量表如表1所示。活动目的是更多地营造利于概念变构的学习环境，通过学生与新信息之间的对质、学生之间的对质，营造原初概念变构的环境，“炼制”新的认知。

活动4：成果展示，分组讨论。

在成果展示阶段，大多数小组都展示了接收到的整点报时信号——先是一段莫尔斯电码，然后是女声播报：“BPM标准时间频率标准频发播台”。从学生提交的活动视频中可以看出，有学生用上了家长的专业收音机，有学生为此采购了专用短波天线，还有学生对比报时信号，发现自己的手机时间慢了一秒（图6）。

分组讨论阶段的议题如下：（1）什么情况下短波接收效果较好？学生一致反馈晚上效果好，空旷场地效果好，楼层越高效果越好。同时，他们也通过查阅资料给出了原因，诸如电离层白天黑夜反射电磁波能力不同，空旷场地和高层电磁波被遮挡少，电磁污染小。大多数学生认为天线越长效果越好，教师则指出当天线增加到一定长度后，接收效果基本不变了，具体长度与电磁波波长有关［7］。不仅是接收天线，发射天线尺寸也与电磁波的波长有关，教师展示了图7，对比授时中心的短波和长波发射天线，学生们意识到一般情况下波长越长发射天线尺寸也越大。

（2）网络授时精度低于短波授时的主要原因是什么？大多数学生在活动2的基础上又计算了短波授时的用时。他们将西安和上海之间的直线距离约1 200 km除以光速3×105 km/s，得出传播时间仅4 ms，音频信号解调的时间则完全可以忽略，短波授时比网络授时直接且高效。还有学生指出，西安到上海之间的电磁波传播距离不能算成是1 200 km，而应考虑地表弧度和电离层的反射，不过即便如此，计算出的误差仍然很小。这一系列讨论令学生认识到了信息的传递离不开物理知识的应用，最终达成了课标的要求。

3 活动反思

本活动以学生熟悉的时间校准为切入点，以标准时间的发播和校准为中心解构重组了学生的原初概念，学生了解并体验了多种信息传递方式，对比分析出了网络传递信息的局限，了解了物理学在时间信息传递中的应用。变构学习模型也可以用于物理学本身的大概念形成，比如学生在初二物理学习了机械功后，可以通过类比电流和水流引入电功的初步概念，然后制造认知冲突，帮助学生理解电流做功的实质。

实践中笔者发现，大多数学生通过活动逐步实现了概念的转变，更让人惊喜的是有一部分学生对信息技术很感兴趣，他们有的是在获知课题时就开始自行查阅资料，有的是第一课时后就积极了解物理学在时间信息传递中的应用，他们主动变构原初概念，效果远超教师的预期。这批学生查阅到了北斗卫星导航系统也有双向校准授时模型，精度很高，可以校准网络授时的主服务器时间。他们还将活动视频发送给授时中心，收到了纪念明信片（图8）。有学生发现自己的电波表原来是通过授时中心发射的BPC低频时码进行校准的。还有学生关注到了授时中心更新了量子时钟，认识到一秒钟的定义以及北斗高精度导航所涉及的物理学知识如此高深，这也坚定了他们学好物理的决心。笔者为了回应学生的疑问，也多次咨询了授时中心的专业人士。

焦尔当教授指出，情绪和情感是学习的发动机，变构学习模型只是更多地站在教学设计者的视角去面对学生的问题［2］。若站在学生的视角，则建立在兴趣之上的持久学习动力，可以调用大量的注意、记忆、思考等认知资源，主动解构旧知、建构新知。因而，无论什么学习情境下，教师都应将激发和保持学生的学习兴趣作为第一要务。正如卢梭所言，“让孩子产生学习欲望，那么一切方法都会是好方法”。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：2-38.

［2］范兵，许钰彬，郭洋.物理跨学科实践：内涵、特点与案例［J］.物理教学探讨，2024，42（2）：76-80，85.

［3］安德烈·焦尔当，裴新宁.变构模型——学习研究的新路径［M］.杭零，译.北京：教育科学出版社，2010：9-47，95-164.

［4］裴新宁.变构学习模型与教学设计［J］.全球教育展望，2006，35（12）：38-42.

［5］中国科学院国家授时中心.中国标准时间［EB/OL］. （2010-07-16）［2023-12-19］. http：//www.ntsc.cas.cn/xgzx/zhb/201007/t20100716_2904147.html.

［6］蔡志武，蔺玉亭，肖胜红，等.时间基准与授时服务［M］.北京：国防工业出版社，2021：123-134，154-183.

［7］辜金星.电磁波系列实验的设计与演示［J］.物理教师，2020，41（3）：50-53.