從概念到觀念嬗變的建模教學實踐研究
——以“認識浮力”核心片段教學為例

胡先濤

(東莞市東華初級中學，廣東 東莞 523128)

有研究表明,學生經過初中浮力知識的學習,并不能有效轉化前概念為科學觀念而持續保持.[1]就像學生關于力的前概念在教學后并未得到有效轉變一樣,[2]這種現象在教學中經常發生.這是因為在概念教學中,往往非常注重對客觀事物的共同特征和本質屬性的概括和抽象,強調科學知識的屬性,而很少關注到學生原有觀念的影響和個人對知識的主觀理解.為解決這個問題,David Hestenes提出了認知建模理論,并引起廣泛的關注.[2-4]認知建模理論主張,學生的個體心智模型,在建立、檢驗與完善、應用模型的3個不斷循環的過程中,能夠被激發并發展成科學概念模型,強調“思維的個體建構”.[2]郭玉英教授團隊在研究科學建模能力時也指出,學生的個體心智模型是基于原有認識、觀察、分析物理現象等初步形成,通過推理、論證等復雜的認知行為對心智模型進行修正,并最終形成概念模型,是一種主動的內在心智行為能力.[4]它們都從認知的角度強調把學科知識轉化為學生個人的認知結構,主張從“概念教學”轉變為“觀念教學”,促進學生的認知結構的同化,形成“學生個人的知識”.

在認知建模理論的指導下,筆者對“認識浮力”這節課進行了多次課堂實踐,探索了浮力概念向浮力觀念轉變的幾點實踐做法,在此介紹,期望拋磚引玉.

1 創新實驗情景,建立典型心智模型

在心理學中,心智模型是指人在決策過程中的傾向性以及人們所表現出來的某些技能.學生個體在與環境的相互作用中,必然會在頭腦中形成自己對世界的一種理解,這種理解就是心智模型,并以此來理解客觀世界.例如,在生活中,持有“浮力大小與深度有關”的觀念,初中生占20%,高中生占33%,大學生占近50%;持有“浮力大小與物體體積有關”的觀念,初中生占80.39%,高中生占52%,大學生占近52.09%.這說明學生的前觀念對浮力的學習有較大干擾,且在教學中難以有效轉化[1].因此選擇“浮力與深度關系”作為學生的初始心智模型,是對學生充分分析的結果,同時這個心智模型還可以作為認知結構中的固定點成為后續教學展開的基礎.課堂實踐證明了選擇這個初始心智模型是正確且有效的.

核心片段教學1.

師:進行實驗演示,請同學們觀察:圓柱體在空氣和水中下落的快慢一樣嗎?如圖1所示,第1次將圓柱筒(體積適宜且比水的密度稍大)放在一定的高度靜止后松手,圓柱筒下落至桌面上.第2次將同一個圓柱筒放在同一高度,然后松手,圓柱筒下落至水中.

圖1 觀察圓柱體在空氣和水中下落

生:在空氣中下落得快;在水中下落得慢.

師:同一個圓柱筒,為什么下落的快慢不一樣呢?

生1:在水中受到浮力.

生2:它可能受到水給它的一個向上的力.

師:這個力可以測量嗎?請大家討論一下,并用桌上的彈簧測力計想辦法測量一下.

生:略(匯報測量過程與結果).

師:演示手托住圓柱筒使測力計示數減小,總結浮力的定義.

師:同學們剛才測量圓柱筒所受的浮力大小不一樣,你認為浮力大小與什么因素有關?

生:與深度有關,深度越深,浮力越大.

在這個活動中,通過創設具體的實驗情景,借此觀察、描述發生的現象,分析找出導致快慢不同的原因,引出浮力定義和測量方法,實現從現象的定性觀察到物理量的定量測量,為后面的實驗探究提供必要的操作技能.同時這個實驗情景還為學生提出問題和猜想假設提供了真實的感性認知.課堂實踐表明,學生根據這個情景猜想浮力的影響因素時,絕大部分學生都歸因于深度,得以充分暴露學生的前觀念.

2 制造認知沖突,檢驗模型

學生在生活過程中會形成自己關于自我、自己的行為以及環境方面的觀念.當這些觀念出現“非配合性”時,就會產生認知不協調,這種不協調會產生心理壓力,使個人改變原有的觀念.認知建模理論指導下的建模教學,實質上是一種探究式教學,通過觀察、實驗等手段對心智模型進行驗證、修正.[4]

2.1 實驗記錄,獲取證據

學生親身經歷科學探究活動,通過學生自己的實際測量并獲取數據來制造認知沖突,從而不斷修正自己的心智模型.

核心片段教學2.

師:請同學們按設計的實驗方案結合導學案的指導進行實驗.

生:根據實驗方案進行實驗并把數據記錄在表1中.

表1 測力計的示數與深度的關系

學生的前觀念通常是樸素而頑固的.為此教學中給予學生足夠的時間親自動手測量和記錄數據,為創設認知沖突提供事實支撐.

2.2 多種方式表征,外顯模型的修正

解釋和論證是科學探究的核心.在分析論證中,將實驗數據用列表、個人語言、圖像3種方式進行表征,促使學生進行深度思考,外顯學生心智模型的修正過程.

核心片段教學3.

師:請根據表1的數據在如圖2中描繪出測力計的示數F示與鉤碼底部到液面深度h的圖像.

圖2 測力計的示數與深度的關系

生:描點繪圖.

師:請根據列表和圖像,測力計的示數F示與鉤碼底部到液面的深度h有什么關系?

生:浸沒前,測力計的示數減小;浸沒后,測力計的示數不變.

師:請同學們計算每次實驗時鉤碼所受浮力大小F浮并填寫在表2中,在圖3中描繪出浮力大小F浮與鉤碼底部到液面深度h的圖像.

表2 浮力與深度的關系

生:描點繪圖.

師:請根據列表和圖像,浮力大小F浮與鉤碼底部到液面的深度h有什么關系?

生:浸沒前,浮力增大;浸沒后,浮力不變.

這個活動是對學生的初始心智模型進行檢驗和修正的關鍵活動.教學中同樣給予學生足夠的時間進行描點繪圖、分析概括和思考討論.課堂實踐表明:學生經歷完整的科學探究活動,絕大部分學生對深度的影響進行了重新評價和修正,一致認為在浸沒前,浮力與深度有關;浸沒后,浮力與深度無關.

圖3 浮力與深度的關系

3 發現建構,完善模型

學生的心智模型發展到科學概念模型需要經歷一系列的認知活動.當學生不能借助自己個體的認知進一步探索新知時,教師應該提出問題,創設情景進行啟發,引導學生去發現,激發學生學習的動機.

核心片段教學4.

師:我們可以從上面的實驗現象中可以找出一個新的物理量來替代深度,在圓柱筒浸沒在水中前后都可以描述對浮力的影響嗎?(提示阿基米德的故事,略)

生1:水面升高的高度.

生2:物體的體積.

生3:水面升高的那部分體積.

師:同學都觀察到水面升高的現象,水面為什么升高呢?請同學們進行小組討論.

生1:物體浸入的那部分體積.

生2:被物體排開的液體的體積.

學生經歷一定的活動后,只是部分修正了自己的原有心智模型,因此必須設計活動對學生進行適當引導,并且要有適量的提示,讓學生特意觀察和討論分析“水面升高”這個關鍵的現象,從而找到是物體浸入的那部分體積導致水面升高,從而建構起被物體排開的液體的體積的觀念,實現對深度原有觀念的替代.

4 科學探究,應用模型

在應用控制變量法進行科學探究時,有些因素在學生的認知結構中不是位于同一層次的.在探究浮力大小與被物體排開的液體的體積時,是不能控制浸入的深度保持不變的.只有在明確深度對浮力大小沒有影響后,并以此作為認知結構中同化的固定點,再進行浮力大小與被物體排開的液體的體積的關系探究,更貼近學生的認知發展規律和控制變量法的本質.

認知建模教學的核心在于幫助學生進行科學的認知結構的建構.借助一明一暗的兩條主線:一條明線是利用科學探究促進學生習得學科知識;一條暗線是將學生的心智模型外顯并轉化為科學概念模型,不斷地把心智模型往更高更科學的層次推動,使得從“概念”向“觀念”的轉變得以實現.