概念圖教學提升物理思維品質的策略研究

陳棟梁

(吳江盛澤中學,江蘇 蘇州 215200)

美國康奈兒大學教育系諾瓦克(Joseph D.Novak)教授根據奧蘇貝爾的理論而開發出的概念圖,在實際教學、幫助學習和教育研究中獲得了相當大的成功．

概念圖是指以圖解的方式,直觀地、結構化地描述概念、規律等相關內容之間相互關系的一種圖．概念、命題、交叉連接和層級結構是概念圖的4個圖表特征．[1]概念圖的圖表結構包括節點、連線和連接詞三個部分．節點就是置于圓圈或方框中的概念．連線表示兩個概念之間的意義聯系,連接可以沒有方向,也可以單向或雙向．位于上層的概念通常可以引出好幾個知識分支,不同知識領域或分支間概念的連線就是交叉連接,交叉連接常常形成方向性意義,也是產生創造性思維的關鍵之處．連接詞是置于連線上的兩個概念之間形成命題的聯系詞,如“是”、“包括”、“表示”等．

思維的深刻性、靈活性、獨創性、批判性、敏捷性是完整的思維品質的組成因素．思維的深刻性是一切思維品質的基礎．思維的深刻性是指思維活動的廣度、深度和難度,集中表現在善于深入思考問題,抓住事物的規律與本質,預見事物的發展進程．因此,思維深刻性的指標集中在概括能力和邏輯推理能力等思維能力方面．[2]

基于此,本文重點討論應用概念圖促進思維深刻性品質提升的教學策略．

概念圖能促進學生思維能力的發展．[1]國內的許多研究者也認為，概念圖能促進學生的抽象思維、創新思維等高級思維能力的發展．

研究發現,物理思維深刻性品質可以體現在以下6個方面[3].

(1) 能深入地、邏輯地思考物理問題,善于把握物理事物的本質與規律;

(2) 能較為正確地利用物理規律和物理概念去解釋和解決物理問題,不被表面的現象所迷惑;

(3) 善于從整體上用聯系的觀點認識物理問題,可以利用掌握的物理知識嚴密地進行論證;

(4) 注意物理公式成立的條件、能夠排除物理表面現象無關的因素;

(5) 能夠挖掘物理問題中的隱蔽條件,用充分的條件去解決物理問題;

(6) 能夠從不同側面理解和系統掌握物理知識．

概念圖的建構能夠有效引導和幫助學生較為全面地理解概念的物理屬性、內涵與外延、層次邏輯結構關系等;而建構概念圖的過程,又能夠幫助學生對概念進行深層次的、具有主動性的思考,極大地促進學生物理思維水平和數學邏輯思維水平的提升;概念圖網絡結構的直觀形式,能夠幫助學生知識結構的內化．概念圖的網狀思維結構形式,決定了概念圖教學在促進學生物理思維深刻性品質提升方面,具有得天獨厚的優勢．

下面以“靜電場”的概念圖教學為例,闡述高中物理概念圖教學促進思維深刻性品質提升的策略．

1 展現概念與屬性的關系,引導學生深入思考物理概念

概念圖以圖解方式直觀地、結構化地描述概念,所以展現概念的屬性是運用概念圖最直接的優點．

圖1 幾個重要概念的屬性功能截圖

教學中引導學生模仿這些方式建立概念以及概念屬性之間的關聯關系,學生必然首先需要深入思考和理解屬性對于表達概念的意義,并且要深入思考不同屬性與概念本身的關聯關系,然后才有可能正確構建概念圖．

2 展現概念圖的結構信息,引導學生發現不同物理概念之間的類屬性質

“電容器的電容”是靜電場中一個比較抽象的概念,學生不易理解和掌握．教學中常采用類比講解,但無法從多方面進行可視性的比較,可采用如圖2所示概念圖進行對比教學．情境1中,容器1的橫截面積為S,水量加倍后,水的高度差h加倍,即水量Q與水的高度差成正比,比值為定值;情境2中,容器2的橫截面積為2S,水的高度差為h時,水量為2Q;水量加倍后,水的高度差也加倍,即比值仍為定值,但與情境1的比值不同,從而與情境1合并得出結論,同一容器,比值相同,不同容器,比值不同,比值反映容器儲水的本領;然后,對比到電容器,情境3中,電容器1用一節干電池充電,電荷量為Q,但由于兩板交錯,兩板間正對的有效電荷量為Q/2,電勢差設為U,此時,引導學生得出:用兩節干電池充電后,電荷量為2Q,由于板交錯,兩板間正對的有效電荷量為Q,電勢差為2U,即電容器1兩板間的有效電荷量與電容器1兩板間的電勢差成正比,比值為定值;最后看情境4,用一節干電池給電容器2充電,電荷量為Q,電勢差為U,此時,引導學生得出:用兩節干電池給電容器2充電,電荷量為2Q,電勢差為2U,即電容器2兩板間的有效電荷量與電容器2兩板間的電勢差也成正比,比值也為定值,但與情境3的比值不同,從而引導學生與情境3合并得出結論,同一電容器,比值相同,不同電容器,比值不同,比值反映電容器儲存電荷的本領,從而定義該比值為“電容”．

圖2 “電容器的電容”概念圖

(圖中僅標注了兩板間相對的近似勻強電場，邊緣的未標注)

利用概念圖中的結構信息,引導學生發現兩類概念多層次類同的結構．對抽象概念做出多方面的類比,不但容易被學生接受,而且能更全面地理解兩類對象的異同性質．

3 展現概念圖的層級結構特征,引導學生歸納總結物理概念和規律

復習課是高中物理教學中的常見形式之一,而用概念圖來進行復習課教學,可以有效培養學生歸納總結物理概念和規律的能力．

對概念的全面理解還需要對概念以及下屬概念關系的建構,層級結構能夠充分展現概念與下屬概念的層級關系．如圖3所示為“電容器”概念的層級結構關系．由核心概念出發,按不同維度,不同層次逐步歸納下屬概念,繼而引導學生進行概念圖復習教學,不但使學生以思維形式同化物理概念,逐步建構完整的物理知識體系,還極大提高了學生歸納總結物理概念、規律的能力．

4 展現章節概念網狀全圖,引導學生提升全面整合概念的能力

“靜電場”章節復習時,可以采用如圖4所示概念圖逐步展開教學．“靜電場”是核心概念,為第1層次;將其下屬概念歸納為“3個2”:2個定律(電荷守恒定律和庫侖定律),2個性質(電場強度和電勢、電勢差),2個應用(電容器和帶電粒子在電場中運動),為第2層次;其后,“電場強度”等有下屬概念為第3層次和第4層次,每一層次又可以進行概念和規律的歸納總結．

圖4所示概念圖,利用各層次結構,展示了“靜電場”中各層次核心概念、規律所包含的具體內容,而各概念、規律之間的交叉連接,則可以顯示各個核心概念、規律之間的聯系,可以使學生更加深入地理解物理概念、規律之間的內在邏輯關系．例如,圖4所示概念圖中,“電場強度”和“電勢差”兩個核心概念的交叉連接,表明電場的兩個性質通過公式UAB=Ed(即通過做功)聯系在一起;“電場線”和“等勢面”也有交叉連接,即電場線和等勢面相互垂直,并且由高的等勢面指向低的等勢面等等．電場的兩大性質交叉連接,可以使學生們認識到,電場的兩大性質并不是獨立的,而是相互關聯的,同時更加揭示了靜電場各層次的物理概念、規律也不是獨立的,而是相互關聯的一個有機整體．在靜電場學習中,充分利用概念圖的概念、命題、交叉連接和層級結構的圖表特征進行教學,可以有效提升學生的物理思維品質．

新一輪高中課程改革以“核心素養”統領高中課程方案、課程標準和課程實施,而高中物理核心素養4個維度之一就是“科學思維”．概念圖教學能夠有效提升學生的物理科學思維能力,從而使學生各方面能力得到提高．