基于具身認知促進物理抽象概念構建的教學策略*

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學 江蘇 蘇州 215411)

1 對具身認知的認識

基于對身心二元論的批判和反思，引發了將主體身體體驗引入認知過程的身心一元論的第二代認知科學產生，即具身認知.鏡像神經元的發現為具身認知理論建構奠定了生理基礎.硏究表明，主體在表征、加工或運用抽象概念時，由對物體的觀察或操作而誘發的運動系統的激活過程，實際上就是“鏡像神經系統的激活”過程.傳統教學三要素是教師、學生和知識，它們之間的關系如圖1所示，具身認知認為教學是四要素，包括教師、學生、知識和環境，它們之間是通過身體聯系在一起的，如圖2所示.

圖1 傳統教學三要素

圖2 教學四要素

基于具身認知的學習過程是一種“學習中行動——行動中反思——反思中實踐——實踐中建構”的螺旋式上升過程.學習者在特定思想、觀念的引導下展開對世界和人自身的多方面作用，即“學習中行動”.其間不斷對思想觀念、行動本身及其成效進行思考和自省，即“行動中反思”.在此基礎上，將反思的結果轉為現實的行動，即“反思中實踐”.最終，在實踐中建構出更實質、更綜合的知識框架和行動經驗，即“實踐中建構”.顯然，具身學習是行動與反思協調驅動的過程.它注重身與心的統一，強調實踐與經驗的互動，構建身心合一的個體實踐性知識.

2 基于具身認知的物理抽象概念教學

高中物理知識性強，對學生思維的要求較高，很多物理概念的理解需要學生自己內化和反思，并且有些物理概念與生活中的現象相悖.初中學生主要是培養形象思維，而高中學生必須由形象思維上升到抽象思維，需要將具體的實物或過程抽象為理想化的模型，比如質點、自由落體運動等.

基于具身認知的具身學習是幫助學生深刻理解物理抽象概念本質與意義的有效途徑，通過具身化的學習、隱喻和表達將抽象的、靜態的和符號的物理概念“還原”“激活”和“打開”，讓物理教學回歸學生的生活世界，回歸學生的經驗，通過創設問題情境促進學生多維體驗，在體驗中對話、在對話中反思、在反思中成長.

物理抽象概念之所以抽象是因為它是去情境化的，有些甚至是脫離學生的生活世界，是抽象思維的結果.教學中教師需要還原物理概念建立的過程情境，通過實驗探究、類比等方法讓學生具身體驗模型一步步構建的過程，深度理解物理抽象概念的內涵，創設生活化的問題情境進行應用，活化物理抽象概念.

3 基于具身認知 促進物理抽象概念構建的教學策略

3.1 創設實驗情境 顯化物理抽象概念

還原物理抽象概念的建立過程，通過創設針對性的、具體的實驗情境，外顯物理抽象概念的內涵和本質，讓學生切身經歷視覺、聽覺和或觸覺的體驗，深度理解物理抽象概念.

教學案例：如圖3所示電路，引導學生思考兩個問題：單刀雙擲開關S→1的時候電路是什么接法？S→2時電路是怎樣的？

圖3 電容器充、放電示意圖

接下來展示筆者自制的電容器充、放電實物線路板，如圖4所示，外接電源、電流表和電壓表， 讓一名學生操作，其他學生仔細觀察電流表和電壓表的指針偏轉情況.

圖4 自制電容器充、放電實物圖

引導學生描述：(1)開關S→1時有什么實驗現象？(2)S斷開(不接1也不接2)有什么現象？(3)S→2時有什么實驗現象？

當S→1時，具身體驗到：電流表指針向右偏轉后很快終擺回“0”刻度，電壓表指針向右擺動到某個值后不動；當S斷開時，體驗到：電流表指針還在“0”刻度不動，電壓表指針在緩慢地向“0”刻度移動；當S→2時，電流表指針向左偏轉后很快又擺回“0”刻度，電壓表指針迅速擺回“0”刻度.

針對上述學生的體驗，通過問題驅動與學生深度對話幫助學生認識電容器的作用.

師：電流是怎么形成的？

生甲：自由電荷的定向運動.

師：S→1時，流過電流表的電荷有沒有穿過電容器？為什么？

生乙：沒有，從電容器的結構可以看出兩個極板彼此絕緣.

師：那么流過電流表的電荷去哪里了呢？

生丙：只能儲存在電容器的極板上.

師：所以電容器的作用是什么？

生丁：容納電荷的儀器.

師：這個過程叫電容器的充電，容納電荷后，兩極板間有電勢差，此時它有對外做功的能力，也就是它也儲存了電能.

師：S→2時，流過電流表的電流為什么和S→1時相反？

生戊：此時電容器的兩個極板被直接接在一起，電容器要放電，所以和充電過程自由電荷移動的方向相反.

要研究電容器容納電荷本領的大小，就得研究電容器容納的電荷量Q和兩極板電勢差U之間的關系.借助DIS實驗平臺的電流傳感器和電壓傳感器.用電流傳感器和電壓傳感器代替剛才的電流表和電壓表進行實驗.

為了學生具身體驗實驗操作的過程，學生獨立完成這一過程，一名同學前面操作，如圖5所示.

圖5 學生具身體驗

其他學生記錄實驗數據，讓開關S→1時，記錄下電壓傳感器讀數和計算機顯示的I-t圖像，如圖6所示.

圖6 充電電流圖像

師：對于測量得到的I-t圖像，如何得到電容器的電荷量？

生己：計算圖像與坐標軸圍成的面積？

師：你是怎么想到的？

生庚：類似于v-t圖像和F-x圖像的面積.

點擊軟件“數據分析”中的“積分”選項，就可測出電容器的電荷量.電容器a測5組數據，測完后再換另一個電容器b進行測量，將所測數據記錄在表1中.

表1 實驗數據記錄表

為了形象直觀地反映出Q與U間的關系，讓學生切身做出兩個電容器的Q-U圖像，如圖7所示.

師：從圖像中能得出什么結論？

生辛：對于同一個電容器，Q與U成正比，即Q與U的比值不變，不同的電容器Q與U的比值不同.

師：這個比值越大說明什么？

圖7 Q和U的圖像關系

生壬：說明在相同電壓下，能夠容納的電荷越多.

3.2 類比相似概念 內化物理抽象概念

一些物理抽象概念脫離了學生的生活背景，尤其電磁學中的部分概念，此時可以尋找一些相似的、學生熟悉的物理概念，采用類比的科學思想方法，增強具身效應，喚醒學生的已有經驗，幫助學生內化物理抽象概念.

教學案例：在實驗探究的基礎上，可以通過類比的方法進一步深化對電容器電容的理解.

類比生活中熟悉的盛水容器，如圖8所示，向兩個不同底面積的圓柱形容器中加水到相同高度，如1 cm，根據體積計算公式：V=Sh可知，底面積大的容器裝的水多，我們就說底面積大的容器容納水的本領強.可以將電勢差U類比高度差h，總電荷量Q類比總體積V，電容器的電容C類比盛水容器的底面積S.從而內化電容器電容的物理意義：表示電容器容納電荷本領大小，電容越大，表示容納電荷的本領越強.

圖8 類比盛水容器

3.3 解決實際問題 活化物理抽象概念

物理與生活密切聯系，新課標倡導通過學生活動體驗，認識“科學·技術·社會·環境(STSE)”間的關系，通過設計待解決的實際學習任務或問題，拉近物理知識和生活的距離，體現具身性，應用所學知識和方法，活化物理抽象概念.

教學案例：展示如圖9所示水塔照片，創設待解決實際問題.姜師傅是某自來水廠的水電工，他一天要檢查自來水水塔水位好幾次，由于水塔很高、腿腳不便，他想能有一個自動測定水位高度的儀器就輕松多了.你能用今天所學知識幫他設計一個嗎？

圖9 水塔

為解決這個問題，引導學生構建模型：將自來水視為絕緣體，當水位下降后，上方的的空間被空氣“占領”，這個過程中電介質在不斷減小.可以在水塔的外圈貼上一層錫箔，在中間插入一不銹鋼管，構成電容器的兩個極板.當水位下降時，電容器的電容將不斷減小，也就是電容器的電容和水位的下降情況存在對應關系，從而可以通過測量電容來知道水位的下降情況.通過這些實際問題解決，活化對電容器電容的理解.

還可以介紹超級電容器，推薦學生課后觀看CCTV10(科教頻道)在2016年12月19日《走進科學》播出的“超級電容”節目，了解超級電容在生活中的廣泛應用，讓學生具身體驗到生活即物理、物理即生活.