多重表征與學習進階整合的“庫侖定律”教學探索

陳 昊 王長江 陳仁旭

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

“表征”(Representation)一般是指用某一種形式將一種事、物、想法或知識重新表現出來[1].對于同一個事物的表征，既可以是語言文字表征，也可以是圖像表征，不同的表征形式一起統稱為多重表征.在國外，關于物理教學的多重表征研究，有許多都明確了多重表征教學策略在物理概念理解和規律應用與遷移方面獲得成功[2]，因此,結合國內的實際情況，研究多重表征教學也會給教學帶來新的啟發.

1 多重表征與多重表征教學

1.1 多重表征理論

多重表征，也被稱之為多元表征.一般地，在教育心理學研究領域中，研究者眼中的多重表征泛指多重外在表征(Multiple External Representations,MERs)，是指為學習者提供多樣化、彈性的信息呈現方式，對于一個知識點或學習對象，分別利用文本、圖片圖像、真實照片、動畫、模型、多媒體等方式來顯示，以達到學習障礙的最小化，學習機會的最大化[3].本文將物理表征主要分為以下幾種：

文字/語言表征、數學表征、圖像表征、物理模型表征、動畫/圖片表征、實物表征.

以上這些表征按照特征，可以分為兩類：形象表征和抽象表征.

形象表征包括圖像表征、動畫/圖片表征、實物表征，其特點是直觀地展示物理信息，知識一般而言是內隱的.

抽象表征包括文字/語言表征、物理模型表征和數學表征，其特點是它由不同符號通過一定的規則、語法組織而成，能夠傳遞抽象的、較精準的信息，知識是外顯的.

1.2 多重表征教學

多重表征教學則是將多重表征的理念系統化地實現，有目的地在教學中體現多重的表征形式，并通過不同的手段將其有機結合，通過教師進行精心有序的符合學生認知規律的設計，以多樣的教學形態進行的教學[4].

多重表征教學與傳統的教學形式相比，更加注重以多種表征的形式進行教學.在教學中強調在知識學習的各個階段使用不同的知識表征形式(Multiple Representations)，使學生學會構建更高質量和更完整的表征形式，其學習效果比傳統教學策略更好[5].

《普通高中物理課程標準(2017年版)》在課程理念上強調教學方式的多元化，而且在對核心素養的要求上也要求學生發展“物理觀念”要素[6].使用多重表征進行教學可以讓學生從多個角度學習知識，幫助學生全面深刻地理解概念和規律.例如在學習勻變速直線運動的過程中，同時用文字表征、數學表征、圖像表征展示勻變速直線運動過程，可以讓學生清晰地把握運動的特點和規律.

2 學習進階與多重表征教學的聯系

美國國家教育委員會認為，“學習進階”是學生在一個較大的時間跨度內學習或者探究知識時，其思維所遵循的連貫且不斷深入發展的路徑的描述[7].在運用學習進階理論進行物理教學時，要保證知識結構的完整性和連貫性，在概念學習的進階教學中，關鍵點就在于進階節點的學習.

學習進階理論認為，有意義的、生動的材料容易學習和理解，而多重表征教學就是通過多方位的知識表征方式的展示，來幫助學生學習.在學習進階的節點部分，由于不同進階節點的知識不同，對于表征教學的要求也不相同.

具體來說，對于低水平部分的進階節點部分，一般需要形象表征，因為它適合直觀展示，符合學生在學習初階段的思維；對于中水平部分的進階節點，需要形象表征和抽象表征共同使用，它能夠充分增進學生感知和對知識的理解；對于高水平或者終點的進階節點，需要使用抽象表征和形象表征結合，學生能夠從多角度，多方位地看待知識，全面提升學生的思維品質.一般的整合方式如圖1所示.但是具體的使用，還需要結合案例做一定的調整.

圖1 多重表征和學習進階整合圖

3 以“庫侖定律”為例的多重表征教學

3.1 庫侖定律的學習進階與多重表征聯系

通過對庫侖定律系統知識點的邏輯順序以及學生知識基礎的調查，依據學習進階的思想確定庫侖定律多重表征的教學分析,如圖2所示.

圖2 庫侖定律多重表征的教學分析圖

3.2 多重表征與學習進階整合的“庫侖定律”教學案例

(1)學習進階節點一——庫侖力的影響因素和點電荷模型的建立

在教學過程中，可以通過圖片/動畫表征創設一些有趣的靜電力實驗情境，如“水流偏轉”“羽毛吸引”等.引入實驗如圖3所示.

圖3 演示視頻圖片

視頻播放過程中，引導學生思考物理現象背后的規律.視頻播放結束后，教師可以指出本節課的教學目的：探究帶電體間的相互作用規律.

教師提問“兩個帶電體間的相互作用力可能與什么因素有關？”讓學生闡述自己的觀點，如可能與帶電體的形狀、大小、電荷量、距離等因素有關.然后提問：“研究物體運動時，主要問題是物體的運動過程，其形狀大小對物體運動沒有顯著影響時，可以忽略，因此我們建構了質點這一理想模型.如果帶電體之間的距離很遠，比它們自身大很多時，它們的大小和形狀及電荷的分布對所研究的相互作用力影響大嗎？”引導學生思考“質點”模型的建立過程，通過對比引入“點電荷”模型.展示庫侖定律的點電荷模型如圖4所示，請學生類比“質點”思考“點電荷”是怎樣的帶電體[8].

圖4 電荷間作用力的點電荷模型

設計意圖：在引入階段，圖片動畫表征可以讓學生直觀地看到帶電體的實物，對庫侖力的作用產生印象，形成初步的感知.而使用物理模型表征學習點電荷，能夠將次要因素忽略掉，與“質點”模型比較，能讓學生更容易想象、理解和刻畫點電荷模型，理解庫侖力的影響因素.

(2)學習進階節點二——庫侖力大小的定性研究和定量研究

學生猜想庫侖力與距離、帶電荷量有關后，教師引導學生回答研究一個量和多個量的關系時，采用什么方法？(控制變量法).

向學生展示描繪庫侖力實驗原理的模型如圖5所示，討論實驗操作過程：一組保持兩個帶電體的電荷量不變，改變帶電小球位置；另一組保持帶電小球位置固定，改變固定帶電體的電荷量.因為帶電小球懸線的傾斜程度表示庫侖力大小，所以需要觀察帶電小球懸線的傾斜程度.

圖5 庫侖定律實驗模型圖

學生熟悉實驗原理后，領取器材，每組領取到“電荷間作用力演示器，橡膠棒，毛皮，帶絕緣柄的金屬球，刻度尺各一件”，其中電荷間作用力演示器如圖6所示.教師引導學生熟悉實驗操作：距離的改變是通過在滑槽內移動金屬球底座.電荷是通過摩擦起電，小球是通過接觸然后帶電，小球的電荷量通過拆分法，摩擦橡膠棒多次接觸增加帶電荷量.偏轉角度的大小代表靜電力的大小.

設計操作方案，讓學生畫出實驗表格，分組實驗，驗證猜想.最后通過實驗得出結論：兩電荷間的距離越大或電荷量越小，庫侖力越小.

圖6 電荷間作用力演示器

上面的實驗只能得到庫侖力的定性關系，具體的庫侖力的定量關系需要教師使用PPT(圖片表征)和視頻(動畫表征)展示學習.讓學生對照PPT自主學習教材內容，了解實驗過程、原理和操作方式，然后與同桌相互討論庫侖扭秤測量的過程.讓學生再一次觀看實驗視頻思考自己的想法，學習庫侖扭秤實驗的技巧，即用轉換法和微小量放大法對靜電力進行測量.在資料展示中可以將庫侖扭秤實驗的原始數據列出，引導學生分析數據得出結論.

設計意圖：在探究庫侖定律的定性實驗階段，圖片動畫表征可以直觀展示實驗原理圖，讓學生明白如何控制變量.使用實物表征和圖像表征教學，能讓學生參與實驗過程，制作表格記錄數據，提升學生動手能力.在定量探究階段，用圖片動畫表征把科學史和科學家探索庫侖定律的過程展示給學生，可以引導學生體驗科學家的科學論證過程，學習如何用轉換法和微小量放大法對靜電力進行測量，從而實現概念的學習和科學思維的提升.文字和數學表征中能夠展示出庫侖定律精確的信息和具體的表達式，從而讓學生完整地理解庫侖定律.在整個教學過程中，不同的表征形式穿插交替地結合出現，能夠讓學生在經歷探索庫侖定律過程中對其深入理解.

(3)學習進階終點——庫侖定律的適用條件

在庫侖定律的教學內容完成后，學生需要思考庫侖定律的適用條件.

(1)“兩個點電荷之間距離趨于零時,相互作用力是否趨于無窮大？”回顧新課引入中的演示視頻，引導學生推理，當兩個點電荷之間的距離趨于零時，電荷已不能看成點電荷，庫侖定律將不再適用.通過資料展示給學生具體的數值：庫侖定律的適用范圍是10-13～1026m.

(2)“多個點電荷之間的相互作用是怎么樣的？” 靜電力同樣具有力的共性，遵循牛頓定律和力的平行四邊形法則，結合受力分析的物理模型，根據力的疊加原理，多個點電荷存在時，某點電荷受的靜電力，是其他各個點電荷對其靜電力的疊加.

設計意圖：使用動畫/圖片表征能直觀展示庫侖力作用效果，引發學生思考和推理，結合物理模型表征學習，能在回顧受力分析知識的同時，通過類比，學習庫侖定律的適用條件.數學表征，能給出庫侖定律的適用范圍，能讓學生在具體數值上對庫侖定律的適用條件有一定的認識，了解庫侖定律的內涵和外延.最終達成學習進階的第三水平.

4 結束語

綜上所述，在物理教學中，多重表征和學習進階的有機結合是學生學習物理概念，認識物理規律的一種重要方式，它為知識和思維的具象化提供了新的解決途徑.對于學習進階的不同階段，多重表征的構建都不盡相同，教師應該靈活選用合適的表征方式進行教學，考慮所選擇表征的科學性.同時，教師也應該在教學過程中滲透使用多重表征的意識，對學生多重表征能力加強訓練和指導.