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(xiàn)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(tǒng)稱為多重表征.在國外，關(guān)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(guī)律應用與遷移方面獲得成功[2]，因此,結(jié)合國內(nèi)的實際情況，研究多重表征教學也會給教學帶來新的啟發(fā).

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(lǐng)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(xiàn)方式，對于一個知識點或?qū)W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(shù)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(nèi)隱的.

抽象表征包括文字/語言表征、物理模型表征和數(shù)學表征，其特點是它由不同符號通過一定的規(guī)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(tǒng)化地實現(xiàn)，有目的地在教學中體現(xiàn)多重的表征形式，并通過不同的手段將其有機結(jié)合，通過教師進行精心有序的符合學生認知規(guī)律的設(shè)計，以多樣的教學形態(tài)進行的教學[4].

多重表征教學與傳統(tǒng)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(diào)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(gòu)建更高質(zhì)量和更完整的表征形式，其學習效果比傳統(tǒng)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(diào)教學方式的多元化，而且在對核心素養(yǎng)的要求上也要求學生發(fā)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(guī)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(shù)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(guī)律.

2 學習進階與多重表征教學的聯(lián)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(nèi)學習或者探究知識時，其思維所遵循的連貫且不斷深入發(fā)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(jié)構(gòu)的完整性和連貫性，在概念學習的進階教學中，關(guān)鍵點就在于進階節(jié)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(jié)點部分，由于不同進階節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)點，需要使用抽象表征和形象表征結(jié)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(zhì).一般的整合方式如圖1所示.但是具體的使用，還需要結(jié)合案例做一定的調(diào)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(lián)系

通過對庫侖定律系統(tǒng)知識點的邏輯順序以及學生知識基礎(chǔ)的調(diào)查，依據(jù)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(jié)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(chuàng)設(shè)一些有趣的靜電力實驗情境，如“水流偏轉(zhuǎn)”“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(xiàn)象背后的規(guī)律.視頻播放結(jié)束后，教師可以指出本節(jié)課的教學目的：探究帶電體間的相互作用規(guī)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(guān)？”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(guān).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(gòu)了質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shè)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(chǎn)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?qū)⒋我蛩睾雎缘簦c“質(zhì)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(jié)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(guān)后，教師引導學生回答研究一個量和多個量的關(guān)系時，采用什么方法？(控制變量法).

向?qū)W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(lǐng)取器材，每組領(lǐng)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(nèi)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(zhuǎn)角度的大小代表靜電力的大小.

設(shè)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(jié)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(guān)系，具體的庫侖力的定量關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)列出，引導學生分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論.

設(shè)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(shù)據(jù)，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(zhuǎn)換法和微小量放大法對靜電力進行測量，從而實現(xiàn)概念的學習和科學思維的提升.文字和數(shù)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(jié)合出現(xiàn)，能夠讓學生在經(jīng)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(nèi)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(shù)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(jié)合受力分析的物理模型，根據(jù)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(shè)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(fā)學生思考和推理，結(jié)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(shù)學表征，能給出庫侖定律的適用范圍，能讓學生在具體數(shù)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(nèi)涵和外延.最終達成學習進階的第三水平.

4 結(jié)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(jié)合是學生學習物理概念，認識物理規(guī)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(gòu)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.