試論“力臂概念”教學(xué)改進(jìn)的有效性

陳伊淳 陳剛

摘 要：基于信息加工心理學(xué)，從而分析力臂概念教學(xué)結(jié)論中獲得的邏輯機(jī)制包括排除因果關(guān)系的演繹法和求同的歸納法，并依據(jù)信息加工的要求，討論三個力臂概念改進(jìn)教學(xué)方案的合理性及其依據(jù).本文以“力臂概念”教學(xué)為例，試圖對教學(xué)結(jié)論的信息加工過程進(jìn)行微觀剖析，為有效教學(xué)提供穩(wěn)定一致的評價標(biāo)準(zhǔn)和合理的建議.

關(guān)鍵詞：力臂;物理教學(xué);信息加工心理學(xué);演繹;歸納

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0008-04

作者簡介：陳伊淳（1996-），女，廣東人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

陳剛（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科學(xué)課程學(xué)習(xí)心理及教學(xué)理論.

力臂概念的引入是杠桿教學(xué)中的重難點(diǎn)，正確認(rèn)識力臂、理解力臂的物理意義，是理解杠桿平衡規(guī)律的基礎(chǔ).在多個版本的初中物理教材中，大都直接通過文字給出力臂的定義，而忽略了力臂的物理意義.由于學(xué)生沒有經(jīng)歷力臂概念的建構(gòu)過程，而是被動接受力臂的定義，所以大部分學(xué)生對力臂概念的學(xué)習(xí)只能達(dá)到知其然而不知其所以然的效果.不少物理教師為突破力臂概念這一教學(xué)難點(diǎn)，制作創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)教具，進(jìn)行教學(xué)改進(jìn).

1 三種力臂引入的教學(xué)改進(jìn)方案

1.1 方案1：寬杠桿教具

田成良等在“剖析力臂概念教學(xué)的邏輯”[1]一文中利用如圖1所示的寬杠桿裝置，進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn).寬杠桿左側(cè)的力和距離保持不變，右側(cè)的拉力也保持不變，三次支點(diǎn)到作用點(diǎn)的距離不同，分別為OB、OC、OD，說明影響杠桿平衡的距離不是支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)間的距離.教師進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生，三次實(shí)驗(yàn)雖然力的作用點(diǎn)不同，但是支點(diǎn)到右側(cè)力的作用線的距離OB是相等的，因此支點(diǎn)到力的作用線的距離，才是影響杠桿平衡的因素.

1.2 方案2：同心圓教具

黃建林等在“應(yīng)用自制教具突破力臂概念教學(xué)難點(diǎn)”[2]一文中，采用如圖2所示的自制同心圓教具進(jìn)行教學(xué)設(shè)計.四次實(shí)驗(yàn)分別保持杠桿在水平位置平衡，左側(cè)鉤碼的數(shù)量和懸掛位置不改變，甲圖中，彈簧測力計為10N;乙圖中，彈簧測力計示數(shù)為7.5N;丙圖中，使彈簧測力計方向分別朝左下和右下，示數(shù)為10N;丁圖中，把彈簧測力計往右移，使彈簧測力計方向分別朝左下和右下，示數(shù)為10N.引導(dǎo)學(xué)生比較丙圖和丁圖，得到結(jié)論：圓心到力的作用線即該圓切線的距離都是該圓的半徑.

1.3 方案3：彎折杠桿教具

姜蘭等[3]在引入力臂的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，利用如圖3所示的教具，兩根輕質(zhì)均勻的木板，能繞中心軸旋轉(zhuǎn)，兩邊用夾子作調(diào)節(jié)配重碼，保持杠桿左端水平.通過甲圖和乙圖的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管懸掛重物的位置變了，但力的作用線與原來在黑板上畫的作用線重合.引導(dǎo)學(xué)生分析盡管右側(cè)鉤碼在杠桿上的位置變化了（從A點(diǎn)到B點(diǎn)），但支點(diǎn)到力的作用線的距離沒變，由此順利地引入力臂的概念.

1.4 問題的提出

以上研究者都對力臂的引入作了教學(xué)和實(shí)驗(yàn)上的改進(jìn)，認(rèn)為其教學(xué)方案能夠有效地促進(jìn)學(xué)生對力臂概念的理解和運(yùn)用.然而，只有厘清力臂概念建立過程獲得的結(jié)論、對應(yīng)的邏輯加工機(jī)制以及應(yīng)該呈現(xiàn)的必要信息，才能有據(jù)可依地評價教學(xué)方案的有效性，并給出相應(yīng)的教學(xué)建議.因此，下文將從信息加工心理學(xué)的角度，回答下述問題：

（1）上述教學(xué)改進(jìn)是否有效？有效性的依據(jù)是什么？

（2）上述教學(xué)方案是否仍有改進(jìn)之處？如何改進(jìn)？改進(jìn)的依據(jù)是什么？

2 基于信息加工心理學(xué)的學(xué)習(xí)機(jī)制

2.1 物理概念意義的習(xí)得機(jī)制

學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示出學(xué)習(xí)的內(nèi)部機(jī)制，證明學(xué)生學(xué)習(xí)的過程實(shí)則是進(jìn)行信息加工的過程，符合學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)才是有效的教學(xué)，這為教學(xué)指明了方向[4].

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象 [5].學(xué)生學(xué)習(xí)物理概念的意義，就是通過運(yùn)用合理的信息加工方式對現(xiàn)象信息進(jìn)行邏輯加工，從而習(xí)得物理概念的本質(zhì)特征和概念間的因果聯(lián)系.

物理概念絕大多數(shù)是通過下定義的方式清晰界定，實(shí)際上也是通過與其他物理概念間的關(guān)系來界定的，主要關(guān)系有定性關(guān)系（如杠桿是否平衡與作用在杠桿上的力、力臂有關(guān)）、定量關(guān)系（如杠桿平衡規(guī)律描述了動力、動力臂、阻力以及阻力臂之間的數(shù)量關(guān)系），在學(xué)習(xí)過程中，往往還要排除兩個對象間不存在因果聯(lián)系（如支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)之間的距離與杠桿平衡沒有因果聯(lián)系）.個體形成相關(guān)概念間聯(lián)系或排除因果聯(lián)系的方式是邏輯的.因此，學(xué)生習(xí)得物理概念意義，就是通過學(xué)生自己的思維活動形成這些概念間的本質(zhì)、因果聯(lián)系.

2.2 建立物理量間因果聯(lián)系的邏輯方法

探究因果聯(lián)系的歸納法主要有求同法、差異法、共變法、求同求異法等.求同法是通過考查被研究對象出現(xiàn)的若干場合，確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是共同的，如果是，那么這個共同情況與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)見表1.

3 力臂概念的習(xí)得機(jī)制及教學(xué)合理性討論

3.1 方案1結(jié)論建立的邏輯過程

該教學(xué)方案中，加入拓展實(shí)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，本質(zhì)上是為了得到兩個教學(xué)結(jié)論.

結(jié)論1是杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān);

結(jié)論2是杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用線的距離有關(guān).

結(jié)論1排除了點(diǎn)到點(diǎn)的距離與杠桿平衡的聯(lián)系，其學(xué)習(xí)機(jī)制應(yīng)遵循排除因果聯(lián)系的演繹推理.

通過三次實(shí)驗(yàn)，獲得信息見表2.

由上述信息，獲得結(jié)論“杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān)”.所用推理如下.

大前提：如果杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān)，則支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離變化，杠桿平衡狀態(tài)也變化.

小前提：支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離變化（分別為OB1、OB2、OB3），而杠桿仍能保持平衡.

結(jié)論：杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān).

結(jié)論2通過求同法得到杠桿平衡與點(diǎn)到線的距離有關(guān)的結(jié)論，邏輯結(jié)構(gòu)見表3.

3.2 方案2結(jié)論建立的邏輯過程

該教學(xué)方案，實(shí)驗(yàn)裝置上增設(shè)若干個同心圓以輔助，以彈簧測力計取代一側(cè)的砝碼作為動力，實(shí)驗(yàn)過程中動力方向加以改變，獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

獲得結(jié)論：杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用線的距離有關(guān).此結(jié)論通過求同法獲得，學(xué)生對圖2丙、丁的信息加工邏輯結(jié)構(gòu)見表4.

3.3 方案3結(jié)論建立的邏輯過程

該教學(xué)方案通過彎折杠桿，調(diào)節(jié)配重片，在保持杠桿平衡的條件下，引導(dǎo)學(xué)生觀察不變的物理對象.

結(jié)論1是杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān);

結(jié)論2是杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用線的距離有關(guān).

結(jié)論1排除了點(diǎn)到點(diǎn)的距離與杠桿平衡的聯(lián)系，其學(xué)習(xí)機(jī)制應(yīng)遵循排除因果聯(lián)系的演繹推理.

通過圖3甲、乙兩次實(shí)驗(yàn)，獲得信息見表5.

3.4 小結(jié)

由上面對力臂概念習(xí)得中排除因果聯(lián)系和定性關(guān)系的邏輯過程梳理，不難發(fā)現(xiàn)三個方案都遵循了求同法，嘗試引導(dǎo)學(xué)生識別杠桿平衡這個共同結(jié)果下的共同條件，即支點(diǎn)到力的作用線的距離不變，從而建立杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用線的距離有關(guān)的結(jié)論.和教材直接給出力臂的概念相比，學(xué)生通過內(nèi)部的邏輯加工機(jī)制，建立起杠桿平衡和支點(diǎn)到力的作用線的距離之間的聯(lián)系，從而擺脫概念的機(jī)械記憶，習(xí)得力臂概念的物理意義.這三個教學(xué)方案獲得結(jié)論的過程，基本符合邏輯加工的過程，因此所做出的改進(jìn)，是比較合理的.

4 教學(xué)建議

4.1 信息加工機(jī)制對教學(xué)設(shè)計的要求

根據(jù)信息加工機(jī)制，有效的教學(xué)設(shè)計應(yīng)滿足如下要求.

容量限制要求：教學(xué)中提供給學(xué)生、獲得結(jié)論所需的信息，應(yīng)保持在適度范圍，減少干擾信息.

序列加工要求：教學(xué)中提供信息的方式應(yīng)滿足呈現(xiàn)一次加工所需的信息，獲得一個新的結(jié)論.

信息加工方式要求：教學(xué)中信息呈現(xiàn)應(yīng)符合特定結(jié)論獲得的加工方式.

要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，教師應(yīng)分析教學(xué)結(jié)論的內(nèi)容及數(shù)量，并通過追蹤每一教學(xué)結(jié)論獲得的信息流程，確定新結(jié)論建立的必要信息及加工方式，由此對教學(xué)活動做出合理安排.

4.2 方案1教學(xué)建議

獲得結(jié)論1和結(jié)論2所需的信息應(yīng)遵循序列加工要求.先呈現(xiàn)表1的信息（支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)距離分別為OB1、OB2、OB3，杠桿保持平衡），獲得杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān)的結(jié)論;再呈現(xiàn)表2的信息（力的作用點(diǎn)改變的情況下，支點(diǎn)到力的作用線的距離均為OB2，杠桿保持平衡），獲得杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用線的距離有關(guān)的結(jié)論.

以更清晰的方式呈現(xiàn)求同法的共同條件.獲得結(jié)論2 的過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到信息加工所需的信息，在杠桿保持平衡的條件下，支點(diǎn)到力的作用線的距離均為OB2，在識別必要信息后，學(xué)生才能啟動邏輯加工，通過求同法獲得結(jié)論.因此，教師可以適當(dāng)?shù)卦诤诎迳嫌锰摼€畫出線段OB2，幫助學(xué)生識別這一必要信息.

4.3 方案2教學(xué)建議

根據(jù)圖2甲、丙、丁呈現(xiàn)的信息，增設(shè)排除因果聯(lián)系獲得結(jié)論環(huán)節(jié).比較圖2甲、丙、丁，發(fā)現(xiàn)在杠桿平衡的共同結(jié)果下，彈簧測力計示數(shù)均為10N，但支點(diǎn)到右側(cè)力的作用點(diǎn)的距離不同，可通過排除因果聯(lián)系的演繹法獲得“杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān)”的結(jié)論，推理形式如下.

大前提：如果杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離有關(guān)，則支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離變化，杠桿平衡狀態(tài)也變化.

小前提：支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離變化（分別為3、4、5個單位長度），而杠桿仍能保持平衡.

結(jié)論：杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)的距離無關(guān).

排除了杠桿平衡與支點(diǎn)到力的作用點(diǎn)距離的關(guān)系之后，再通過求同法由圖2丙、丁建立定性關(guān)系，符合序列加工的要求，教學(xué)更為合理.

4.4 方案3教學(xué)建議

遵循容量限制，減少干擾信息.盡管方案3將力的作用線畫在黑板上，有助于學(xué)生直觀地識別必要信息，即圖3中力的作用線并沒有改變，從而對共同條件和共同結(jié)果進(jìn)行加工，獲得結(jié)論.由于杠桿有自重，該方案在每次右側(cè)杠桿角度改變之后，都需要調(diào)節(jié)配重片，使得杠桿左側(cè)在水平方向平衡.加上配重片，該杠桿共受四個力的作用，也就有四個力臂，配重片的位置會給學(xué)生帶來干擾，阻礙學(xué)生識別有效信息，即支點(diǎn)到右側(cè)鉤碼的力的作用線的距離.因此教師應(yīng)說明配重片的作用，并在調(diào)節(jié)配重片后，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)彎折杠桿左側(cè)的水平狀態(tài)，再掛上鉤碼，引導(dǎo)學(xué)生識別支點(diǎn)到右側(cè)鉤碼力的作用線的距離.

5 結(jié)語

學(xué)習(xí)是信息加工的過程，教學(xué)只有滿足信息加工機(jī)制要求，才能達(dá)到教學(xué)目標(biāo).本文基于信息加工心理學(xué)理論，討論了力臂引入教學(xué)的幾個方案的合理性以及改進(jìn)建議.由上述討論可見，對教學(xué)結(jié)論的信息加工過程進(jìn)行微觀剖析，給教師提供了一種有據(jù)可依的分析方式，使得教師能夠?qū)W(xué)生習(xí)得結(jié)論所需的信息和信息呈現(xiàn)方式等進(jìn)行合理的設(shè)計，進(jìn)而安排相關(guān)的教學(xué)活動事件.因此，將教學(xué)建立在可靠的學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上，可以為有效教學(xué)提供穩(wěn)定一致的評價標(biāo)準(zhǔn)和合理的建議.

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（收稿日期：2020-11-17）