探尋指向思維精細化加工的概念教學路徑

張紅洋 ，張婧婧

1.陜西師范大學物理學與信息技術(shù)學院，西安 710119

2.中國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心陜西師范大學分中心，西安 710119

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的核心。學生的科學思維發(fā)展水平會影響其物理觀念的形成，科學探究能力和科學態(tài)度與責任的提升。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提到科學思維包含認識事物本質(zhì)屬性、建構(gòu)物理模型、進行推理論證和質(zhì)疑批判等多方面的內(nèi)涵[1]，其對科學思維的內(nèi)在規(guī)定性肯定了科學思維的重要性，也指明了科學思維培養(yǎng)的具體內(nèi)容和方向。然而，以往的物理教學過于重視知識結(jié)果的獲得，而忽視教學的過程屬性和過程價值，尤其在物理概念教學中，科學思維的發(fā)展過程被虛化，學生對于物理概念的習得僅停留于記憶、領(lǐng)會階段。物理概念是構(gòu)成物理定律、建構(gòu)物理模型、形成物理規(guī)律的重要基礎(chǔ)，其建構(gòu)過程伴隨科學思想的形成，是促進學生科學思維發(fā)展的契機[2]。因此，深化科學思維內(nèi)涵認識，精細化思維加工過程，促進學生科學思維加工的顯性化，探尋“精細化、科學化、可操作”的概念教學具有深遠意義。

1 教育的過程屬性促進學生思維發(fā)展

恩格斯說：“世界不是既成事物的集合體，而是過程的集合體。”[3]世界的本質(zhì)就是過程的存在，人的活動都是以過程的形式存在和發(fā)展的，過程是事物變化與發(fā)展并走向目標的必經(jīng)環(huán)節(jié)和途徑。教育作為一種培養(yǎng)人的活動，是以過程的形式存在，并以過程的方式展開，離開過程就無法談教育活動，更無法實現(xiàn)教育目標，故過程屬性是教育的基本屬性[4]。

毫無疑問，教學作為教育的基本途徑，也是一種過程性存在，學生的思維發(fā)展只能在教學過程中落實，而非在教學結(jié)果中實現(xiàn)。在物理概念教學中，學生對物理概念的建構(gòu)是從接受到理解再到內(nèi)化，并將概念與個體生活和社會生活建立聯(lián)系的“慢”過程。從過程哲學的視角透視物理概念教學過程，可以發(fā)現(xiàn)概念教學并非是一個個物理概念的“授”“受”這樣簡單，而是如懷特海的過程原理中所闡述：“實際存在物由它的‘生成’所構(gòu)成的”[5]。也就是說，要讓學生知道物理概念“是什么”，就必須讓其經(jīng)歷物理概念“是如何生成的”過程；要讓學生的科學思維得以發(fā)展，就必須借以思維活動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)識為知、轉(zhuǎn)知為智的目標。

2 彰顯過程育人的概念教學路徑探索

學生的科學思維發(fā)展是一個精細化加工的“慢”過程。思維的精細化加工與物理概念的有意義建構(gòu)二者辯證統(tǒng)一，相輔相成。思維的精細化加工過程會促進學生對物理概念的有意義建構(gòu)，同時，物理概念的有意義建構(gòu)是學生科學思維發(fā)展的契機。因此，重視教育的過程屬性，將概念教學過程化、精細化，是發(fā)展學生科學思維、彰顯過程育人的途徑。

2.1 概念的有意義建構(gòu)育思維加工過程

物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是對物理現(xiàn)象、物理過程概括化和抽象化的思維形式[6]。在物理概念的學習中，學生對物理概念的有意義建構(gòu)會促進其準確、深刻地理解概念的內(nèi)涵與外延，提升分析、歸納、推理、建模等高階科學思維能力。心理學家奧蘇貝爾認為，有意義學習是新知識與學習者認知結(jié)構(gòu)中已有的適當概念建立非人為的、實質(zhì)性聯(lián)系的過程，而同化是這一過程的重要階段[7]。因此，物理概念的有意義建構(gòu)是學生將原有圖式與物理情境建立聯(lián)系，對某一范疇中對象所具有的共同屬性進行編碼，形成新的關(guān)于概念的圖式，并在同化中達到新的平衡與發(fā)展的過程。

學生對物理概念的有意義建構(gòu)是完成由“物”到“理”再到“物”的思維過程，即實物操作經(jīng)大腦初步感知，與原有圖式產(chǎn)生聯(lián)系，學生用言語表征出半具體、半抽象性的表象，經(jīng)思維加工建構(gòu)出抽象的物理概念以解釋實物操作的意義。比如，學生建構(gòu)“自由落體運動”這一物理概念，如圖1所示，小球自由下落為實物操作，學生在頭腦中將這一情境與勻變速直線運動等已有圖式產(chǎn)生聯(lián)系，形成實物操作的表象，經(jīng)概括、抽象完成“自由落體運動”的有意義建構(gòu)，進而用數(shù)學符號表征自由落體運動的特征、規(guī)律，用以解釋小球自由下落等情境。根據(jù)布魯姆教育目標分類學，當學生表現(xiàn)出“解釋”的外顯行為時，表明其對概念已達 “理解”層次[8]。因此，將物理概念用以解釋情境的意義是學生有意義建構(gòu)物理概念重要且必要的思維過程。

圖1 物理概念的有意義建構(gòu)過程

2.2 思維的精細化加工促概念的有意義建構(gòu)

物理概念的有意義建構(gòu)再現(xiàn)了學生觀察感知事物、理解表征概念、解釋應(yīng)用規(guī)律的過程，由淺入深，由具體到抽象，是發(fā)展學生科學思維的契機。基于教育的過程屬性和物理概念的有意義建構(gòu)過程，依據(jù)學生的心理發(fā)展規(guī)律與心理學相關(guān)理論，強化并細化物理概念的生成過程，構(gòu)建過程性概念教學，幫助學生搭建科學思維的階梯，促進物理概念的有意義建構(gòu)。

過程性概念教學將教學過程劃分為“初感—淺探—深究—達成”四個階段，并細化為“辨別—分化—類化—抽象—檢驗—概括—形式化—解釋”八個思維階梯，如圖2所示。在“初感”階段，為學生提供足夠的感性材料，即搭建辨別刺激模式的思維階梯，促進學生在知覺水平上對事物的直觀特征進行分析辨認。如生成機械運動的概念，為學生呈現(xiàn)天體在運動、人在行走、車輛在前進等情境。為概括刺激模式的本質(zhì)屬性，引導(dǎo)學生對不同情境中的刺激模式予以直觀水平上的區(qū)分，搭建分化階梯。如生成摩擦力的概念，引導(dǎo)學生將人推桌子的情境分化為桌子運動與靜止兩種狀態(tài)，使其意識到兩種屬性的摩擦力。這一階段是以源自現(xiàn)實生活的真實情境幫助學生初步感知物理概念，讓學生產(chǎn)生現(xiàn)實生活與現(xiàn)實存在狀態(tài)的欠缺感、不滿足感，激發(fā)思考與求知的欲望，并從整體水平上對事物進行定性或半定量分析，鍛煉形象思維，提升觀察想象、分析比較的能力。

圖2 物理概念的精細化思維加工教學過程

變易理論提到概念學習的實質(zhì)是審視和識別事物的關(guān)鍵屬性[9]。因此，在“淺探”階段，引導(dǎo)學生搭建“類化”階梯，概括出各類刺激模式的屬性，再搭建“抽象”事物本質(zhì)的階梯以審辨概念的本質(zhì)屬性，進而作出關(guān)于物理概念本質(zhì)的初步結(jié)論或假設(shè)。在這一階段，學生不再局限于以形象思維去感知，而是加以抽象思維深入思考，對情境進行初步抽象化加工，在貌似平常的信息中發(fā)現(xiàn)不尋常之所在，在實物與抽象之間建立起“表象橋梁”，直達問題本質(zhì)的表層，如圖3所示。如生成超重和失重的概念，為學生提供在電梯上升與下降過程中人站在體重秤上的情境后，學生不再僅停留于視重與實重的比較，而是透過體重秤上的數(shù)字，挖掘現(xiàn)象背后隱含的本質(zhì)原因，即對人進行受力分析，運用牛頓第二定律建立起運動與力之間的關(guān)系，進而解釋體重秤上數(shù)字變化的原因。

圖3 “淺探”階段思維生成過程

聚焦思維結(jié)構(gòu)的智力理論是我國心理學領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究成果，其核心“三棱結(jié)構(gòu)”模型提到“思維是智力和能力的核心，概括是思維的基礎(chǔ)”[10]。因此，在“深究”階段，為學生搭建“檢驗”與“概括”的階梯，即引導(dǎo)學生在特定情境中檢驗初步假設(shè)或結(jié)論的準確性與普適性，確定概念的共同屬性與關(guān)鍵屬性，以科學準確、規(guī)范凝煉的語言表征出物理概念。如前例中生成機械運動的概念，已初步得出各情境中物體的共同特征：一個物體相對于另一個物體的位置隨時間在改變。教師再提供樹葉搖動、巨輪航行、鳥兒飛翔等情境以證明假設(shè)的正確性，最后以標準文字表征出機械運動的概念，形成機械運動的概念圖式。這一階段是學生形象思維與抽象思維交替使用最活躍的階段，實現(xiàn)基于事實證據(jù)進行科學推理、以質(zhì)疑批判的心態(tài)進行檢驗修正、從物理學視角概括客觀事物本質(zhì)的飛躍。

“達成”作為過程性概念教學的最后階段，既是對新概念進行深度理解、以等值語言進行形式化表征的過程，又是對新概念進行遷移應(yīng)用、與認知結(jié)構(gòu)中相關(guān)概念建立實質(zhì)性聯(lián)系的過程。如生成速度的概念，在明確速度的科學定義后，以與文字表征等值的數(shù)學表達式表征，雖兩種表征方式歸根結(jié)底都是位移與發(fā)生這段位移所用的時間之比，但不同的表征方式促進了學生對新概念的深度理解。梅瑞爾博士在首要教學原理中提到，當要求學習者運用知識技能解決問題時，才能夠促進學習[11]。因此，當要求學生以速度概念解決真實情境中的實際問題作為概念建構(gòu)的最后環(huán)節(jié)，會促進學生對概念的理解運用，使得物理概念從“情境中來，到情境中去”。

3 凸顯過程促思維發(fā)展的概念教學實踐

過程性概念教學以某一物理概念“是什么”為目標指引，以情境為中介組織教學活動，將學生內(nèi)隱的思維過程外顯化，以解釋應(yīng)用等外部行為檢驗概念是否被理解，具有理論與實踐意義，可將其應(yīng)用于物理概念教學實踐。“質(zhì)點”是高中物理中學生需要掌握的第一個物理概念，也是接觸到的第一個理想化模型。基于過程性概念教學模式，對“質(zhì)點”進行教學實踐，完成把學生已有的前概念科學化、使其理解“質(zhì)點”概念、建構(gòu)“質(zhì)點”理想化模型的思維發(fā)展過程，教學思路如圖4所示。

圖 4 “質(zhì)點”的過程性概念教學思路

【初感】辨別—分化：

師：提供留有想象空間的情境：行駛的火車和運動的乒乓球，引發(fā)學生感官上的刺激。

生：進行發(fā)散思維，將火車、乒乓球的運動置于不同情境中：（1）火車正從西安駛往北京；（2）火車正在進站；（3）乒乓球在空中運動軌跡是直線；（4）乒乓球正在飛快旋轉(zhuǎn)。情境的不同導(dǎo)致研究問題的屬性與方法有所不同。

設(shè)計意圖：通過情境刺激感官，使抽象的概念建構(gòu)過程具體化、形象化，形成感性認知。學生對情境的想象與分化將提升其全面思考、分類討論的能力。

【淺探】類化—抽象：

師：引導(dǎo)學生對不同情境予以簡化分析，并按照某一關(guān)鍵的共同屬性分類。

生：在以上四個情境中，情境（1）（3）在運動時可看作點來研究，故為一類，情境（2）（4）不可忽略其本身的大小，無法看作點來研究，劃為一類。

生：初步結(jié)論為“分類標準為是否可忽略物體的大小、形狀將其看作點來研究”。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學生將感官接受到的刺激進行認知加工，調(diào)動抽象思維，忽略次要因素，抓住主要因素，轉(zhuǎn)換成表象。學生在頭腦中將物體由實物情境轉(zhuǎn)換至表象的表征結(jié)果如表1所示。這一思維過程是學生能否概括事物本質(zhì)屬性的關(guān)鍵。

表1 情境依據(jù)共同屬性劃分

【深究】檢驗—概括：

師：提供地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的視頻資料。讓學生感受宇宙奧妙的同時，思考兩種情境下是否可以把地球看作點來研究。

生：地球公轉(zhuǎn)可以看作點來研究，地球自轉(zhuǎn)與乒乓球旋轉(zhuǎn)類似，不可忽略其大小、形狀，不能看作點來研究。

師：確保學生已經(jīng)完全提取出質(zhì)點的本質(zhì)屬性。引導(dǎo)學生概括出質(zhì)點概念的科學定義。

設(shè)計意圖：進一步提供情境，讓學生獨立完成從感官刺激到抽象出實物表象再到審辨出本質(zhì)屬性的過程，檢驗學生是否已達到接受新的物理概念的階段。學生的準確判斷是順利引入物理概念的保障。

【達成】形式化—解釋：

師：介紹理想化模型，將“質(zhì)點”納入其中。

生：將特定情境中的物體抽象為質(zhì)點，用語言表征出將實物抽象為質(zhì)點的思維過程。

師：回歸情境，引導(dǎo)學生解決實際問題，計算火車從西安至北京的時間和進站時間。

生：通過理解“質(zhì)點”概念、建構(gòu)“質(zhì)點”模型，解決實際問題。

設(shè)計意圖：以建構(gòu)“質(zhì)點”概念為基礎(chǔ)，對“質(zhì)點”概念升華至理想化模型的高度，體會科學思想和方法為解決問題帶來的便捷，易于學生接受。回歸情境解決實際問題，完成由“物”到“理”再到“物”的過程。

4 小結(jié)

無論是能力提升與素養(yǎng)養(yǎng)成，還是對知識的深度理解與應(yīng)用遷移，都需要通過精細化的教學過程予以落實，如何彰顯教學過程的魅力，體現(xiàn)教學的過程價值，在過程中育人是當今教育必須予以關(guān)注的課題。

首先，生成性概念教學將學生的思維加工過程精細化，“辨別—分化—類化—抽象—檢驗—概括—形式化—解釋”八個思維階梯形成一條完整的思維鏈，注重概念建構(gòu)和思維發(fā)展的過程，使感官刺激與科學思維先后運用，形象思維與抽象思維交替使用，以理解代替練習，以引導(dǎo)代替告知，力求使學生對物理概念的理解達到“知其然，知其所以然”的同時，發(fā)展科學思維，提升物理學科核心素養(yǎng)。

其次，夸美紐斯主張“一切知識都是從感官開始的”“必須有一個實際的經(jīng)驗情境作為思維的開始階段”，反對“教師假定學生的經(jīng)驗是可以想當然的”[12]。生成性概念教學正是以真實情境和學生經(jīng)驗為基礎(chǔ)展開，讓學生通過接觸原始材料進行學習，符合學習的直接性原則，即教育的關(guān)鍵在于盡可能使學生之“思”導(dǎo)向事物的本源。

最后，“教育是一種慢的藝術(shù)”，概念的學習和思維的發(fā)展是一個“慢”的積累過程，教師應(yīng)關(guān)注過程，讓概念教學，乃至物理教學“慢”下來。