基于CL-CSM學習理論培育學生物理建模能力的策略

【摘 要】物理模型建構是重要的科學思維之一，CL-CSM學習理論為培育學生物理建模能力提供了理論支持?；贑L-CSM學習理論，可以通過豐富學生的知識經驗和認知儲備、圍繞真實情境問題設計并組織新課學習、針對學生原有認知結構開展有意義學習、幫助學生學會表征問題并掌握一般的思維方式、圍繞近遷移和高通路遷移原則設計學習評價任務等策略，培育學生物理建模能力，發展學生核心素養。

【關鍵詞】物理建模 教學支持策略 遷移

基于核心素養的課程教學改革要求教師重視培養學生的科學思維，提升學生的問題解決能力。物理模型建構能力能綜合反映個體知識規律的掌握程度、衡量個體基本模型的遷移組合等應用能力，是科學思維的重要要素之一[1]。提升物理建模能力有助于學生加深對所學知識規律的理解，促進學生養成科學規范的思考方式，創造性地解決實際問題。

筆者在教學中發現，對于解決實際情境中的真實物理問題，高中生普遍存在“不知道通過什么方法和途徑分析”“雖知道應通過建模去分析但卻不知道該建立怎樣的模型”等問題。這表明當前學生的物理建模能力水平整體不高。本文基于CL-CSM學習理論，提出培育學生物理建模能力的支持策略。

一、CL-CSM學習理論概述

CL-CSM是建構學習—認知結構遷移理論（Constructivism Learning -Cognitive Structure Migration Theory）的英文縮寫。CL-CSM認為學習是建構的，是學習者在一定情境中主動建構自己的知識經驗的過程。知識是生存在具體的、情境性的、可感知的活動之中的，不能脫離活動情境而抽象地存在，只有通過實際情境中的應用活動才能真正被人所理解[2]186。情境、協作、會話和意義建構是學習環境中的四大要素，教學活動是在教師支持下，學生自主建構認知結構的過程。

CL-CSM認為一切有意義的學習都是在原有認知結構的基礎上產生的。一切有意義的學習必然包括遷移，遷移是以認知結構為中介進行的，先前學習所獲得的新經驗，通過影響原有認知結構的有關特征影響新學習。

基于CL-CSM學習理論的課堂教學模式，以一個實際生活中的真實情境引入，目標可以是提煉一種典型模型，可以是單純地解決一個實際問題熟悉此種情境，也可以在問題解決過程中搭建已有知識和方法之間的結構化聯系。與其他課堂模式相比，基于CL-CSM學習理論的課堂教學模式更強調“情景呈現”與“模型遷移”，依據不同的情形，可以分為“指向基礎模型儲備”與“指向問題解決”兩種基本類型，如下頁圖1、圖2所示。教師可在實際教學中依據教學內容和教學目標選用。

二、基于CL-CSM學習理論培育學生物理建模能力的策略

CL-CSM學習理論為培育學生物理建模能力提供了理論支持。教師在教學中應當密切關注“已有知識經驗和認知結構”“情境”“有意義學習”“遷移”四個關鍵因素。首先，任何學習都是在學習者已經具有的知識經驗和認知結構、已經獲得的動作技能、已經習得的態度等基礎上進行的[2]284，學生缺乏相關經歷和經驗儲備，必然影響大腦在新情境和已有認知結構間建立聯系，從而制約遷移的發生，產生學習困難。其次，無論是“知識”還是“學習”，都不能脫離一定的情境而抽象地存在。一方面，教師應創設真實的問題情境，通過學生之間、師生之間的協作與會話，引導啟發，依托問題的解決過程，幫助學生進行意義建構與學習；另一方面，教師通過促使學生進行有意義學習，在新的問題情境與原有認知結構間建立聯系，并以此熟練遷移。

1. 豐富學生的知識經驗和認知儲備

學生物理知識的儲備，尤其是基本物理模型（模型元）、典型應用情境（情境元）的儲備，是培養物理建模能力的基礎。在高中物理學習中，典型的模型元主要涉及三類：一是客體類模型，如質點、單擺、理想氣體等。二是條件類模型，如“光滑”“忽略……”等。三是過程類模型，如勻變速直線運動、完全非彈性碰撞、球面輻射等。典型的情境元通常出現在各類解答類問題中，如“斜面上物體的平衡”“圓周軌道的最高點”“兩體對心碰撞”“U型導軌導體棒切割”“帶電粒子穿越有界電磁場區域”等。豐富的應用情境積累基礎能為解決實際問題提供大的借鑒范圍。除注重豐富學生物理認知儲備外，日常教學中教師也要注意多增加學生動手實驗及親身體驗的機會。

2. 圍繞真實情境問題設計并組織新課學習

教師創設的問題情境應源于學生的生活實際，或與學生的生活緊密相關，并契合單元主題或課時主題。這樣可以增加學生與學習資源之間的親近感，在新情境中的經驗與原有認知結構之間快速建立起實質性聯系，激發學生的學習興趣和求知欲，產生學習動機。

例如，在對城市學生教授“變壓器”的內容時，創設“手機充電器怎樣改變電壓”的問題情境，引導學生拆分廢棄實物、觀察結構、建立變壓器模型、進行理論探究或實驗探究的教學設計，效果可能比通過展示民用變壓器的影像、圖片等引出變壓器的原理并探究電壓與匝數關系的效果好。一方面，當下在較大的城市里學生可能從未見過變壓器等變電設施；另一方面，變壓器離學生生活實際較遠，變壓器怎樣工作的設問恐怕難以調動學生的學習積極性。

3. 針對學生原有認知結構開展有意義學習

組織學習過程要注重發揮教師的引導啟發與支持幫助作用。教師的引導和啟發要充分考慮學生原有認知結構基礎，遠離學生已有認知基礎的問題應盡量回避，確實無法回避的在解決過程中也要務必找出學生的關鍵癥結點，在此基礎上設計相應的實踐體驗活動幫助學生完善原有認知結構，進行針對性突破。用“引導”與“幫助”的有效互動促進知識在熟悉情境中的運用，這樣才能更好地促進新情境中的經驗與原有知識經驗的相互作用，支撐學生的建構學習。通過引發認知沖突等，為接下來在新舊認知結構間進行要素關聯、同化順應、模型泛化等提供可能。

例如，在“探究影響感應電流方向的因素（楞次定律）”實驗中，不僅學生不理解為何要引入“感應電流的磁場方向”表征“感應電流的方向”，不少教師也常感覺此處的處理顯生硬或牽強。如果抓住回路中感應電流的方向與磁場方向間是三維關系這一事實，提出“可以通過哪些方便的途徑實現降維，以將二者間的方向關系轉化成最簡單的一條直線上的同向或反向的情形來研究”，并結合“電流的磁效應”中的情形理解，那么，學生對此類涉及“右手螺旋”模型的各類情形的理解困難將迎刃而解，還能為將來理解定律數學表達上出現負號的原因做鋪墊。因此，教師針對某些問題簡化方式中出現的關鍵癥結點進行點撥，幫助學生領會這些方法手段的出發點，對建模方法自身的教學而言尤為重要。

4. 幫助學生學會表征問題并掌握一般的思維方式

解決實際問題的關鍵在于確定問題到底是什么，然后正確歸類，聯系并激活已有認知結構中特定的圖式。這個圖式將引導個體注意相關信息，并預估解決方案的概貌。認知結構中不存在合適的圖式時，教師可通過引導啟發，幫助學生運用類比思維，尋求與所給問題情境相似的情境的解答，領會建模解決陌生問題的一般方式。此外，教師需要幫助學生領會建模解決實際問題并不是追求“最優的途徑”，而是獲得一個“滿意的途徑”，對結果持適當的抱負水平，有助于學生創造性地發揮潛能找到解決途徑。

例如，估算“飛鳥對高鐵或飛機的撞擊力大小”時，如果只關注結果的數量級，學生很快能通過“動量定理”角度或“動能定理”角度，抑或“勻變速直線運動中牛頓第二定律的應用”角度得出大致相近的結果，解決實際問題，而不會陷在用動能定理和用動量定理結果差一半的糾結中。

5. 圍繞近遷移和高通路遷移原則設計學習評價任務

比較相似的問題情境有利于認知結構的遷移。教學中教師要注意系統地創設相似的問題情境，幫助學生進行認知結構、思維和方法的遷移。例如，在教學初期，教師可采取“示范一個情境解決，學生練習一個相似情境，作業再布置一個相近情境進行鞏固”的方式，鞏固學生建模分析的思維路徑，并在問題解決中領悟物理建模分析的一般方法和要點。

經常將舊情境中解決問題的思維方式應用到新的情境中，能促進學生類比遷移能力的發展。而經常有意識地將在某一情境下習得的抽象知識和經驗運用到新的情境中，則有利于激發學生的創造性。在教學后期，單純的近遷移學習任務已經難以適應學生建模能力發展的要求，此時需要有目的、有計劃地安排一些有一定差異兼顧相似性的新情境問題，提升學生能力的上限值。但也需要注意，極不相似的問題情境是不利于遷移發生的（即“遠遷移”），一味地反復練習某一類型的問題情境解決也不利于創造力的發展（即“低通路遷移”），在設計評價任務時都應避免。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：5.

[2] 陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2007.

本文系北京市教育科學“十三五”規劃課題“基于CL-CSM培育學生物理建模能力的教學支持策略研究”（課題批準號：CDDB19193）成果之一。

（作者單位：北京師范大學附屬中學）

責任編輯：胡玉敏