基于原型啟發(fā)的物理概念教學(xué)策略初探

段玉文

(上海市嘉定區(qū)第二中學(xué)，上海 201802)

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基于原型啟發(fā)的物理概念教學(xué)策略初探

段玉文

(上海市嘉定區(qū)第二中學(xué)，上海 201802)

原型啟發(fā)教學(xué)策略就是通過理解掌握問題的原型得到問題表征．物理概念建構(gòu)的原型選擇應(yīng)遵循相似程度原則、熟悉程度原則、“集體無(wú)意識(shí)”程度原則．原型啟發(fā)包括3個(gè)教學(xué)階段:原型學(xué)習(xí)階段、原型啟發(fā)下的非原型學(xué)習(xí)階段和概念鞏固階段．原型特征屬性的掌握程度是整個(gè)教學(xué)過程的重點(diǎn),原型表征的清晰建構(gòu)是物理概念學(xué)習(xí)的關(guān)鍵．

物理概念;原型啟發(fā);教學(xué)策略

人們首先是通過原型認(rèn)識(shí)事物,然后將一些與原型具有一些差異的事物歸類認(rèn)識(shí),這就是所謂的“原型啟發(fā)”．概念主要是以原型即它的最佳實(shí)例表征出來(lái)的,我們主要是從能最好地說(shuō)明一個(gè)概念的實(shí)例來(lái)理解該概念,在概念構(gòu)建時(shí)應(yīng)先選擇理想的原型．原型啟發(fā)教學(xué)策略,就是通過理解掌握問題的原型得到問題表征．下面結(jié)合“單擺”概念的教學(xué)實(shí)例,針對(duì)原型啟發(fā)策略在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析．

1 原型的選擇原則

在概念教學(xué)過程中概念的構(gòu)建是最為關(guān)鍵的過程,選擇什么樣的原型構(gòu)建概念,對(duì)物理基本概念教學(xué)十分重要．原型選擇不合適或錯(cuò)誤,將使學(xué)生在概念構(gòu)建過程中產(chǎn)生困難或完全不能構(gòu)建起概念．概念構(gòu)建過程中原型的選擇應(yīng)遵循以下一些原則．

1.1 相似程度原則

相似程度原則,即選擇的原型應(yīng)該與所要解決的問題有相似的特征．從本質(zhì)上說(shuō),原型之所以具有啟發(fā)作用,主要是因?yàn)檫@一事物本身的屬性和特點(diǎn)與所要學(xué)習(xí)的東西有相似之處,因而要選擇最能體現(xiàn)概念內(nèi)涵的“原型”．原型啟發(fā)策略中的原型成員和非原型成員的地位并不相等．就某一個(gè)具體的概念范疇而言,其原型成員具備該范疇的理想值,處于范疇的中心,有明顯的類屬特征和較高的清晰度．因此,范疇內(nèi)的其他成員是不宜用于構(gòu)建概念的．例如,有些教師教“單擺”概念時(shí),用了鐘擺作為構(gòu)建單擺概念的原型,鐘擺實(shí)際上是一個(gè)復(fù)合擺,這個(gè)原型就不適用于構(gòu)建單擺概念,只有在學(xué)生學(xué)習(xí)了單擺概念后,再來(lái)理解鐘擺的原理才有效．

1.2 熟悉程度原則

原型應(yīng)該是學(xué)生已經(jīng)熟悉的事物,不熟悉的事物對(duì)學(xué)生是沒有啟發(fā)性的,學(xué)生不熟悉的原型很難讓學(xué)生從教學(xué)需要的認(rèn)知角度去認(rèn)識(shí)概念．例如,我們對(duì)所有的學(xué)生都用同樣的原型,然而不同地域的學(xué)生其經(jīng)歷不同,可能對(duì)這個(gè)原型基本沒有了解,或是根本不了解,這樣的原型也就沒有任何啟發(fā)意義．原型啟發(fā)是對(duì)同類事物進(jìn)行全面理解掌握的過程,對(duì)于原型達(dá)到內(nèi)化的概念,是可以用來(lái)認(rèn)識(shí)其同類事物的．原型啟發(fā)是建立在好的、清楚的樣本之上,然后將其他實(shí)體根據(jù)它們與這些樣本在某些或一組屬性上的相似性而歸入該范疇．例如,當(dāng)利用原型構(gòu)建起清晰的“單擺”概念后,再將與原型有些共同特征但也又不是完全相吻合的“鐘擺”、“秋千”、“等效擺”等歸到一起認(rèn)識(shí),是一個(gè)難度較低的學(xué)習(xí)過程．

1.3 “集體無(wú)意識(shí)”程度原則

“集體無(wú)意識(shí)”是由普遍的和反復(fù)發(fā)生的心理內(nèi)容所構(gòu)成,并非個(gè)體的,而是所有人行動(dòng)中普遍所具有的內(nèi)容和模式．原型的外在表現(xiàn)是象征,是集體無(wú)意識(shí)．對(duì)于原型的理解應(yīng)該達(dá)到“集體無(wú)意識(shí)”程度．例如,人們的思維過程開始是以實(shí)物進(jìn)行的,而隨著知識(shí)的發(fā)展,思維隨之發(fā)展,后來(lái)學(xué)習(xí)過程中其意識(shí)與原型就無(wú)關(guān)了,而與概念有關(guān)．概念的建立是需要原型的,當(dāng)概念建立起來(lái)后,在其他學(xué)習(xí)過程中是用概念進(jìn)行思維,而不是用原型進(jìn)行思維的,也就是說(shuō)在學(xué)習(xí)過程中涉及到某一事物時(shí),并不需要看到具體的事物,這種事物是用概念代替的．如“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”概念的學(xué)習(xí)是以彈簧振子、單擺等一類機(jī)械振動(dòng)原型進(jìn)行的,而在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)概念掌握以后,一旦涉及到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)就應(yīng)該知道簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是什么樣子,有什么性質(zhì),因此根本無(wú)需看到實(shí)際的振動(dòng)形式．對(duì)概念理解不清楚學(xué)習(xí)不會(huì)有效,對(duì)概念理解清楚但沒有達(dá)到集體無(wú)意識(shí)狀態(tài),學(xué)習(xí)也會(huì)產(chǎn)生困難,但學(xué)習(xí)可以發(fā)生．對(duì)于聽不懂課的現(xiàn)象,很多情況下是學(xué)生對(duì)概念理解不清楚,也就是對(duì)原型沒有掌握,或是對(duì)原型的理解沒有達(dá)到“集體無(wú)意識(shí)”狀態(tài)．

2 原型啟發(fā)的教學(xué)流程

原型啟發(fā)策略指導(dǎo)的物理概念教學(xué)分為3個(gè)階段,即原型學(xué)習(xí)階段、原型啟發(fā)下的非原型的學(xué)習(xí)階段和概念鞏固階段．只是在課堂教學(xué)中,各概念的原型屬性的學(xué)習(xí)需要逐步完成,會(huì)使這3個(gè)階段的學(xué)習(xí)界限表面看起來(lái)不清晰,但這3個(gè)階段其實(shí)是一直貫穿在教學(xué)過程中的．在下面“單擺”概念的實(shí)例分析中,雖然界限有些隱形,但還是力爭(zhēng)將原型啟發(fā)的精髓滲透到教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)際教學(xué)中去．

2.1 原型學(xué)習(xí)階段

原型啟發(fā)強(qiáng)調(diào)構(gòu)建概念是需要原型的,在建構(gòu)概念中,原型的學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生克服由于看不見而導(dǎo)致的學(xué)習(xí)困難．雖然學(xué)生肉眼看不見,但是它們確實(shí)是存在的,釆取合適的方式也是可以讓學(xué)生“看得見的”．如照片、模型、生活中的現(xiàn)象感知等．原型啟發(fā)策略認(rèn)為人們最初的思維是從實(shí)物開始的,這樣我們?cè)趯W(xué)生“看到”的基礎(chǔ)上來(lái)建構(gòu)概念．

例如,“單擺”概念的建構(gòu)其原型為:用細(xì)線懸掛著小球,如果細(xì)線的質(zhì)量與小球質(zhì)量相比可以忽略,球的直徑與線的長(zhǎng)度相比也可以忽略,這樣的裝置就叫做單擺．根據(jù)文字?jǐn)⑹?結(jié)合觀察實(shí)物原型,學(xué)生簡(jiǎn)化為清晰地理想模型:在一根沒有質(zhì)量且長(zhǎng)度不變的細(xì)線下懸掛一個(gè)質(zhì)點(diǎn),該質(zhì)點(diǎn)在重力的作用下做微小振動(dòng)．學(xué)生先熟悉“單擺”的形貌和結(jié)構(gòu),然后在頭腦中清晰建構(gòu)模型,最后再學(xué)習(xí)單擺的周期公式．

例1.把單擺的振動(dòng)看作是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),需要滿足的條件是

(A) 擺球體積要大.

(B) 擺線要粗而結(jié)實(shí).

(C) 最大擺角不超過5°.

(D) 擺球的重心必須在球心上.

答案： (C).

例2.某單擺由1m長(zhǎng)的擺線連接一個(gè)直徑2cm的鐵球組成,關(guān)于單擺周期,以下說(shuō)法正確的是

(A) 擺角從5°改為3°,單擺的周期會(huì)變小.

(B) 用等質(zhì)量木球替代鐵球,單擺的周期不變.

(C) 用等質(zhì)量的銅球替代鐵球,單擺的周期變小.

(D) 將單擺從上海移到北京,單擺的周期會(huì)變大.

答案： (C).

“原型”的掌握程度直接關(guān)系到后兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)情況,通過單擺原型的特征屬性學(xué)習(xí)來(lái)掌握單擺的概念以及單擺的周期公式,可以降低學(xué)生對(duì)概念的理解難度．在教學(xué)中通過有關(guān)練習(xí),強(qiáng)化原型的學(xué)習(xí),后兩個(gè)階段的學(xué)習(xí)的難度就會(huì)大大降低,學(xué)習(xí)速度也會(huì)明顯提高．

2.2 原型啟發(fā)下的非原型的學(xué)習(xí)階段

人們首先是通過原型認(rèn)識(shí)事物,然后將一些與原型具有一些差異的事物歸類認(rèn)識(shí),原型成員和非原型成員不一定完全相似,但在一些本質(zhì)上是相似的．原型啟發(fā)的實(shí)質(zhì)就是人們?cè)诮忉屇撤N現(xiàn)象時(shí),將屬于這類現(xiàn)象的某個(gè)個(gè)體視為原型,在對(duì)這個(gè)原型總體特征認(rèn)識(shí)不變的情況下,把握這類現(xiàn)象的其他個(gè)體．

原型學(xué)習(xí)階段后,接著以認(rèn)識(shí)原型的方式啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)其他非原型成員,而在此過程中,最為關(guān)鍵的一點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)原型的理解程度．原型的特征屬性是一個(gè)逐步被認(rèn)識(shí)的過程,所以在非原型的學(xué)習(xí)階段過程中,要把對(duì)原型特征屬性的進(jìn)一步理解作為認(rèn)知的重點(diǎn),原型特征屬性掌握得越好,概念也就掌握得越好,因?yàn)樵褪潜碚鞲拍畹淖罴褜?shí)例,在教學(xué)過程中,一定要把握這個(gè)原則．

例如,在單擺概念表征之后,再擴(kuò)展到其他實(shí)例,如雙線擺等非原型成員的思維的建構(gòu)．同樣值得注意的是,“單擺”的表征是關(guān)鍵的部分,這決定著學(xué)生物理學(xué)科思維的發(fā)展．

例3.如圖1(a)所示是一雙線擺,雙線擺較之單擺有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn),它不像單擺那樣,稍不小心就會(huì)在水平面上做圓錐擺運(yùn)動(dòng),它是用兩根等長(zhǎng)的細(xì)線懸掛一小球構(gòu)成的．圖中的L和θ為已知量,當(dāng)小球垂直于紙面做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),周期為多大?如果把雙線擺打一個(gè)結(jié),如圖1(b)所示,若L1、L2、α均已知,當(dāng)小球垂直于紙面做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),周期為多大?

圖1

圖2

例4.如圖2所示,A是半徑為R的光滑圓弧軌道的最低點(diǎn),B、C為可視為質(zhì)點(diǎn)的兩小球,將B球放在A點(diǎn)正上方h處,將C球放在離A點(diǎn)很近的軌道上,同時(shí)由靜止釋放B、C兩球(忽略空氣阻力)．當(dāng)B球下落到A點(diǎn)時(shí)恰好與C球相遇,h的最小值應(yīng)為__________;將C球向A點(diǎn)移動(dòng)至原AC弧的中點(diǎn),再次同時(shí)釋放兩球,仍當(dāng)B球下落到A點(diǎn)時(shí)恰好與C球相遇,h的最小值將____________(選填“減小”、“不變”或“增大”)．

原型啟發(fā)策略認(rèn)為概念范疇成員具有不同的典型性,存在原型成員和非原型成員．原型成員處于范疇的中心,其他成員則視其與原型成員的相似程度分別處于從原型到最不原型之間的各個(gè)位置上并具有不同的概念范疇隸度．通過上述有關(guān)練習(xí),學(xué)生在學(xué)習(xí)其他非原型成員時(shí),加深對(duì)“單擺”原型特征屬性的理解,使概念的表征在頭腦中達(dá)到一定的熟練程度,或是形成了清晰的心理圖式,對(duì)概念的拓展應(yīng)用會(huì)起到無(wú)意識(shí)的啟發(fā)作用,從而降低學(xué)習(xí)的難度,提高學(xué)習(xí)效率．

2.3 概念的鞏固階段

概念教學(xué)最后階段是進(jìn)行概念的鞏固,通過概念的應(yīng)用教學(xué),促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念屬性的掌握．例如,讓學(xué)生利用單擺公式測(cè)定重力加速度,通過實(shí)驗(yàn)利用T2-l圖像測(cè)出重力加速度,以及分析擺鐘從地球表面一個(gè)位置搬到另一個(gè)位置,如何校準(zhǔn)等問題的分析解決,促使學(xué)生對(duì)單擺概念達(dá)到“集體無(wú)意識(shí)”的程度．

例5.用單擺測(cè)定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，

(1) (多選題)應(yīng)選用下列器材中的

(A) 半徑1 cm的木球.

(B) 半徑1 cm的實(shí)心鋼球.

(C) 1 m左右的細(xì)線.

(D) 30 cm左右的細(xì)線.

(E) 秒表、三角板、米尺.

(2) 若在某次實(shí)驗(yàn)中,測(cè)得細(xì)線的長(zhǎng)度為l、擺球直徑為D、單擺完成N次全振動(dòng)的時(shí)間為t,則利用上述量求重力加速度g的表達(dá)式為_______．

圖3

例6.用單擺測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)中,組裝單擺時(shí),在擺線上端的懸點(diǎn)處,用一塊開有狹縫的橡皮夾牢擺線,再用鐵架臺(tái)的鐵夾將橡皮夾緊，如圖3所示．

(1) (單選)這樣做的目的是

(A) 保證擺動(dòng)過程中擺長(zhǎng)不變.

(B) 可使周期測(cè)量得更加準(zhǔn)確.

(C) 使擺長(zhǎng)不可調(diào)節(jié).

(D) 保證擺球在同一豎直平面內(nèi)擺動(dòng).

(2) (單選)圖4所示振動(dòng)圖像真實(shí)地描述了對(duì)擺長(zhǎng)約為1 m的單擺進(jìn)行周期測(cè)量的4種操作過程,圖像橫坐標(biāo)原點(diǎn)表示計(jì)時(shí)開始,ABCD均為30次全振動(dòng)的圖像,已知sin5°=0.087,sin15°=0.26,這4種操作過程合乎實(shí)驗(yàn)要求且誤差最小的是

圖4

圖5

(3) 某小組發(fā)現(xiàn)單擺靜止時(shí)擺球重心在球心的正下方,但仍將懸點(diǎn)到球心的距離當(dāng)成擺長(zhǎng)L,通過改變擺線長(zhǎng)度,測(cè)得6組L和對(duì)應(yīng)的周期T,畫出圖像L-T2,選取A、B兩點(diǎn),坐標(biāo)如圖5，則重力加速度的表達(dá)式g=________,此結(jié)果與擺球重心在球心處相比,將________(選填“偏大”、“偏小”或“相同”)．

例7.在地球表面上周期準(zhǔn)確的秒擺(周期為2s),移到距離地面為nR0的高度處(R0為地球半徑),該秒擺的周期________s,此時(shí)為了讓秒擺保持周期2s不變,則需要________(“增長(zhǎng)”,“減短”)擺長(zhǎng)．

答案： 2(n+1),減短.

在上述單擺概念建構(gòu)的3個(gè)階段中,原型的特征屬性的掌握程度是整個(gè)教學(xué)過程的重點(diǎn),原型表征的清晰建構(gòu)是物理概念學(xué)習(xí)的關(guān)鍵．原型的特征屬性的學(xué)習(xí)是一個(gè)逐步完成的過程,原型特征屬性掌握得越熟練,最好能達(dá)到集體無(wú)意識(shí)的程度,原型啟發(fā)下的非原型成員的學(xué)習(xí)就會(huì)越容易,概念就掌握得越牢靠和清晰．例如,提到單擺,人們頭腦浮現(xiàn)出細(xì)線下拴一個(gè)鐵球,繞懸點(diǎn)擺動(dòng)的原型;提到單擺的等時(shí)性,人們聯(lián)想起伽利略在教堂里對(duì)擺動(dòng)的吊燈的觀察情景;提到單擺的周期公式,人們回憶起來(lái)的是利用控制變量法研究影響單擺周期因素的實(shí)驗(yàn);提到單擺等時(shí)性的應(yīng)用,人們腦海中呈現(xiàn)的是擺鐘的畫面;提到單擺周期公式的應(yīng)用,回憶起來(lái)的是利用數(shù)學(xué)公式或是圖像法測(cè)重力加速度……每一個(gè)物理概念都與一個(gè)曾被不斷強(qiáng)化的表征原型相對(duì)應(yīng),每一條物理規(guī)律都與一個(gè)物理過程的動(dòng)態(tài)表征原型相聯(lián)系,每一種研究方法都與一種具體的操作(動(dòng)筆計(jì)算、動(dòng)手實(shí)驗(yàn))原型相銜接．選擇科學(xué)的、合理的教學(xué)方式,可以降低知識(shí)本身的難度,幫助學(xué)生更加輕松地學(xué)習(xí),并教會(huì)他們學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)．

綜上所述,利用原型啟發(fā)策略指導(dǎo)物理概念的構(gòu)建以及概念拓展的教學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)于物理教學(xué)有積極的指導(dǎo)意義．原型啟發(fā)能夠幫助學(xué)生克服對(duì)物理概念難于把握的恐懼感,以認(rèn)識(shí)宏觀事物的思維來(lái)認(rèn)識(shí)它們,也與高中學(xué)生逐步由形象思維向抽象思維過渡的思維特征相吻合．原型成員的表征達(dá)到了“集體無(wú)意識(shí)”的程度,其他非原型成員表征的形成就會(huì)在學(xué)生無(wú)意識(shí)的狀態(tài)下完成了,便自然而然地能克服物理概念過于繁多、難記和抽象等特點(diǎn)而形成的學(xué)習(xí)障礙,在很大程度上降低了物理概念學(xué)習(xí)的難度,幫助學(xué)生在輕松的氛圍中建立清晰的表征形式和物理學(xué)科思維,從而提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣、信心、能力和物理成績(jī)．

1 陳剛等著.自然學(xué)科學(xué)習(xí)與教學(xué)設(shè)計(jì)[M].上海:上海教育出版社,2005.

2 鄧鑄.問題解決中對(duì)問題的外部表征和內(nèi)部表征[J].心理學(xué)動(dòng)態(tài),2001,9(3):193-200.

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本文系全國(guó)教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題“培養(yǎng)中學(xué)生物理語(yǔ)言表征問題能力的實(shí)踐研究”(課題批準(zhǔn)號(hào):DHA140323)的階段性研究成果．

2016-12-08)