基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論培育學(xué)生物理建模能力的策略

【摘 要】物理模型建構(gòu)是重要的科學(xué)思維之一，CL-CSM學(xué)習(xí)理論為培育學(xué)生物理建模能力提供了理論支持。基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論，可以通過豐富學(xué)生的知識經(jīng)驗和認(rèn)知儲備、圍繞真實情境問題設(shè)計并組織新課學(xué)習(xí)、針對學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)開展有意義學(xué)習(xí)、幫助學(xué)生學(xué)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(shè)計學(xué)習(xí)評價任務(wù)等策略，培育學(xué)生物理建模能力，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物理建模 教學(xué)支持策略 遷移

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

筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(dāng)前學(xué)生的物理建模能力水平整體不高。本文基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論，提出培育學(xué)生物理建模能力的支持策略。

一、CL-CSM學(xué)習(xí)理論概述

CL-CSM是建構(gòu)學(xué)習(xí)—認(rèn)知結(jié)構(gòu)遷移理論（Constructivism Learning -Cognitive Structure Migration Theory）的英文縮寫。CL-CSM認(rèn)為學(xué)習(xí)是建構(gòu)的，是學(xué)習(xí)者在一定情境中主動建構(gòu)自己的知識經(jīng)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(yīng)用活動才能真正被人所理解[2]186。情境、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素，教學(xué)活動是在教師支持下，學(xué)生自主建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程。

CL-CSM認(rèn)為一切有意義的學(xué)習(xí)都是在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。一切有意義的學(xué)習(xí)必然包括遷移，遷移是以認(rèn)知結(jié)構(gòu)為中介進行的，先前學(xué)習(xí)所獲得的新經(jīng)驗，通過影響原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的有關(guān)特征影響新學(xué)習(xí)。

基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論的課堂教學(xué)模式，以一個實際生活中的真實情境引入，目標(biāo)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(jié)構(gòu)化聯(lián)系。與其他課堂模式相比，基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論的課堂教學(xué)模式更強調(diào)“情景呈現(xiàn)”與“模型遷移”，依據(jù)不同的情形，可以分為“指向基礎(chǔ)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(xué)中依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)選用。

二、基于CL-CSM學(xué)習(xí)理論培育學(xué)生物理建模能力的策略

CL-CSM學(xué)習(xí)理論為培育學(xué)生物理建模能力提供了理論支持。教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注“已有知識經(jīng)驗和認(rèn)知結(jié)構(gòu)”“情境”“有意義學(xué)習(xí)”“遷移”四個關(guān)鍵因素。首先，任何學(xué)習(xí)都是在學(xué)習(xí)者已經(jīng)具有的知識經(jīng)驗和認(rèn)知結(jié)構(gòu)、已經(jīng)獲得的動作技能、已經(jīng)習(xí)得的態(tài)度等基礎(chǔ)上進行的[2]284，學(xué)生缺乏相關(guān)經(jīng)歷和經(jīng)驗儲備，必然影響大腦在新情境和已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)間建立聯(lián)系，從而制約遷移的發(fā)生，產(chǎn)生學(xué)習(xí)困難。其次，無論是“知識”還是“學(xué)習(xí)”，都不能脫離一定的情境而抽象地存在。一方面，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，通過學(xué)生之間、師生之間的協(xié)作與會話，引導(dǎo)啟發(fā)，依托問題的解決過程，幫助學(xué)生進行意義建構(gòu)與學(xué)習(xí)；另一方面，教師通過促使學(xué)生進行有意義學(xué)習(xí)，在新的問題情境與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)間建立聯(lián)系，并以此熟練遷移。

1. 豐富學(xué)生的知識經(jīng)驗和認(rèn)知儲備

學(xué)生物理知識的儲備，尤其是基本物理模型（模型元）、典型應(yīng)用情境（情境元）的儲備，是培養(yǎng)物理建模能力的基礎(chǔ)。在高中物理學(xué)習(xí)中，典型的模型元主要涉及三類：一是客體類模型，如質(zhì)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(xiàn)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(dǎo)軌導(dǎo)體棒切割”“帶電粒子穿越有界電磁場區(qū)域”等。豐富的應(yīng)用情境積累基礎(chǔ)能為解決實際問題提供大的借鑒范圍。除注重豐富學(xué)生物理認(rèn)知儲備外，日常教學(xué)中教師也要注意多增加學(xué)生動手實驗及親身體驗的機會。

2. 圍繞真實情境問題設(shè)計并組織新課學(xué)習(xí)

教師創(chuàng)設(shè)的問題情境應(yīng)源于學(xué)生的生活實際，或與學(xué)生的生活緊密相關(guān)，并契合單元主題或課時主題。這樣可以增加學(xué)生與學(xué)習(xí)資源之間的親近感，在新情境中的經(jīng)驗與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間快速建立起實質(zhì)性聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，產(chǎn)生學(xué)習(xí)動機。

例如，在對城市學(xué)生教授“變壓器”的內(nèi)容時，創(chuàng)設(shè)“手機充電器怎樣改變電壓”的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生拆分廢棄實物、觀察結(jié)構(gòu)、建立變壓器模型、進行理論探究或?qū)嶒炋骄康慕虒W(xué)設(shè)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(shù)關(guān)系的效果好。一方面，當(dāng)下在較大的城市里學(xué)生可能從未見過變壓器等變電設(shè)施；另一方面，變壓器離學(xué)生生活實際較遠(yuǎn)，變壓器怎樣工作的設(shè)問恐怕難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3. 針對學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)開展有意義學(xué)習(xí)

組織學(xué)習(xí)過程要注重發(fā)揮教師的引導(dǎo)啟發(fā)與支持幫助作用。教師的引導(dǎo)和啟發(fā)要充分考慮學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，遠(yuǎn)離學(xué)生已有認(rèn)知基礎(chǔ)的問題應(yīng)盡量回避，確實無法回避的在解決過程中也要務(wù)必找出學(xué)生的關(guān)鍵癥結(jié)點，在此基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的實踐體驗活動幫助學(xué)生完善原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進行針對性突破。用“引導(dǎo)”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(jīng)驗與原有知識經(jīng)驗的相互作用，支撐學(xué)生的建構(gòu)學(xué)習(xí)。通過引發(fā)認(rèn)知沖突等，為接下來在新舊認(rèn)知結(jié)構(gòu)間進行要素關(guān)聯(lián)、同化順應(yīng)、模型泛化等提供可能。

例如，在“探究影響感應(yīng)電流方向的因素（楞次定律）”實驗中，不僅學(xué)生不理解為何要引入“感應(yīng)電流的磁場方向”表征“感應(yīng)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(yīng)電流的方向與磁場方向間是三維關(guān)系這一事實，提出“可以通過哪些方便的途徑實現(xiàn)降維，以將二者間的方向關(guān)系轉(zhuǎn)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(jié)合“電流的磁效應(yīng)”中的情形理解，那么，學(xué)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(shù)學(xué)表達(dá)上出現(xiàn)負(fù)號的原因做鋪墊。因此，教師針對某些問題簡化方式中出現(xiàn)的關(guān)鍵癥結(jié)點進行點撥，幫助學(xué)生領(lǐng)會這些方法手段的出發(fā)點，對建模方法自身的教學(xué)而言尤為重要。

4. 幫助學(xué)生學(xué)會表征問題并掌握一般的思維方式

解決實際問題的關(guān)鍵在于確定問題到底是什么，然后正確歸類，聯(lián)系并激活已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中特定的圖式。這個圖式將引導(dǎo)個體注意相關(guān)信息，并預(yù)估解決方案的概貌。認(rèn)知結(jié)構(gòu)中不存在合適的圖式時，教師可通過引導(dǎo)啟發(fā)，幫助學(xué)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(lǐng)會建模解決陌生問題的一般方式。此外，教師需要幫助學(xué)生領(lǐng)會建模解決實際問題并不是追求“最優(yōu)的途徑”，而是獲得一個“滿意的途徑”，對結(jié)果持適當(dāng)?shù)谋ж?fù)水平，有助于學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)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(guān)注結(jié)果的數(shù)量級，學(xué)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(yīng)用”角度得出大致相近的結(jié)果，解決實際問題，而不會陷在用動能定理和用動量定理結(jié)果差一半的糾結(jié)中。

5. 圍繞近遷移和高通路遷移原則設(shè)計學(xué)習(xí)評價任務(wù)

比較相似的問題情境有利于認(rèn)知結(jié)構(gòu)的遷移。教學(xué)中教師要注意系統(tǒng)地創(chuàng)設(shè)相似的問題情境，幫助學(xué)生進行認(rèn)知結(jié)構(gòu)、思維和方法的遷移。例如，在教學(xué)初期，教師可采取“示范一個情境解決，學(xué)生練習(xí)一個相似情境，作業(yè)再布置一個相近情境進行鞏固”的方式，鞏固學(xué)生建模分析的思維路徑，并在問題解決中領(lǐng)悟物理建模分析的一般方法和要點。

經(jīng)常將舊情境中解決問題的思維方式應(yīng)用到新的情境中，能促進學(xué)生類比遷移能力的發(fā)展。而經(jīng)常有意識地將在某一情境下習(xí)得的抽象知識和經(jīng)驗運用到新的情境中，則有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。在教學(xué)后期，單純的近遷移學(xué)習(xí)任務(wù)已經(jīng)難以適應(yīng)學(xué)生建模能力發(fā)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(xué)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(fā)生的（即“遠(yuǎn)遷移”），一味地反復(fù)練習(xí)某一類型的問題情境解決也不利于創(chuàng)造力的發(fā)展（即“低通路遷移”），在設(shè)計評價任務(wù)時都應(yīng)避免。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（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(dāng)代教育心理學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.

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

（作者單位：北京師范大學(xué)附屬中學(xué)）

責(zé)任編輯：胡玉敏