基于“標準”和認知心理框架下的物理概念課教學設計

高翔++劉新娟

基于標準和學生認知心理框架下的教學設計是指在課程標準的指導下，分析學生已有的認知基礎，尊重學生的學習興趣和認知發展點，以激發學習勝任力為目標，通過多樣化的教學方式與手段，逐步推進學習目標達成的一個互動性學習過程. 在此過程中，應依據學的情況不斷調整教的行為，使之不斷適應學的行為，它是以推進成功的感受閾為目標，不斷促進學習者自主和有效建構的過程，它是合作背景下的協作性學習.

依據課程標準和學生認知心理，確定適合的學習目標是教學設計的前提，在目標的導引下通過對學習資源的有效整合，形成適合學習對象有效建構的學習目標，每一個目標對應確定的學習內容，每一個內容對應適合的學習方式和學習資源，通過任務驅動的方式推進思維的深刻發展，以此增進體驗性探究，真實洞悉認知對象的內涵.在促進認知建構的同時不斷領悟承載的學科方法，促進學科能力的發展，并取得發展意向的提高，這就是基于標準和認知心理有效建構的教學設計.

《電容器的電容》是高中物理基于器件講述物理概念的課節，它也是基于探究形成物理概念的課節.如何形成可操作、可測量的學習目標，在學習目標的導引下對教材怎樣進行“加減法”，如何實施有效探究，學習目標導引下的教學過程如何最優化，教學評價如何與學習目標呼應，基于該課節的教學實踐闡述如下.

一、電容在不同教學模塊“課程標準”中存在的形式與價值分析

電容器的電容在高中物理教材中先后在三個教學模塊的五個教學單元中出現.分布如表1.

從表1可以看出，電容器的電容在高中物理不同教學單元、在不同學習階段，學習目標呈現如下的遞進關系.

（1）起始階段是認識電容器，了解電容器充放電的特點，通過“電熔焊”認識電容器是儲存能量的元器件.教學目標為認識這一層次要求；

（2）認識和分析含容電路的結構特征，理解“等電勢法”分析含容電路，知道電容器在穩恒直流電路中起隔斷直流的效果.教學要求屬于應用層次，是認知目標的深化；

（3）通過實驗探究了解交變電流能通過電容器，在“隔直流”的基礎上深化“通交流，且隨交流電頻率的變化容抗減小”這一認識.它是深化認識電容器充放電的課節；

（4）綜合運用電容器決定式C=分析實際電路，理解因電容變化導致非電學物理量改變，從而達到控制電路物理量分配的效果.是對第一層次目標深化理解的課節；

（5）通過電磁振蕩實驗的探究，感知通過電容器的充放電和電感線圈中電流的變化實現電場能和磁場能的相互轉化，進一步認識電荷與電場能對應，電磁波的頻率是由電容和電感共同來決定，是對“通交流”學習目標深化性理解的課節；

（6）發展性目標.主要是基于學生個性化需求，在研發開設的校本課程中通過電子線路的介紹和操作性實驗，認識電容器可以實現旁路、耦合、濾波、振蕩、相移以及波形變換等特性.這些校本課程的開設無疑深化了對電容器充放電特性的理解.

從上述遞進學習目標的要求看，學習方式上是從體驗性實驗探究到邏輯推理，層層遞進，深化對電容器功能的認識.只有完成上述環節的學習，學生才能對電容器的電容有清晰而全面的理解.因此說有效教學的前提就是從系統的角度上解析“內容標準”，既要尊重學科自身的邏輯，又要分析學生的認知心理，診斷學生的已有認知.

二、生本化學習目標的制定

制定學習目標要從學段的視角審視該內容對應的“內容標準”在各教學模塊的地位，分析它在各教學單元中的角色.分析“內容標準”形成課節學習目標，要從兩個角度出發，一是有效解讀教材，形成師本化理解的課程，從學段的角度對該認知的角色進行厘定，解構該課節中的結構，分析課節內在的邏輯關系，明晰編寫的意圖；其次要從學生的經驗世界出發，從形成該認知需要的鋪墊性知識和生活經驗的視角分析，這樣制定的學習目標才會真實地貼近學生，學習目標才會在課堂上真實地實踐，這是形成生本化學習目標的前提.

《普通高中物理課程標準》對“電場”中的《電容器的電容》作了如下闡述：“觀察常見的電容器的構造，了解電容器的電容.舉例說明電容器在技術中的應用.”從認知發展角度看這是學習電容器初始階段內容標準的要求.對電容器元器件的認識需要經歷如下發展階段.

初級階段是認識電容器，了解電容器的結構，知道電容器是儲存電荷的“容器”，為此“課程標準”的“活動建議”指出“使用閃光燈照相.查閱資料，了解電容器在照相機閃光燈中的作用”.通過行為操作來體驗和感受電容器的作用，體驗電容器是通過充電和放電達到電能儲存和釋放的元器件，它與我們的生活息息相關.初始階段學習目標表述為：

（1）通過對具體電容器實物的觀察，認識各種類型電容器的用途和電容器的結構，知道電容器是由金屬極板和中間絕緣的電介質組成；

（2）通過實驗探究了解電容器充放電的特征，深化理解電容器的功能；

（3）理解電容的概念及定義方法，掌握電容的定義公式C=、單位C=，并學會用定義式進行簡單地計算，理解Q-U函數圖像的意義；

（4）通過實驗探究了解影響平行板電容大小的因素，了解平行板電容器的電容公式.

基于標準的教學是指如何把課程目標轉化為具體的學習目標，學習目標與什么具體的教學內容相對應，目標的表述才能具體，具有可操作性和可檢測與可評估性.

三、學習目標關照下的教學過程最優化部分環節的設計

教學過程最優化的第一個環節是探究電容器充放電的特征，有以下四種方式.

第一種是以視頻動畫的形式呈現，這是模擬性的實驗，動畫設計得再好也是作秀的實驗演示而不是體驗性的探究.它只是為追求課堂認知點學習高效，以認知學習為唯一目標的教學，遠離了“以物究理”的學科特征，是無效的教學.

第二種是以演示實驗為主導的機械性探究.通過演示實驗增強了電容器充放電實驗，有效形成了表象，但它忽視了學生真實的體驗性探究.學生的觀察是基于教師操作而非學生真切感受到的體驗，問題是外在加給的而非源于自我的追問.對充放電的機理有一定的認識，但這種認識是被動接受性質的“授導型”學習而非自主學習.endprint

第三種是基于體驗為目標的探究性學習.讓學生進入探究實驗室，介紹電路結構后引導學生進行實驗探究，明確觀察對象是靈敏電流表的示數變化，并根據這一情況實施分析.這種設計的目的是想通過實驗現象引發對現象有意識觀察和對具體細節的追問，以此促進自主學習與合作探究真實的發生，凸顯了學習的主體地位.在開放的環境下通過具體的實驗操作來真切感受充放電這一現象，對現象的求解是自主學習的發端.當然對教材提供的實驗電路進行必要的改造是實施真實實驗的重要方式，直接指出電阻的目的是為了保護電路，防止充放電電流過大而損壞電源，如圖1所示.

在具體的教學中，我們往往用發光二極管來替代電流表，即在電流表處采取并聯一紅一藍的發光二極管來顯示正向充電和逆向放電時有無電流這一現象.

第四種層次的教學是將傳統的實驗探究和教材“做一做”中的“用傳感器觀察電容器的放電過程”相結合，為提高課堂教學的效率，我們對鄰近探究實驗小組進行分工，一組用操作性的實驗器材，另一組采取電流傳感器通過計算機觀察來呈現，如圖2所示.

這一做法的目的是用傳統的電容器充放電實驗進行體驗性探究，而采取“用電流傳感器觀察電容器的放電過程”用于佐證和檢驗，引發學生對電容器充放電機理的思考，真切把握電容器充放電只是電源上積累的電荷向電容器兩個極板的轉移，不像其他電源那樣電路處于導通狀態，實現電中和，這是深化理解充放電的必經階段.

從實際教學后的訪談和教學成效的比對性分析看，以教師為主導學生為探究主體的探究性教學易于有效形成認知，教師授導為主的演示性實驗盡管節約教學時間，有利于問題的定向研究，實驗過程有序且能遞進性地形成實驗結論，但“提出問題”“猜想與假設”“制定計劃與設計實驗”和“進行實驗與收集證據”都是教師包辦，沒有學生真實參與的教學只是教師實驗的展示而非學習行為.盡管有“分析和論證”，但這種分析要么是教師基于實驗直接講述的，要么是在教師主導下對具體問題的師生問答，而不是基于學生眼中的物理現象對問題追根究源的任務驅動，是被動性的學習.

教學過程最優化的第二個環節處理表現在對“研究影響平行板電容器電容大小的因素”探究性教學的設計上.通過實驗探究來研究影響平行板電容器電容大小的因素，是形成電容器電容決定式C=的最佳方式，是本課節的教學重點.要注重探究教學的如下環節設計.

（1）“提出問題”.通過與容器容積的類比提出影響平行板電容器電容大小的決定性因素，這是基于學生的生活經驗，在尊重學科知識特性的前提下實施的類比性教學，這有助于猜想的目標集中.實驗探究并不是在無序的狀態下、散亂狀態下的猜想.

（2）“猜想與假設”.能從類比的角度猜想出影響電容大小的因素有平行板正對面積和板間距，但對于極板之間介質的種類，由于容器容積大小的決定因素中沒有這一對應量，學生在猜想時必定會缺失.教學的有效性是體現在通過什么樣的方式讓學生能形成“與介質種類有關”這一猜想.從教后反思看，對電容器極板間絕緣介質的作用、極板間的電場引發介質的極化從而形成電容器儲存電荷這一事實必須給予必要的解釋，才能形成“絕緣介質的種類決定了電容器耐壓值的高度”，而耐壓值的高低是由電容器儲存的電量而形成的，由此形成“電容還與極板之間介質的種類”有關這一事實的認識，最終形成有效的猜想和假設.

（3）“制定計劃與設計實驗”、“進行實驗與搜集數據”和“分析與評估”.該實驗是在明晰的探究目的下，基于多變量必須事實控制變量法下的有序探究，為此實驗方法和實驗器材的介紹、實驗變量及其控制方法，明確有序的因變量和誰為主導的自變量就成為事實有效探究的關鍵.具體教學中要強化如下環節的教學.

①靜電計的結構和測量原理.

②實驗條件的控制.探究的對象是已充電的平行板電容器，在不漏電的前提下保證兩極板的電量不變這一前提.同時要指出實驗要盡快實施，減小因空氣漏電帶來的偏差.

③有序探究.列表法突出實驗控制的變量和研究的問題，突出物理現象與邏輯論證的關系，這是有效形成實驗結論的關鍵，為此基于下列表格的探究是實踐有效教學的重要設計：

為降低認知困難，教材并沒有采取多數據測量描點法作圖，通過測繪圖像的斜率來確定函數成立的關系式，而是采取不完全歸納的方式直接給出“理論分析表明，當平行板電容器的兩極板間是真空時，電容C與極板的正對面積S、極板距離d的關系為C=，式中k為靜電力常量.”從真空到介質過度，最終給出C=決定式.

除此之外，基于標準和認知心理有效建構的教學前預設還應體現在對學習評價的設計上.從“學以致用”的角度審視該課節的學習目標，我們就應當定位在“學生能否從具體的生活場景中識別、辨認和初步說出這種電容器的用途”、“電容的定義式和決定式的理解”“電容器充放電的理解”這三個學習目標上.這樣目標先于設計，目標導引下對學習資源的優化與整合，通過有效的任務驅動推進學習進程的發展，以多樣化的學習方式為手段，評價鑲嵌于教與學的各個環節，教學才富有真實的效度，探究才能真正成為自主學習的實踐方式.

綜上，基于標準和認知心理教學設計的前提是真實理解課程標準的內涵，有效分析學生的已有認知和生活概念，在尊重學科邏輯的前提下確立適合學習對象的學習目標.要用目標關照教學過程所有環節的設計，切實實現教為學服務、資源與手段適切學生認知發展的設計目的，這才是真實有效的教學設計.endprint