基于原型啟發的物理概念教學策略初探

段玉文

(上海市嘉定區第二中學，上海 201802)

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基于原型啟發的物理概念教學策略初探

段玉文

(上海市嘉定區第二中學，上海 201802)

原型啟發教學策略就是通過理解掌握問題的原型得到問題表征．物理概念建構的原型選擇應遵循相似程度原則、熟悉程度原則、“集體無意識”程度原則．原型啟發包括3個教學階段:原型學習階段、原型啟發下的非原型學習階段和概念鞏固階段．原型特征屬性的掌握程度是整個教學過程的重點,原型表征的清晰建構是物理概念學習的關鍵．

物理概念;原型啟發;教學策略

人們首先是通過原型認識事物,然后將一些與原型具有一些差異的事物歸類認識,這就是所謂的“原型啟發”．概念主要是以原型即它的最佳實例表征出來的,我們主要是從能最好地說明一個概念的實例來理解該概念,在概念構建時應先選擇理想的原型．原型啟發教學策略,就是通過理解掌握問題的原型得到問題表征．下面結合“單擺”概念的教學實例,針對原型啟發策略在物理概念教學中的應用進行分析．

1 原型的選擇原則

在概念教學過程中概念的構建是最為關鍵的過程,選擇什么樣的原型構建概念,對物理基本概念教學十分重要．原型選擇不合適或錯誤,將使學生在概念構建過程中產生困難或完全不能構建起概念．概念構建過程中原型的選擇應遵循以下一些原則．

1.1 相似程度原則

相似程度原則,即選擇的原型應該與所要解決的問題有相似的特征．從本質上說,原型之所以具有啟發作用,主要是因為這一事物本身的屬性和特點與所要學習的東西有相似之處,因而要選擇最能體現概念內涵的“原型”．原型啟發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,范疇內的其他成員是不宜用于構建概念的．例如,有些教師教“單擺”概念時,用了鐘擺作為構建單擺概念的原型,鐘擺實際上是一個復合擺,這個原型就不適用于構建單擺概念,只有在學生學習了單擺概念后,再來理解鐘擺的原理才有效．

1.2 熟悉程度原則

原型應該是學生已經熟悉的事物,不熟悉的事物對學生是沒有啟發性的,學生不熟悉的原型很難讓學生從教學需要的認知角度去認識概念．例如,我們對所有的學生都用同樣的原型,然而不同地域的學生其經歷不同,可能對這個原型基本沒有了解,或是根本不了解,這樣的原型也就沒有任何啟發意義．原型啟發是對同類事物進行全面理解掌握的過程,對于原型達到內化的概念,是可以用來認識其同類事物的．原型啟發是建立在好的、清楚的樣本之上,然后將其他實體根據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,當利用原型構建起清晰的“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”等歸到一起認識,是一個難度較低的學習過程．

1.3 “集體無意識”程度原則

“集體無意識”是由普遍的和反復發生的心理內容所構成,并非個體的,而是所有人行動中普遍所具有的內容和模式．原型的外在表現是象征,是集體無意識．對于原型的理解應該達到“集體無意識”程度．例如,人們的思維過程開始是以實物進行的,而隨著知識的發展,思維隨之發展,后來學習過程中其意識與原型就無關了,而與概念有關．概念的建立是需要原型的,當概念建立起來后,在其他學習過程中是用概念進行思維,而不是用原型進行思維的,也就是說在學習過程中涉及到某一事物時,并不需要看到具體的事物,這種事物是用概念代替的．如“簡諧運動”概念的學習是以彈簧振子、單擺等一類機械振動原型進行的,而在簡諧運動概念掌握以后,一旦涉及到簡諧運動就應該知道簡諧運動是什么樣子,有什么性質,因此根本無需看到實際的振動形式．對概念理解不清楚學習不會有效,對概念理解清楚但沒有達到集體無意識狀態,學習也會產生困難,但學習可以發生．對于聽不懂課的現象,很多情況下是學生對概念理解不清楚,也就是對原型沒有掌握,或是對原型的理解沒有達到“集體無意識”狀態．

2 原型啟發的教學流程

原型啟發策略指導的物理概念教學分為3個階段,即原型學習階段、原型啟發下的非原型的學習階段和概念鞏固階段．只是在課堂教學中,各概念的原型屬性的學習需要逐步完成,會使這3個階段的學習界限表面看起來不清晰,但這3個階段其實是一直貫穿在教學過程中的．在下面“單擺”概念的實例分析中,雖然界限有些隱形,但還是力爭將原型啟發的精髓滲透到教學設計和實際教學中去．

2.1 原型學習階段

原型啟發強調構建概念是需要原型的,在建構概念中,原型的學習能幫助學生克服由于看不見而導致的學習困難．雖然學生肉眼看不見,但是它們確實是存在的,釆取合適的方式也是可以讓學生“看得見的”．如照片、模型、生活中的現象感知等．原型啟發策略認為人們最初的思維是從實物開始的,這樣我們在學生“看到”的基礎上來建構概念．

例如,“單擺”概念的建構其原型為:用細線懸掛著小球,如果細線的質量與小球質量相比可以忽略,球的直徑與線的長度相比也可以忽略,這樣的裝置就叫做單擺．根據文字敘述,結合觀察實物原型,學生簡化為清晰地理想模型:在一根沒有質量且長度不變的細線下懸掛一個質點,該質點在重力的作用下做微小振動．學生先熟悉“單擺”的形貌和結構,然后在頭腦中清晰建構模型,最后再學習單擺的周期公式．

例1.把單擺的振動看作是簡諧運動,需要滿足的條件是

(A) 擺球體積要大.

(B) 擺線要粗而結實.

(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長的擺線連接一個直徑2cm的鐵球組成,關于單擺周期,以下說法正確的是

(A) 擺角從5°改為3°,單擺的周期會變小.

(B) 用等質量木球替代鐵球,單擺的周期不變.

(C) 用等質量的銅球替代鐵球,單擺的周期變小.

(D) 將單擺從上海移到北京,單擺的周期會變大.

答案： (C).

“原型”的掌握程度直接關系到后兩個階段的學習情況,通過單擺原型的特征屬性學習來掌握單擺的概念以及單擺的周期公式,可以降低學生對概念的理解難度．在教學中通過有關練習,強化原型的學習,后兩個階段的學習的難度就會大大降低,學習速度也會明顯提高．

2.2 原型啟發下的非原型的學習階段

人們首先是通過原型認識事物,然后將一些與原型具有一些差異的事物歸類認識,原型成員和非原型成員不一定完全相似,但在一些本質上是相似的．原型啟發的實質就是人們在解釋某種現象時,將屬于這類現象的某個個體視為原型,在對這個原型總體特征認識不變的情況下,把握這類現象的其他個體．

原型學習階段后,接著以認識原型的方式啟發學生認識其他非原型成員,而在此過程中,最為關鍵的一點在于學生對原型的理解程度．原型的特征屬性是一個逐步被認識的過程,所以在非原型的學習階段過程中,要把對原型特征屬性的進一步理解作為認知的重點,原型特征屬性掌握得越好,概念也就掌握得越好,因為原型是表征概念的最佳實例,在教學過程中,一定要把握這個原則．

例如,在單擺概念表征之后,再擴展到其他實例,如雙線擺等非原型成員的思維的建構．同樣值得注意的是,“單擺”的表征是關鍵的部分,這決定著學生物理學科思維的發展．

例3.如圖1(a)所示是一雙線擺,雙線擺較之單擺有一個明顯的優點,它不像單擺那樣,稍不小心就會在水平面上做圓錐擺運動,它是用兩根等長的細線懸掛一小球構成的．圖中的L和θ為已知量,當小球垂直于紙面做簡諧運動時,周期為多大?如果把雙線擺打一個結,如圖1(b)所示,若L1、L2、α均已知,當小球垂直于紙面做簡諧運動,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,B、C為可視為質點的兩小球,將B球放在A點正上方h處,將C球放在離A點很近的軌道上,同時由靜止釋放B、C兩球(忽略空氣阻力)．當B球下落到A點時恰好與C球相遇,h的最小值應為__________;將C球向A點移動至原AC弧的中點,再次同時釋放兩球,仍當B球下落到A點時恰好與C球相遇,h的最小值將____________(選填“減小”、“不變”或“增大”)．

原型啟發策略認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位置上并具有不同的概念范疇隸度．通過上述有關練習,學生在學習其他非原型成員時,加深對“單擺”原型特征屬性的理解,使概念的表征在頭腦中達到一定的熟練程度,或是形成了清晰的心理圖式,對概念的拓展應用會起到無意識的啟發作用,從而降低學習的難度,提高學習效率．

2.3 概念的鞏固階段

概念教學最后階段是進行概念的鞏固,通過概念的應用教學,促進學生對概念屬性的掌握．例如,讓學生利用單擺公式測定重力加速度,通過實驗利用T2-l圖像測出重力加速度,以及分析擺鐘從地球表面一個位置搬到另一個位置,如何校準等問題的分析解決,促使學生對單擺概念達到“集體無意識”的程度．

例5.用單擺測定重力加速度的實驗中，

(1) (多選題)應選用下列器材中的

(A) 半徑1 cm的木球.

(B) 半徑1 cm的實心鋼球.

(C) 1 m左右的細線.

(D) 30 cm左右的細線.

(E) 秒表、三角板、米尺.

(2) 若在某次實驗中,測得細線的長度為l、擺球直徑為D、單擺完成N次全振動的時間為t,則利用上述量求重力加速度g的表達式為_______．

圖3

例6.用單擺測重力加速度的實驗中,組裝單擺時,在擺線上端的懸點處,用一塊開有狹縫的橡皮夾牢擺線,再用鐵架臺的鐵夾將橡皮夾緊，如圖3所示．

(1) (單選)這樣做的目的是

(A) 保證擺動過程中擺長不變.

(B) 可使周期測量得更加準確.

(C) 使擺長不可調節.

(D) 保證擺球在同一豎直平面內擺動.

(2) (單選)圖4所示振動圖像真實地描述了對擺長約為1 m的單擺進行周期測量的4種操作過程,圖像橫坐標原點表示計時開始,ABCD均為30次全振動的圖像,已知sin5°=0.087,sin15°=0.26,這4種操作過程合乎實驗要求且誤差最小的是

圖4

圖5

(3) 某小組發現單擺靜止時擺球重心在球心的正下方,但仍將懸點到球心的距離當成擺長L,通過改變擺線長度,測得6組L和對應的周期T,畫出圖像L-T2,選取A、B兩點,坐標如圖5，則重力加速度的表達式g=________,此結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,此時為了讓秒擺保持周期2s不變,則需要________(“增長”,“減短”)擺長．

答案： 2(n+1),減短.

在上述單擺概念建構的3個階段中,原型的特征屬性的掌握程度是整個教學過程的重點,原型表征的清晰建構是物理概念學習的關鍵．原型的特征屬性的學習是一個逐步完成的過程,原型特征屬性掌握得越熟練,最好能達到集體無意識的程度,原型啟發下的非原型成員的學習就會越容易,概念就掌握得越牢靠和清晰．例如,提到單擺,人們頭腦浮現出細線下拴一個鐵球,繞懸點擺動的原型;提到單擺的等時性,人們聯想起伽利略在教堂里對擺動的吊燈的觀察情景;提到單擺的周期公式,人們回憶起來的是利用控制變量法研究影響單擺周期因素的實驗;提到單擺等時性的應用,人們腦海中呈現的是擺鐘的畫面;提到單擺周期公式的應用,回憶起來的是利用數學公式或是圖像法測重力加速度……每一個物理概念都與一個曾被不斷強化的表征原型相對應,每一條物理規律都與一個物理過程的動態表征原型相聯系,每一種研究方法都與一種具體的操作(動筆計算、動手實驗)原型相銜接．選擇科學的、合理的教學方式,可以降低知識本身的難度,幫助學生更加輕松地學習,并教會他們學會學習．

綜上所述,利用原型啟發策略指導物理概念的構建以及概念拓展的教學設計,對于物理教學有積極的指導意義．原型啟發能夠幫助學生克服對物理概念難于把握的恐懼感,以認識宏觀事物的思維來認識它們,也與高中學生逐步由形象思維向抽象思維過渡的思維特征相吻合．原型成員的表征達到了“集體無意識”的程度,其他非原型成員表征的形成就會在學生無意識的狀態下完成了,便自然而然地能克服物理概念過于繁多、難記和抽象等特點而形成的學習障礙,在很大程度上降低了物理概念學習的難度,幫助學生在輕松的氛圍中建立清晰的表征形式和物理學科思維,從而提高學生的物理學習興趣、信心、能力和物理成績．

1 陳剛等著.自然學科學習與教學設計[M].上海:上海教育出版社,2005.

2 鄧鑄.問題解決中對問題的外部表征和內部表征[J].心理學動態,2001,9(3):193-200.

3 莫雷,吳思娜.不同概化的問題原型對問題歸類和解決的影響[J].心理學報,2001,33(5):416-424.

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本文系全國教育科學“十二五”規劃教育部重點課題“培養中學生物理語言表征問題能力的實踐研究”(課題批準號:DHA140323)的階段性研究成果．

2016-12-08)