基于心智模型發(fā)展的進階教學

王蕾 周麗萍

[摘 要]學習進階理論強調(diào)學生對核心概念理解的邏輯性和整體性，教學應(yīng)遵循從簡單到復(fù)雜、由形象到抽象的認知發(fā)展規(guī)律。心智模型理論強調(diào)學生對外部經(jīng)驗世界的自我加工和表征，側(cè)重于展現(xiàn)各要素之間相互作用和持續(xù)修正的過程，進而逐步形成科學化模型。文章在結(jié)合學生心智模型發(fā)展的基礎(chǔ)上，將學習進階理論應(yīng)用于“向心力”概念教學，提升學生的思維能力，以實現(xiàn)由心智模型到科學模型的進階。

[關(guān)鍵詞]學習進階;心智模型;向心力;概念教學

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）14-0041-04

物理概念是對物理現(xiàn)象的本質(zhì)屬性和共同特征的抽象概括，學生基于先前認知水平，通過觀察分析物理過程、抽取本質(zhì)影響因素，進行定性定量的推理和檢驗，最終形成符合事實的“概念模型”。教師在教學準備時多偏重學科知識的層次架構(gòu)，在教學過程中多關(guān)注學生形成概念模型的正確性，而未全面兼顧學生內(nèi)化概念時頭腦中自我理解的轉(zhuǎn)變，忽視整體教學需要的思維引導(dǎo)和銜接。也正是因為學生和教師之間缺乏“共感”，教師對學生建立模型過程的內(nèi)在表征和動態(tài)認知不甚清楚，若教師無法及時回應(yīng)學生的反饋，學生也就無法建立起清晰完整的物理模型。

建構(gòu)主義強調(diào)，學習是以原有經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對新舊經(jīng)驗進行反復(fù)的意義建構(gòu)，自主將新知識融合到自身認知結(jié)構(gòu)中。學生在不同階段表現(xiàn)出的心智模型各有差異，因此運用學習進階理論規(guī)劃整體教學活動時，教師要以學生的心智模型發(fā)展規(guī)律為依據(jù)，關(guān)注學生的動態(tài)建模過程，順勢給予思維指引，確保每一層次的進階深化都有助于學生完善自身的科學模型。將學習進階的階點設(shè)計與學生心智模型表征狀態(tài)相結(jié)合，既圍繞核心概念逐級進行深化，又貼合學生的主觀理解，使物理課程成為組織化的有機整體。本文將基于學生的心智模型發(fā)展規(guī)律，對“向心力”的概念教學進行進階設(shè)計，以提升學生的科學思維能力。

一、理論簡介

（一）心智模型

心智模型最先由肯尼斯·克雷格（Kenneth Craik）提出，是指個體對真實世界構(gòu)建的 “小型模型”[1]。美國在2012年頒布《K-12科學教育的框架：實踐，跨學科概念與核心概念》中，強調(diào)了心智模型在學科概念中的作用，并將其寫入課程文件[2]。心智模型是個體經(jīng)驗與外在情境的交互，是對事物形成內(nèi)在認識的結(jié)果，它在一定程度上展現(xiàn)了個體解釋事物的思維細節(jié)。學生通過觀察和感知建立的初始模型可能是基于經(jīng)驗建立的缺陷模型，不可避免會出現(xiàn)非科學化的特征，關(guān)于核心概念的知識掌握處于碎片化狀態(tài)。心智模型是學生主觀建立起來的，個體面對客觀復(fù)雜的物理情境時，需要抽取反映事物或現(xiàn)象的本質(zhì)因素和參數(shù)，修正原先存在缺陷的模型，并不斷調(diào)用進階后的心智模型解釋、驗證和預(yù)測新情境，最終將心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)固化的科學模型。學生建模的過程體現(xiàn)了學生思維加工的方式，對物理概念、規(guī)律、現(xiàn)象、公式等的理解都需要心智模型參與，學生外顯的心智模型是教師動態(tài)調(diào)整教學策略的依據(jù)。

（二）學習進階

美國國家理事會（NRC）認為，學習進階是“在學生探究某一知識領(lǐng)域時，對學生產(chǎn)生的連貫且逐級深化的思考認識的描述”[3]。郭玉英團隊圍繞此開展了系列研究，認為需要提供“階”來支撐學生對核心概念的理解，設(shè)計教學路徑要為學生架設(shè)認知點，根據(jù)學生原有知識經(jīng)驗和思維水平確定進階起點，根據(jù)教學目標和核心素養(yǎng)預(yù)設(shè)進階目標，以學生認知發(fā)展關(guān)鍵點為依托劃分進階層級，確定概念理解銜接的“階點”[4]。物理知識復(fù)雜度的提高對學生知識整合能力提出了更高的要求，將學習進階理論應(yīng)用到概念教學設(shè)計和實踐中，有助于學生對概念建立結(jié)構(gòu)化理解，促進學生心智模型的層級發(fā)展，進一步實現(xiàn)教學路徑與學習軌跡結(jié)合。教師在學習進階理論框架下，根據(jù)學生的心智模型發(fā)展規(guī)律判斷進階“錨點”，規(guī)劃進階教學的范式，讓學生主動科學化心智模型，建構(gòu)自己對概念的理解。

二、關(guān)于“向心力”概念的學習進階分析

進階教學首先要判斷學生的預(yù)備知識和能力水平，“向心力”一節(jié)是牛頓第二定律在曲線運動中的應(yīng)用，體現(xiàn)勻速圓周運動的動力學特征，對學生的理解能力和分析綜合能力要求較高。在學習向心力之前，學生頭腦中已經(jīng)存在有關(guān)勻速圓周運動的情境實例，并能根據(jù)物體的運動狀態(tài)進行受力分析，能夠應(yīng)用牛頓第二定律建立映射關(guān)系，同時學生已經(jīng)了解勻速圓周運動中各特征參量的物理意義。但各個知識點在學生頭腦中處于分離狀態(tài)，學生對勻速圓周運動的認識仍處于初級階段。

教師圍繞“運動與相互作用觀”的核心理念展開教學活動，通過創(chuàng)設(shè)情境、提出問題引導(dǎo)學生建構(gòu)完整的概念單元。在知識層面，學生達到能理解向心力概念和影響向心力大小因素的水平，可以歸納總結(jié)物體做圓周運動的性質(zhì)和條件，能運用公式對圓周運動的動力學問題進行分析求解;在能力和方法層面，學生通過收集證據(jù)、推理論證、建立模型等過程，提高分析問題和解決問題的能力。筆者根據(jù)預(yù)設(shè)的進階目標，設(shè)計如圖1所示的“向心力”教學進階框架[5]。

三、基于學生心智模型發(fā)展的“向心力”進階教學設(shè)計

為了引導(dǎo)學生將不完善的心智模型整合成體系化的科學模型，教師在教學活動中要以學生思維進階的關(guān)鍵點為依托，通過具體物理情境使學生心智模型充分外顯，積極促進學生抽象邏輯思維能力的發(fā)展，將科學方法內(nèi)化為學生自身的思維方式。本文將從以下幾個方面設(shè)計“向心力”一節(jié)的教學活動。

（一）準備起點知識，創(chuàng)設(shè)問題情境

【教師演示】教師在開口水瓶中倒入適量水，用繩子拴住水瓶，制作如圖2所示的簡易水流星裝置。實驗開始前告知學生注意觀察水瓶到達最高點時的現(xiàn)象，教師演示水流星在豎直平面內(nèi)以一定速度做圓周運動。學生發(fā)現(xiàn)開口水瓶運動到最高點時，水不會像正常倒置時一樣流下。而后教師提出引導(dǎo)性問題：在最高點，開口水瓶處于倒置狀態(tài)，水卻未流出，水所受的向下的力去哪里了？

評析：通過問題導(dǎo)向引發(fā)學生探究情境背后物理本質(zhì)的興趣，鼓勵學生帶著問題主動參與教學過程;通過創(chuàng)設(shè)情境讓學生在頭腦中建立勻速圓周運動的初始模型，推動學生繼續(xù)探究物理現(xiàn)象的本質(zhì)。

（二）建立感知模型，引導(dǎo)知識延伸

【學生活動】學生觀察小球在緊繃細線的牽引下，在玻璃平面上繞圖釘做勻速圓周運動的特點，而后用剪刀將細線剪斷，觀察小球的運動方向（如圖3）。

【問題提升】（1）若忽略小球運動時所受的阻力，分析小球所受的合力以及合力的方向。（2）剪斷細線后小球的運動方向如何？（3）小球的線速度大小和方向是什么樣的？（4）物體運動狀態(tài)改變的原因是什么？（5）合力和線速度方向成什么夾角？（6）該合力對物體做功嗎？

評析：教師為學生構(gòu)建可理解的情境框架，通過有層次的問題為學生提供思維進階的著力點，學生首先能夠利用前概念自主對物體進行受力分析，發(fā)現(xiàn)小球在細線拉力的作用下做勻速圓周運動，拉力方向指向圓心。剪斷細線后，學生發(fā)現(xiàn)小球?qū)⒀刂擖c運動的方向飛出去，即線速度方向沿著圓周運動的切線方向。向心力方向始終與速度方向保持垂直，只改變線速度方向，不改變其大小，進一步延伸到向心力不會對物體做功的深度理解。在分析過程中，學生在判斷物體的運動狀態(tài)是否發(fā)生變化時，會出現(xiàn)“線速度大小不變，即物體運動狀態(tài)不變”的迷思概念，教師可以讓學生畫出圓周軌跡上不同點的速度方向，糾正錯誤的心智模型。

（三）外顯認知沖突，修正心智模型

【學生活動】學生分析下列圓周運動實例，判斷向心力的來源，并描述實例中圓周運動的運動特征（如表1）。

評析：學生畫出物體軌道示意圖和受力示意圖展示自身的心智模型，并與其他同學交流，暴露出不完善的心智模型。學生在最初建立向心力概念時，容易產(chǎn)生“向心力是物體受到的一種力”的錯誤認識。學生通過自主辨析上述物體的受力情況，認識到向心力是由某種力提供的，而非一種實際受到的力，并能判斷出圓周運動的軌道平面、圓心位置和半徑等。教師總結(jié)向心力是按力的作用效果命名的，并強調(diào)它既可以是某幾個力的合力，也可以是某個力的分力，反映出“供”與“需”的辯證關(guān)系。

（四）建立表征模型，定性定量并行

【學生活動】學生握住拴有沙袋（沙袋質(zhì)量為[m]）且長為L的繩子，使其在水平面內(nèi)以角速度[ω]做勻速圓周運動，感受繩子拉力[F1]的大小。而后分別只改變繩子長度為[2L]，沙袋質(zhì)量為[2m]，角速度為[2ω]時，讓學生體會幾種不同情況下手握繩子的拉力。結(jié)合上述實驗活動，學生能體會向心力的大小和物體的質(zhì)量m、角速度ω、圓周運動半徑r之間的關(guān)系，感受物體質(zhì)量m越大、角速度ω越大、圓周運動半徑r越大，所需拉力越大，即向心力越大。

【教師引導(dǎo)】教師首先帶領(lǐng)學生復(fù)習舊知——牛頓第二定律的內(nèi)容，然后再次強調(diào)做勻速圓周運動的物體的運動狀態(tài)在時刻發(fā)生變化，物體始終受到一個指向圓心的力。向心力只改變速度方向而不改變速度大小。學生知道力是物體產(chǎn)生加速度的原因，進而明確物體所受指向圓心的合外力產(chǎn)生的是物體的向心加速度，滿足[F=ma]。最后教師引導(dǎo)學生理論推導(dǎo)向心力公式[F=ma=mω2r=mv2r=m2πT2r]。

評析：對向心力公式進行理論推導(dǎo)，既要求學生在知識層面理解向心力公式推導(dǎo)是牛頓第二定律應(yīng)用的延伸，又考查學生的理論推導(dǎo)能力和邏輯思維能力。基于學生對“影響向心力大小的因素”有一定主觀感受，從定性和定量兩個角度圍繞向心力加工概念，多方面完善學生關(guān)于向心力的心智模型，促使學生頭腦中的認知點發(fā)生聯(lián)系，提高學生推理概括的抽象思維能力。

（五）檢驗修正模型，深入內(nèi)化概念

理論推導(dǎo)出向心力公式后，教師引導(dǎo)學生利用向心力演示器（如圖4）探究向心力表達式，勻速搖動手柄使兩個鋼球做勻速圓周運動，鋼球運動所需的向心力由擋板對鋼球的壓力提供，鋼球?qū)醢宓姆醋饔昧κ雇仓鶋嚎s，壓縮彈簧露出紅白相間的等分標線，根據(jù)露出的等分標線可以粗略確定兩個球所受的向心力之比。依次通過更換鋼球改變m、通過更改皮帶的塔輪半徑改變ω、通過更改鋼球槽位改變r，并保持其他物理量不變，學生分組合作，分別探究各因素對向心力大小的影響[6]。

評析：學生參與實驗探究活動，通過觀察、測量、記錄數(shù)據(jù)等實驗操作，為先前的結(jié)論推導(dǎo)提供事實支撐;學生調(diào)用心智模型進行驗證，主動接納經(jīng)過實踐檢驗的概念，同時采用控制變量法自主實驗。

（六）整合相關(guān)特性，構(gòu)建概念體系

教師要求學生對學過的勻速圓周運動的相關(guān)特點進行歸納，學生總結(jié)出：①勻速圓周運動中線速度大小不變，方向時刻改變;②勻速圓周運動中角速度、周期、頻率都保持不變;③勻速圓周運動中向心加速度和向心力大小都不變，方向時刻改變。而后教師通過反向設(shè)問“質(zhì)點做勻速圓周運動的條件是什么？”，考查學生是否理解：當質(zhì)點在受到大小不變、方向始終垂直速度方向且指向圓心的合外力時，物體會做勻速圓周運動，只存在向心加速度。

評析：學生經(jīng)歷感知體驗、質(zhì)疑驗證、推理分析等思維過程后，對向心力的概念具有相對完整的認知。教師以勻速圓周運動作為認知結(jié)構(gòu)的固化點，由學生填補勻速圓周運動的各物理量特點、性質(zhì)以及物體做勻速圓周運動的條件，綜合線速度、角速度、周期、頻率、向心加速度、向心力等因素構(gòu)建勻速圓周運動的框架體系，將零碎分離的知識狀態(tài)聯(lián)結(jié)為有序分層的整體，將原先模糊有缺陷的心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W化的模型。

（七）應(yīng)用科學模型，全面提升能力

【趣味活動】（1）提供一個高腳杯和塑料小球，如何在手不碰觸小球的前提下，將小球移到高腳杯中？（2）如何在只能握住塑料管的前提下，用1克的乒乓球提起10克的砝碼？（如圖5）

【問題解答】針對上述問題情境，列出向心力滿足的公式。

評析：學生需要對真實的物理情境抽象建模，才能列出研究對象滿足的向心力公式。通過趣味活動，學生會利用自己對向心力的理解來解釋物理現(xiàn)象和解決實際問題，并運用科學的思維能力進行推理分析，進而深入探求本質(zhì)，不斷遷移反思，形成正確的物理觀念。

四、結(jié)論

“向心力”的進階教學安排，以進階學習理論為指導(dǎo)，分層遞進引導(dǎo)學生自主內(nèi)化科學方法，以現(xiàn)象和實驗為依據(jù)，幫助學生將知識和經(jīng)驗聯(lián)系起來，逐步建立科學的概念體系。在此過程中，教師時刻關(guān)注學生在內(nèi)化概念時可能出現(xiàn)的理解誤區(qū)，通過調(diào)動學生主動參與，鼓勵學生親自參與科學探究，修正不完善的心智模型。主觀感知和實驗探究相結(jié)合，定性分析和定量分析相結(jié)合，使學生在構(gòu)建概念的過程中提升邏輯推導(dǎo)、自我反思的能力。在整合應(yīng)用環(huán)節(jié)，使學生歸納頭腦中的相關(guān)知識，整合形成全面的概念體系，面對新的情境能夠準確調(diào)用模型解釋、解決問題，從而提高學生的遷移應(yīng)用能力。

教師在進行概念教學時，要基于學生本身的進階起點，包括能力和認知兩層面。學生在進階提升的過程中，教師要重視學生的親身體驗和自主探究。學生在接納新知識的過程中，需要反復(fù)應(yīng)用、調(diào)整心智模型，同時還要得到教師對其錯誤認知的指導(dǎo)與糾正，只有這樣，學生才能逐漸習得科學的思維方法，并將這些方法應(yīng)用到未來的學習實踐中去，提升物理學科核心素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 呂曉俊.心智模型的闡釋：結(jié)構(gòu)、過程與影響[M].上海：人民出版社，2007：3-7.

[2]? 張靜，徐大海.中美大學生靜電學心智模型的比較研究[J].長江大學學報（自然版），2014（28）：127-129.

[3]? 姜連國，郭玉英.基于物理建模的學習進階及其指導(dǎo)策略[J].物理教師，2016（8）：2-6.

[4]? 翟小銘，郭玉英，李敏.構(gòu)建學習進階：本質(zhì)問題與教學實踐策略[J].教育科學，2015（2）：47-51.

[5]? 袁勇，付民，羅瑩.基于培養(yǎng)與提升科學建模能力的教學設(shè)計研究：以“洛倫茲力”一節(jié)課為例[J].物理教師，2019（9）：21-26，30.

[6]? 谷大賢，孫錦如，韓玖榮， 等.教師在勻速圓周運動的向心力教學中呈現(xiàn)的PCK[J].物理通報，2017（2）：123-126.

（責任編輯 易志毅）