變構(gòu)學(xué)習(xí)模型在物理跨學(xué)科實(shí)踐中的應(yīng)用

摘 要：近幾年涌現(xiàn)的跨學(xué)科研究文獻(xiàn)中，鮮有“物理學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用”案例。通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的分析發(fā)現(xiàn)“變構(gòu)學(xué)習(xí)模型”能較好地彌合學(xué)生在信息技術(shù)與物理學(xué)之間的認(rèn)知鴻溝，解構(gòu)既有認(rèn)知，煉制全新概念。以貼近學(xué)生生活的“體驗(yàn)授時(shí)服務(wù)”跨學(xué)科實(shí)踐為例，學(xué)生通過兩項(xiàng)具體實(shí)踐任務(wù)，解構(gòu)了對(duì)信息傳遞技術(shù)的片面認(rèn)知，初步建構(gòu)了信息技術(shù)與物理學(xué)緊密結(jié)合的觀念。

關(guān)鍵詞：變構(gòu)模型；跨學(xué)科實(shí)踐；物理學(xué)與信息技術(shù)；授時(shí)服務(wù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）7-0090-6

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的一級(jí)主題“跨學(xué)科實(shí)踐”下，共有9個(gè)三級(jí)主題［1］，其中“5.2.3 了解物理學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用”鮮有研究和實(shí)踐。物理學(xué)為信息技術(shù)提供了從信息錄入到傳輸和存儲(chǔ)的底層理論基礎(chǔ)和硬件架構(gòu)，但這些內(nèi)容難以讓初中生了解。如果生搬硬套課標(biāo)活動(dòng)建議：“查閱資料，了解物理學(xué)對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)”［1］，又過于寬泛且實(shí)踐性不足。因而，如何將課標(biāo)活動(dòng)建議具體化、生活化，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”“用中學(xué)”就成了一個(gè)重要的課題。

1 學(xué)習(xí)模型

初中生既有的原初概念與課標(biāo)5.2.3對(duì)應(yīng)的活動(dòng)目標(biāo)具有一定的距離。課前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生將信息技術(shù)窄化為網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，他們?cè)u(píng)估信息可靠性的意識(shí)不足，不關(guān)心信息錄入、傳輸和存儲(chǔ)的物理學(xué)本質(zhì)，難以切身感受物理學(xué)對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。開設(shè)在低年級(jí)的信息技術(shù)課程雖然已著力解決上述問題，但是囿于學(xué)生認(rèn)知水平和信息技術(shù)學(xué)科視野，效果仍然有限。

物理的跨學(xué)科實(shí)踐應(yīng)該首先基于物理學(xué)科知識(shí)，通過選取適合學(xué)生認(rèn)知水平的跨學(xué)科案例，整合形成跨學(xué)科的大概念，比如，物理學(xué)和生物學(xué)都涉及到的“能量”。有了“大概念”，跨學(xué)科實(shí)踐就成了物理課程的有機(jī)組成部分，既有多學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用，又實(shí)現(xiàn)了新知識(shí)的學(xué)習(xí)［2］。物理學(xué)和信息技術(shù)之間確實(shí)有共通的大概念，比如，“信息熵”就與物理學(xué)中“熵”有著深厚的淵源，但這些內(nèi)容不是初中生能接受的，在他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，信息技術(shù)和物理學(xué)之間存在鴻溝，活動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)該要合理地轉(zhuǎn)化他們的原初概念。

1.1 概念體

瑞士的焦?fàn)柈?dāng)（André Giordan）教授深入研究了概念轉(zhuǎn)化的過程，在總結(jié)了行為主義、認(rèn)知主義、建構(gòu)主義等學(xué)習(xí)觀后，提出了在學(xué)生的腦海中不僅有對(duì)知識(shí)概念本身的理解，還有個(gè)人的執(zhí)著與信念、價(jià)值觀與元認(rèn)知等。它們相互作用，共同形成了“概念體”［3］。

嵌入在“概念體”中的原初概念有時(shí)候會(huì)成為建構(gòu)新認(rèn)知的階梯，有時(shí)候卻會(huì)反過來阻礙新概念的形成［2］。比如，學(xué)生從幼年時(shí)代構(gòu)建起的狹隘信息技術(shù)認(rèn)知，使得學(xué)生對(duì)于物理學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用不甚感興趣。因?yàn)椤霸诖蠖鄶?shù)情況下，只有被期待的知識(shí)才能被聽懂”，反之“新信息不能與學(xué)生相適應(yīng)，那它就會(huì)被毫不留情地排斥”［3］。

1.2 變構(gòu)學(xué)習(xí)模型

焦?fàn)柈?dāng)教授的團(tuán)隊(duì)在對(duì)前人學(xué)習(xí)理論進(jìn)行了充分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，提出了變構(gòu)學(xué)習(xí)模型（allosteric learning model），這種模型非常適合像跨學(xué)科實(shí)踐這樣復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程。研究者認(rèn)為，原初概念并不會(huì)因?yàn)樾赂拍畹某霈F(xiàn)而被輕易替換，“概念體”很像化學(xué)上“變構(gòu)蛋白質(zhì)”的結(jié)構(gòu)與功能，是學(xué)生腦海中活化的有機(jī)整體，但是又會(huì)受到外部環(huán)境的影響而改變。所以，教師可以通過操作學(xué)習(xí)環(huán)境來干擾學(xué)生的“概念體”［3-4］。

在變構(gòu)學(xué)習(xí)模型中，活動(dòng)可以緊貼學(xué)生原初概念的情境引入，這一過程稱為“驅(qū)動(dòng)”。然后，在活動(dòng)中讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，動(dòng)搖學(xué)生的原初概念，令原有的“概念體”逐漸解體，這一過程稱為“解構(gòu)”。隨著活動(dòng)的推進(jìn)，學(xué)生在元認(rèn)知的監(jiān)控下，自我審視原初概念，并逐步重構(gòu)和轉(zhuǎn)化原初概念，這一過程稱為“變構(gòu)”。變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的主體是學(xué)生，但“幕后引導(dǎo)者”一定是教師，他們?cè)O(shè)計(jì)活動(dòng)，并營造師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，引領(lǐng)學(xué)生多維度、多層次地質(zhì)疑原初概念，形成了“多重對(duì)質(zhì)”。進(jìn)而激發(fā)學(xué)生內(nèi)在轉(zhuǎn)化動(dòng)機(jī)，形成新的概念。上述認(rèn)知過程稱為“煉制”［4］。

2 “體驗(yàn)授時(shí)服務(wù)”跨學(xué)科實(shí)踐

學(xué)生關(guān)于信息技術(shù)的原初概念過于剛性，所以基于變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的設(shè)計(jì)思路，跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)應(yīng)當(dāng)貼近學(xué)生的生活，這樣才能引起他們足夠的注意，活動(dòng)主題應(yīng)當(dāng)從學(xué)生熟悉的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用切入，然后讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。活動(dòng)主題應(yīng)既能滲透各種信息傳遞方式，也能有助于電磁波傳遞信息等知識(shí)內(nèi)容的建構(gòu)。綜合上述考慮，筆者選定“體驗(yàn)授時(shí)服務(wù)”作為本次跨學(xué)科實(shí)踐的主題，其學(xué)習(xí)模型如圖1所示。

2.1 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，重在“解構(gòu)”

“跨學(xué)科實(shí)踐”的第一課時(shí)主題為“網(wǎng)絡(luò)授時(shí)”，上課地點(diǎn)在機(jī)房。

2.1.1 情境：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間從何而來

情境由2個(gè)驅(qū)動(dòng)問題構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)問題1：自律守時(shí)的生活離不開標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)、交通、通信等各個(gè)領(lǐng)域更是毫秒必爭，那么標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間從何而來呢？學(xué)生列舉了智能手表、電腦和手機(jī)等設(shè)備，在學(xué)生的生活中其他計(jì)時(shí)工具也必須和這些智能設(shè)備進(jìn)行校時(shí)。驅(qū)動(dòng)問題1激活并延續(xù)了學(xué)生的原初概念——信息大多通過網(wǎng)絡(luò)傳播。

驅(qū)動(dòng)問題2：智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間又是從哪里來？這一問題令部分學(xué)生困惑，他們甚至不明白計(jì)時(shí)工具走時(shí)會(huì)有誤差，需要及時(shí)校準(zhǔn)，因而只有部分學(xué)生回答出了智能設(shè)備都是聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間的。驅(qū)動(dòng)問題2雖然與學(xué)生原初概念產(chǎn)生了一點(diǎn)偏差，但是仍然在他們的概念框架內(nèi)。情境引入讓新信息“插入學(xué)生已掌握的知識(shí)組織中”，避免“他們所掌握的知識(shí)在認(rèn)知和情緒層面構(gòu)成障礙”［2］。

2.1.2 活動(dòng)1：時(shí)間服務(wù)器

活動(dòng)1由2項(xiàng)任務(wù)組成。任務(wù)1：找尋電腦與什么設(shè)備聯(lián)網(wǎng)校時(shí)。通過上網(wǎng)查詢和比對(duì)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電腦都是與時(shí)間服務(wù)器聯(lián)絡(luò)后獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的，他們打開了授時(shí)服務(wù)器設(shè)置，發(fā)現(xiàn)圖2所示選項(xiàng)中的“time.windows.com”“time.nist.gov”均為海外服務(wù)器。教師適時(shí)地告知學(xué)生，我國時(shí)間校準(zhǔn)技術(shù)是自主可控的，中國國家授時(shí)中心設(shè)在陜西，我國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——“北京時(shí)間”是由他們產(chǎn)生和發(fā)播的。任務(wù)1的信息和學(xué)生的原初概念產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)——互聯(lián)網(wǎng)的信息來源并非全部可靠。

任務(wù)2：更改授時(shí)服務(wù)器設(shè)置，了解授時(shí)服務(wù)。學(xué)生在對(duì)話框的服務(wù)器一欄填入國家授時(shí)中心的網(wǎng)址“ntp.ntsc.ac.cn”，當(dāng)看到“同步成功”的提示后非常興奮。通過國家授時(shí)中心的官網(wǎng)，學(xué)生又了解到我國授時(shí)服務(wù)精度提高至微秒量級(jí)，技術(shù)世界領(lǐng)先，并找尋到了長波授時(shí)、短波授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)等時(shí)間校準(zhǔn)服務(wù)［4］。這時(shí)的學(xué)生已經(jīng)和原初概念產(chǎn)生了裂痕——互聯(lián)網(wǎng)并非唯一信息傳遞渠道。

2.1.3 活動(dòng)2：網(wǎng)絡(luò)授時(shí)誤差成因

活動(dòng)2的核心任務(wù)是通過分析和計(jì)算理解網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的原理，進(jìn)一步解構(gòu)學(xué)生的原初概念。

對(duì)比幾種授時(shí)服務(wù)后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度比較低，一般為幾十毫秒到幾百毫秒。學(xué)生立刻想到了網(wǎng)絡(luò)延遲，這是他們都有的上網(wǎng)體驗(yàn)。教師則指出系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一定會(huì)考慮到網(wǎng)絡(luò)延遲，并設(shè)法找尋出具體延遲時(shí)間，然后糾正。

2.2 短波授時(shí)，重在“變構(gòu)”

第二課時(shí)的主題為“短波授時(shí)”，先在教室集中，后到操場活動(dòng)。

教師在總結(jié)了第一課時(shí)的作業(yè)完成情況后，提出驅(qū)動(dòng)問題“網(wǎng)絡(luò)授時(shí)需要來回校準(zhǔn)，長波、短波和衛(wèi)星授時(shí)方式為何可以單向傳送”，問題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)現(xiàn)九年級(jí)物理中電磁波相關(guān)知識(shí)，他們的回答有：“長波、短波和衛(wèi)星通信的微波都是電磁波，電磁波的傳播速度和光速一致”“在空間中傳播的電磁波不像網(wǎng)絡(luò)傳輸一樣會(huì)有很大的延遲”。教師立刻借著這個(gè)討論和學(xué)生們一起回顧長波、短波和微波在空間中的傳輸特性，比如衛(wèi)星發(fā)射的微波可以穿過電離層，長波一般以地面波傳輸，傳播比較穩(wěn)定，短波主要靠電離層反射，所以穩(wěn)定性較差。

活動(dòng)3：體驗(yàn)短波授時(shí)。

活動(dòng)3的核心任務(wù)是用收音機(jī)接收短波授時(shí)信號(hào)。

西安市郊的國家授時(shí)中心的短波電臺(tái)用2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz頻率發(fā)送無線電授時(shí)信號(hào)。身處千里之外的上海，嘗試用普通收音機(jī)接收短波授時(shí)信號(hào)一定非常具有挑戰(zhàn)性。教師將收音機(jī)放在窗臺(tái)邊，接收頻率調(diào)諧至短波10 MHz，信號(hào)非常微弱。學(xué)生立刻想到這是由于建筑物對(duì)短波遮擋比較嚴(yán)重，教師則用一根長約5 m的導(dǎo)線延長了收音機(jī)的天線，將導(dǎo)線的另一頭放在窗外后（圖4），收音機(jī)立刻傳出“滴……滴……滴”的計(jì)時(shí)聲。每一個(gè)“滴”聲間隔1秒，每隔1分鐘則會(huì)聽到“嘟”的一聲長音。

為了改善收聽效果，教師又帶領(lǐng)學(xué)生來到操場，學(xué)生以2人為一小組開展活動(dòng)?；顒?dòng)采用普通的全波段收音機(jī)，僅有10 MHz和15 MHz頻段，配備一根長5 m的導(dǎo)線用作延長天線。由于地處鬧市，操場外圍仍有一圈較高的建筑。學(xué)生饒有興趣地開展活動(dòng)，他們有人為了避免建筑物遮擋，登上了操場東側(cè)的一棟小樓；有的為了提升接收效果，把天線另一頭套在了金屬欄桿或黑板的金屬外框上；更多學(xué)生是邊走邊試，最后大多數(shù)人都集中到了開闊的操場中心（圖5）。由于授時(shí)中心是用不同頻率交替發(fā)播授時(shí)信號(hào)，所以不同班級(jí)接收到的授時(shí)信號(hào)頻率不完全相同。

回到教室后，學(xué)生首先反思了短波接收效果差異的原因，比如利用金屬延長天線可以增強(qiáng)短波接收效果，在開闊地帶或建筑物高處短波受到遮擋較少等。學(xué)生接收授時(shí)信號(hào)并反思分析的過程是電磁波知識(shí)的運(yùn)用過程?；顒?dòng)契合了學(xué)生“概念體”變構(gòu)的最佳位點(diǎn)——物理學(xué)在信息技術(shù)的重要應(yīng)用，在原初概念解構(gòu)之后，重構(gòu)新的概念。

第二課時(shí)的課后作業(yè)是：利用課余時(shí)間接收國家授時(shí)中心的整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào)并錄制視頻?？偨Y(jié)兩節(jié)課的活動(dòng)并形成報(bào)告，報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容：①簡述哪些情況下短波接收效果較好；②簡述網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度低于短波授時(shí)的主要原因。

2.3  多重對(duì)質(zhì)，“煉制”新知

第三課時(shí)主題是“總結(jié)回顧，互幫互評(píng)”。

教師總結(jié)了前段時(shí)間的學(xué)習(xí)成果，以三個(gè)小組為一大組，進(jìn)行小組間的成果展示和報(bào)告互評(píng)，評(píng)價(jià)量表如表1所示?；顒?dòng)目的是更多地營造利于概念變構(gòu)的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過學(xué)生與新信息之間的對(duì)質(zhì)、學(xué)生之間的對(duì)質(zhì)，營造原初概念變構(gòu)的環(huán)境，“煉制”新的認(rèn)知。

活動(dòng)4：成果展示，分組討論。

在成果展示階段，大多數(shù)小組都展示了接收到的整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào)——先是一段莫爾斯電碼，然后是女聲播報(bào)：“BPM標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)頻發(fā)播臺(tái)”。從學(xué)生提交的活動(dòng)視頻中可以看出，有學(xué)生用上了家長的專業(yè)收音機(jī)，有學(xué)生為此采購了專用短波天線，還有學(xué)生對(duì)比報(bào)時(shí)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)自己的手機(jī)時(shí)間慢了一秒（圖6）。

分組討論階段的議題如下：（1）什么情況下短波接收效果較好？學(xué)生一致反饋晚上效果好，空曠場地效果好，樓層越高效果越好。同時(shí)，他們也通過查閱資料給出了原因，諸如電離層白天黑夜反射電磁波能力不同，空曠場地和高層電磁波被遮擋少，電磁污染小。大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為天線越長效果越好，教師則指出當(dāng)天線增加到一定長度后，接收效果基本不變了，具體長度與電磁波波長有關(guān)［7］。不僅是接收天線，發(fā)射天線尺寸也與電磁波的波長有關(guān)，教師展示了圖7，對(duì)比授時(shí)中心的短波和長波發(fā)射天線，學(xué)生們意識(shí)到一般情況下波長越長發(fā)射天線尺寸也越大。

（2）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度低于短波授時(shí)的主要原因是什么？大多數(shù)學(xué)生在活動(dòng)2的基礎(chǔ)上又計(jì)算了短波授時(shí)的用時(shí)。他們將西安和上海之間的直線距離約1 200 km除以光速3×105 km/s，得出傳播時(shí)間僅4 ms，音頻信號(hào)解調(diào)的時(shí)間則完全可以忽略，短波授時(shí)比網(wǎng)絡(luò)授時(shí)直接且高效。還有學(xué)生指出，西安到上海之間的電磁波傳播距離不能算成是1 200 km，而應(yīng)考慮地表弧度和電離層的反射，不過即便如此，計(jì)算出的誤差仍然很小。這一系列討論令學(xué)生認(rèn)識(shí)到了信息的傳遞離不開物理知識(shí)的應(yīng)用，最終達(dá)成了課標(biāo)的要求。

3 活動(dòng)反思

本活動(dòng)以學(xué)生熟悉的時(shí)間校準(zhǔn)為切入點(diǎn)，以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的發(fā)播和校準(zhǔn)為中心解構(gòu)重組了學(xué)生的原初概念，學(xué)生了解并體驗(yàn)了多種信息傳遞方式，對(duì)比分析出了網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的局限，了解了物理學(xué)在時(shí)間信息傳遞中的應(yīng)用。變構(gòu)學(xué)習(xí)模型也可以用于物理學(xué)本身的大概念形成，比如學(xué)生在初二物理學(xué)習(xí)了機(jī)械功后，可以通過類比電流和水流引入電功的初步概念，然后制造認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生理解電流做功的實(shí)質(zhì)。

實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生通過活動(dòng)逐步實(shí)現(xiàn)了概念的轉(zhuǎn)變，更讓人驚喜的是有一部分學(xué)生對(duì)信息技術(shù)很感興趣，他們有的是在獲知課題時(shí)就開始自行查閱資料，有的是第一課時(shí)后就積極了解物理學(xué)在時(shí)間信息傳遞中的應(yīng)用，他們主動(dòng)變構(gòu)原初概念，效果遠(yuǎn)超教師的預(yù)期。這批學(xué)生查閱到了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也有雙向校準(zhǔn)授時(shí)模型，精度很高，可以校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的主服務(wù)器時(shí)間。他們還將活動(dòng)視頻發(fā)送給授時(shí)中心，收到了紀(jì)念明信片（圖8）。有學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的電波表原來是通過授時(shí)中心發(fā)射的BPC低頻時(shí)碼進(jìn)行校準(zhǔn)的。還有學(xué)生關(guān)注到了授時(shí)中心更新了量子時(shí)鐘，認(rèn)識(shí)到一秒鐘的定義以及北斗高精度導(dǎo)航所涉及的物理學(xué)知識(shí)如此高深，這也堅(jiān)定了他們學(xué)好物理的決心。筆者為了回應(yīng)學(xué)生的疑問，也多次咨詢了授時(shí)中心的專業(yè)人士。

焦?fàn)柈?dāng)教授指出，情緒和情感是學(xué)習(xí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，變構(gòu)學(xué)習(xí)模型只是更多地站在教學(xué)設(shè)計(jì)者的視角去面對(duì)學(xué)生的問題［2］。若站在學(xué)生的視角，則建立在興趣之上的持久學(xué)習(xí)動(dòng)力，可以調(diào)用大量的注意、記憶、思考等認(rèn)知資源，主動(dòng)解構(gòu)舊知、建構(gòu)新知。因而，無論什么學(xué)習(xí)情境下，教師都應(yīng)將激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣作為第一要?jiǎng)?wù)。正如盧梭所言，“讓孩子產(chǎn)生學(xué)習(xí)欲望，那么一切方法都會(huì)是好方法”。

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