基于建构主义思想 解读中学生认知困惑
——以追问及思考的几个几何光学问题为例

刘璐璐 张皓晶

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

建构主义教学思想不仅对我国教学理论与教学实践改革产生了巨大影响,对全世界的其他国家的教育实践改革也都产生了巨大的影响.它促使我们变革旧有的教育观念,确立了以学生为主体的教学观.建构主义思想认为,教师应当把学生视作一个自我构建自己知识体系的自生产系统.通过对高中生思维特点的分析,笔者发现:高中生尚处于“由形象思维和感性思维”向“抽象思维和理性思维”发展的过渡时期,很多时候仍然沿袭初中时的定性思维方式,容易产生错误的思维倾向.并且很大一部分的高中生都缺乏发散性思维,思维水平上存在着片面性、表面性.因此,作为新生一代的物理教师,学习建构主义教学方法,做好学生学习的“引路人”将是十分必要的. 一直以来,高中物理教师几乎都是按照教科书上的章节内容安排来进行授课的.这种教学方式自然有其优势,但同时也存在缺陷.缺陷就在于,如果教师直接引入高中的知识内容,而不在初中已有的知识基础上建构,学生会出现知识断层的状况,成了“知识的容器”.因此,在引入与初中知识有关联的高中内容时,需要教师主动将学生过去的经验与当下所学的内容有效结合起来.

教师首先需要明确这样一点:既然学习者不是被动接收知识的,而是主动建构知识的.那么,对学习者先前知识的注意就应当成为教学工作的一个十分重要的基本要素.教师要做的就是帮助学生去发现、去质疑、去主动建构,这也是在物理教学中培养学生核心素养的关键点.同时,这种建构主义的观念在教学方面也给教师一种启示,即教师需要依据教学大纲和学生的知识经验特点,避免对单一知识的过度关注,从整体角度把握教学需求,整合教学内容与相关资源,引导学生做好知识建构,提升高中生的物理学科素养.下面以教学过程中引起学生困惑的两个光学问题为例,就建构主义思想引入高中光学课堂做一个阐述,以期为中学物理教师的教学提供参考.

1 为什么瞄准鱼头叉不到鱼,而用激光照射却能射中?[1]

1.1 建构起点——学情分析

虽然高中物理教材人教版选修3-4的光学章节中,对光的折射定律已有较为深入的讲述及应用,但光线的引入毕竟是一种建模,对学生而言分析难度较大,对他们的抽象思维能力来说更是一种挑战.如果学生在学习过程中不注意把握折射的知识点,学会几何光学问题的分析方法,将初中定性分析问题的方法转化成高中定量的几何光学问题的分析方法,便容易产生疑惑.在学生学完初中光的折射内容后,他们就已经知道了池水看起来比实际的浅,是由于池底某点发出的光从水中斜射向空气时会发生偏折,所以逆着折射光看去就会感觉这点的位置升高了.利用同样的道理,学生们也一定会知道瞄准鱼的下方可以叉到鱼,而对准鱼叉鱼是叉不到的.[2]

1.2 建构策略——引入问题,引发认知冲突

图1 水下反射回人眼的光路与激光照射水下物体的光路

那么鱼为什么能被激光光束射中呢?在这里,学生已经学习了高中光的折射定律,教师便可对学生进一步提问,让他们在已有学习经验的基础上做出自己的分析.这便自然地引发了学生的认知冲突,激发了学生想要进一步探求真理的欲望.当然,在这里教师除了要使学生内部认知系统获得调节顺应外,还应当要教会学生作图辅助的思维方法.

1.3 建构过程——分析问题,解除困惑,学生完成提升

如图1所示,O为法线与分界面的交点,N为法线,i为入射角,r为折射角.学生们根据已有的经验就已经知道了人眼看到的水下的鱼,实际上是位于A点折射到人眼的光线形成的.因此,人用钢叉沿入射光线经O点往下叉,显然是叉不到鱼的.那为什么用激光就能射中鱼呢?原因在于激光沿入射光线方向射向界面交点O点,会在不同介质分界面上发生偏折,而偏折的光线就会偏折到我们人眼看到的鱼像对应的真实实物上,也即真实的鱼上,所以激光可以射中鱼.

1.4 教学启示

在教学过程中,教师应当注意运用建构主义的思想,帮助学生在其初中的光折射知识基础上不断深化,达到能灵活运用所学知识,解释生活中与光折射有关的一些问题的程度.教师在日常教学中,也应当合理巧妙地创设认知冲突,使学生在解决认知冲突的同时,掌握学习方法、理解知识内涵、提升科学素养.在原有认知冲突解决后,还需不断使学生产生新的认知冲突,以使他们对该问题的认识不断深入,思维水平不断提升.最终使他们的思维空间更加开阔,实现“举一反三”.

与迂腐的教学形式、被动灌输式的教学相较,此处知识的获得是通过学生与教师的共同思索得来的,更强调学习者在认知过程中的中心地位,即学生主体的事实.教师要做的就是探索帮助学生构建知识体系的过程、方法——引导学生发生认知冲突,使他们产生不断学习的欲望.

2 物在何方?

从空气中观察处于水下的物体,物体的实际位置在人眼看到的像的哪一边?左下方还是右下方?从水下观察空气中的物体呢,情况又是怎样的?

2.1 建构起点——学情分析

在解决此类问题时,学生已经具备了初中的相关知识内容基础,也初步学习了高中光的折射与反射定律的内容,并具备了相当的数学几何知识.但就物理学科素养的培养目标而言,现阶段的学生在分析、综合、解决实际问题方面仍存在很大困难,对知识的理解圄于表面,对物理过程的分析停留在浅层次.

2.2 建构策略——借助案例,学会查阅文献,自主分析解决问题

设置这一问题,能够让学生产生浓厚的兴趣,让他们更想自主地去探究光学中的物理规律.一则这类问题是原先的物理旧情景,学生熟悉;二则在旧情景上产生了新内容,学生不会觉得乏味.教师也可以借助这个例子,让学生更深入地理解几何光学的知识内容,使他们在原有基础上拔高,可谓“一石二鸟”.这里教师可做适当引导,教学生查阅资料、翻阅文献,并可在下次课上做出解答,教会他们如何分析此类问题.

2.3 建构过程——分析问题,解除困惑,学生完成提升

假设空气的折射率为n2,水的折射率为n1,n2

图2 从空气中观察水下物体的光路

如图2中,以x轴代表两种介质的分界面,以OP为y轴,则P点的坐标为(0,y),假设如图有两条光线PM1、PM2,入射点M1的坐标为(x1,0),M2的坐标为(x2,0),PM1入射角为i1,PM2入射角为i1+di1,折射角则分别为i2,i2+di2.两条射线M1N1,M2N2向后延长分别交y轴于P1(0,y1),P2(0,y2)点,并且在图平面上相交于P′点.引导学生利用所学的几何知识进行计算得到P1,P2点的纵坐标分别为

(1)

(2)

P′点的坐标为

(3)

(4)

综上所述,根据光路的可逆性原理,当水中的物体斜射入人的眼睛时,即由光密介质斜射入光疏介质的时候,物体的实际位置在人眼看到的像的位置的下方,其水平距离较像与人之间的距离更大,即实际位置在像的右下方.

那从处于水下的潜水艇口观察空气中的飞机位置时,像与物的位置关系又是如何呢?此时空气的折射率即为n1,水的折射率为n2,n2>n1.飞机位于空气中的P点,人眼从水中观察到的空气中的飞机的位置应该位于P′点处.如图3所示,飞机在P点处发出的光在折射率不同的两种介质(空气和水)分界面上会发生折射,单心光束就被破坏成像散光束.同理,让学生将n1、n2的数值代入(3)、(4)两式即可得P′点的坐标.根据光路的可逆性原理,当空中的物体斜射入水中人的眼睛时,即由光疏介质斜射入光密介质的时候,物体的实际位置在人眼看到的像的位置的下方,其水平距离较像与人之间的距离更小,即实际位置在像的左下方.

图3 从水下观察空中的飞机的光路

那么,垂直入射下的折射成像又是怎样的呢?[3]在此可以进一步引发学生在上述学习经验的基础上,先结合自己所学做出自己的判断,而后在课堂上师生共同交流、探讨最后的答案.对于有认知矛盾的学生,教师就需要去发现学生的问题症结,并仔细耐心地帮助学生改变原有的认知结构以适应现实情况.在这个过程中,学生个体必须学会顺应与调节,以促使自己的认知更加丰富、完善.

2.4 教学启示

此类问题的示图错误经常出现在一些中学物理教辅、教材上,甚至也会出现在不少中学物理教师的板书中.利用建构主义思想,师生通过课堂上的互动发现了这一问题,在共同解决的这一过程中,教师能够引导学生理性质疑,不盲目相信权威.让学生知道,知识的应用不应当是简单的套用,学习知识不能满足于教条式的掌握,学生在学习过程中还需不断地领会、把握它在具体情境中的复杂变化.笔者认为在教材编写中不妨加入相关的反思、拓展阅读材料,让师生共同体会、咂摸的同时,又能帮助教师利用建构主义的认知特点合理地设计学生学习的进阶.另外,更主要的还在于,对这些知识的思考不仅培养了学生学习几何光学的兴趣,也帮助他们树立了正确的科学态度和价值观,拥有思辨性思维.这样一种对问题追本溯源的方式,既帮助了学生反思自己的学习过程,又帮助了教师在教学领域进一步拓展、深化,具有启发性.

3 教学反思

任何规律的形成都是有条件的,教师在阐述规律时一定要强调该规律在某种特定的情境下适用.让学生在自己发现问题的过程中创造更多价值.这一过程中,学生有知识的不足、方法的欠缺、想法的不合理,才是教师要教的,也是教师需要去探索如何教的.

对物理问题的研究要透过现象理解其本质,否则容易误入形式主义的歧途,对物理学的认知也无法达到真正的深入.利用建构主义认知论原理在学生已有的学习经验基础上,帮助学生做进一步的拓宽,既符合学生的认知特点也符合教学的循序渐进原则.帮助学生把所学过的相关知识内容整合到一起,丰富他们的认知,梳理他们的知识体系,是值得探索的.学生不应当回避,作为“引路人”的教师更不应该回避.随着社会科技的发展进步,知识更新加快,新生代教师群体还需不断更新完善自己的知识体系,做到常有常新,并把这一行为习惯带给学生,真正做到以身示范,师生遇到问题时也可以共同探讨.