运用情境支架教学促进学生物理概念的学习进阶

摘 要：促进学生深化理解物理概念的教学是物理教学的重要组成部分，学生概念进阶的思维路径并不唯一，各路径的迷思与凌乱区间情况不同，教师的教学应当选择多数学生的迷思或凌乱路径，针对性地创设情境支架，通过情境支架揭示概念本质，促进学生实现概念的学习进阶.

关键词：概念教学;学习进阶;情境支架;凌乱区间;踏脚板

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0033-04

基金项目：江苏省十三·五教育立项课题“‘互联网+背景下初中物理情境体验式教学的实践研究”（项目编号：C-c/2016/02/67）.

作者简介：

薛钰康（1963-），男，江苏苏州人，本科，中学高级教师，研究方向：教材研究、课堂教学、物理实验、物理科学方法教育.

物理学是研究物质及其运动规律的一门科学，物理学的理论体系由物理概念和规律组成，物理规律则表达了物理概念间的相互关系.实践表明，学生在物理学习上出现的问题与困难大多源自于对物理概念理解的不清晰，学生由于对概念理解不透、混淆不清，就难以真正理解公式、定律的内在联系和深刻含义，因此，学生在解决实际问题时便极为困难，极易出现错误.基于上述分析，教师对于物理概念的教学便显得极为重要，也可以这样说，概念教学是物理教学最重要的部分.

现代认知建构理论表明，学生的学习过程不是海绵“吸水”的过程，而是类似于房屋“建造”的过程，是在学生原有知识经验的基础上完成新知的建构.奥苏泊尔说“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约成一条原理的话，我会说：影响学习最重要的因素是学生已知的内容.弄清楚这一点后，进行相应的教学”.这里学生“已知的内容”相当于教育学中通常所说的前概念或前知识，教师在物理课堂开展概念教学就是帮助学生对前概念知识进行转化、建构达成现在学习新概念知识的过程，这就是学习进阶的过程.

1 关于学习进阶的路径

学习进阶（learning progressions，简称LPs）也称学习进程，美国国家教育委员会（NRC）的报告《将科学带入校园》（Taking Science to School）中给出的定义是：学习进阶描述学生对于某个主题连续的、更加熟练的思考方式，这些思考方式能随着学生对这个主题的学习和探究依次连续发展.因此，学习进阶并非简单地指学生是否获得某个知识，而是指学生全部学习过程，这里的“阶”代表学生不同的思考方式，或者说是学生不同的思维路径.这类似于理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）对量子力学路径积分的描述，粒子从初始时间的位置A到终点时间的位置B间的路径有多条，如图1所示，其概率用波函数的平方来反映，最终从A到B由所有路径的和或泛函积分而得到的量子幅来取代经典力学的单一路径.人的思维路径是否也是量子化？也许可能.但学生多路径的思考方式确实在實际教学事件中得到反映，学生在面对同一个问题时，其表现出解决问题的思考、表达方式均有差异，特别是当学生面对陌生的、比较有难度的问题或内容更是如此.对我们每一个个体而言，在解决问题的过程中思维运动的过程也是多样、复杂变化的，最终指向归一.

学习进阶的进“阶”有多种描述方式，以概念进阶为例，有专家提出可以分为：同一阶段不同概念间的进阶;不同阶段相同概念的进阶.借用Alicia C.Alonzo与翟小铭在《学习进阶：描述学生思维发展的有效方式》一文中的“高锚点”与“低锚点”来描述进阶则比较方便，其中“高锚点”代表教师期望学生学习达到的理解水平，“低锚点”代表学生进入课堂时所达到的理解水平.那么，学习进阶就是发生在学生“低锚点”与“高锚点”之间不同的思考方式.教师的教学过程应该发生在“低锚点”与“高锚点”之间.由于它们之间的进阶存在许多路径，不同路径之间存在差异，分别有迷思的、有错误的等各种不同的凌乱区间，教师要从所教的对象即学生的实际境脉出发，对路径有选择性地进行突破，以帮助学生达成学习进阶.以上便是教师的教学任务，这不是积分，而是选择.Alicia C.Alonzo与翟小铭在《学习进阶：描述学生思维发展的有效方式》一文中同样指出：更重要的是，学习进阶理论通常会关注学生的“错误思考”，因为有时这更能有效地刻画学生在特定层级的思考方式.因此，尤其是在“凌乱区间”，学习进阶重点在于描述从学生视角来看有意义的特征.

2 情境支架促进概念学习进阶

学习进阶的发现一方面使教师关注学生在学习过程中的思维方式、思维路径，另一方面还使教师认识到路径中的“凌乱区间”，它对课堂教学具有极大的潜在价值，它能为教师描绘出学生思维发展更清晰的图景，从而有助于教师选择最恰当的教学方式，设计能够帮助学生的思维从凌乱区间中突围的教学方式，从而帮助学生实现进阶到学习的“高锚点”.

不同学生思维路径中的“凌乱区间”可能不尽相同，原因与学生对同一学习内容所具有的原有“已知内容”不同有关，这就是“阶”，也是教学进阶的“踏脚板”.有专家指出：“一个给定学习进阶的‘阶通常会同时包含学生习得的知识内容和一些非科学的概念.”因此，奥苏泊尔强调教师要关注学生“已知的内容”，基于学生认知建构的概念转变来看，“凌乱区间”中很重要的一种情况是学生的“迷思概念”，迷思概念是指“学生在学习科学概念之前即具有的直觉知识或与正统科学知识不符的概念”.

迷思概念是学生学习进阶过程中的最大困扰，也是学生实现学习进阶必须克服与解决的问题，物理学科的最大优势在于“以物释理”，教师通过创设充分的物理情境支架来助推学生澄清概念迷思，实现学习进阶.有专家说“情境是让抽象、琐碎的知识对儿童更有意义”，教师教学设计的最大关注点就是寻“阶”与破“阶”，对物理教学设计中起到重要作用的工作就是创设有效的物理情境支架来破“阶”.

2.1 事例一：“电阻”概念教学的实例

“电阻”是在学生学习“电流”“电压”概念之后学习的电学概念，什么是电阻？教材给出的解释为：“电阻是导体对电流的阻碍作用.”学生仅仅凭这样一句话理解“电阻”的概念便极其困惑.学生理解的主要困难在于以下问题：（1）虽然在此前的教学中，教师用类比法进行电流的教学，但电流很抽象，看不见、摸不着，部分学生甚至没有理解电流的概念.（2）电阻如何阻电？（3）电阻是什么“东西”？

从学习进阶的角度分析，本节课的起点“电流”是学生的“低锚点”，如图2所示，“电阻1”是教师应当在初中物理教学中向学生传授的“高锚点” ，“电阻2”可以看作更高学习阶段的“高锚点”，可以是高中或大学教学的达成目标.初中物理教学学生思维发生在“低锚点——电流”与“高锚点——电阻1”之间，不同学生的学习路径不同.如图2所示，教师根据经验或锚测可以知道多数学生发生的思维凌乱区间是“运动阻碍”，这个“运动阻碍”迷思概念就是初中物理“电阻”概念教学的“阶——踏脚板”.学生此时并不知道导体内部电荷运动情况，很难理解“运动阻碍”，教师应当如何处理？

克服学生思维迷思的最佳方式是通过实际情境的呈现，让学生实现认知的同化或顺应.因此，教师可以再次利用“类比”方法设计一个情境支架：用三根相同的、两端开口的透明塑料管，一根空管，一根装一些障碍物（如纱布、颗粒物等），第三根障碍物装更多一些，如图3所示.然后，教师分别从上端管口注水，但需要注意的是注水水流应当相同，从而让学生观察下端管口出水水流的情况，为了便于学生观察，可以将注入的水染成红色.从实验中学生可以看到下端出水的情况不同，原因是同样的水在不同的管中受到的阻碍不同，教师进而与学生共同分析类比：“水流”类比“电流”;“水阻”类比“电阻”，帮助学生建构“电阻”概念，实现“电阻”概念的学习进阶.

在这里，教师设计这个情境支架的目的在于帮助学生破“阶”，有的放矢地促进学生学习进阶，而这最关键的一步是确定大多数学生的“阶”.

这里还需要说明的一点是，实际电阻与水阻之间存在本质差异，就像电磁波与水波的差异一样，电阻与导体内电子的运动与碰撞等相互作用有关.因此，学生通过类比对“电阻”的认识在进一步的学习时便会出现“迷思概念”，这就是从“电阻1”到“电阻2”的学习进阶，所以，“迷思概念”不等于“错误概念”，其发生与学习者的学习阶段有关，学习者对于概念的认识与理解不可能一步到位，而是逐步进阶，人类对自然的总体认识也是如此，物理学从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦相对论时空不也是同样如此吗？这是对大境界的认识进阶而已.

2.2 事例二：“压强”概念教学的实例

“压强”是在学生学习“压力”概念之后，为了比较压力作用效果而引入的一个物理量，它在现实中具有重要意义，可以用来比较不同物体的抗压程度等等.压强作为一个定量物理量的建构，教师在实际教学中引导学生进行“探究压力作用效果”的实验后，学生明确要比较压力的作用效果可以通过“相同压力情况下比较受力面积的大小”或“相同受力面积的情况下比较压力的大小”的方法，但是不明确为何引入压力F与受力面积S的比值来表示.

如图4所示，学生知识的起点“压力”是“低锚点”，“压强1”是教师需要在初中物理教学中帮助学生达到的“高锚点”，学习进阶发生在“低锚点——压力”与“高锚点——压强1”之间.学生的多重思维方式构成学生的学习路径，根据对学生的了解，可以知道大多数学生对于路径4存在概念迷思，迷思点就在“相同受力面积”“相同压力”两种情况之外，“不同受力面积，不同压力”如何比较？针对初中学生的年龄特点所具备的认知情况而言，这便是“比值定义法”的“阶”或者是“踏脚板”.该如何进行突破？

通过创设“问题解决”情境支架.

情境1：两个边长分别为2cm、5cm的橡皮泥正方体，放在水平桌面上，要如何比较它们所产生的压力作用效果大小？

解决方案：學生通过实际操作，提出通过切割的方法，使其受力面积或压力相同，可以比较出二者大小关系.

情境2：一头大象站在水平地面上，大象重6×104N，每只脚底的面积是600cm2;芭蕾舞演员重475N，一脚点地，脚尖与地面接触面积是9.5cm2.如图5所示，试比较大象和芭蕾舞演员对地面压力作用效果的大小关系？

这个问题就是针对上述操作性方案所设计，在无法操作解决问题时怎么办？学生可以通过迁移“速度”概念建构时所采用的方法来解决问题，因此，取“大象”与“芭蕾舞演员”对地面“1cm2”上的压力比较，从而比较它们的大小关系.

学生再通过讨论，对比两个问题的解决方案共同点与发展性特点，发现二者都使用到取相同面积，即把压力F给予在S上分摊的方法，这是数学上求“压力F与受力面积S的比值”，从而在物理学引入一个新的物理量“压强”.当然，在这个过程中，教师还可以激发学生思考：能否用“受力面积S与压力F的比值”来比较？而教师对于这个问题的解决应该给予学生解释说明.

教师通过解决学生思维方式中的最重要、大多数的迷思问题“不同F、不同S”，帮助学生实现从“压力”到“压强”的学习进阶，也帮助学生进一步理解物理学上常用“比值定义法”的原理，对学生后续类似概念的学习有很好的促进作用，也提升学生的学习能力.

3 教学实践的启示

学习进阶理论充分诠释学生学习的认知过程，至于学生认知思维的过程是否是“量子化”？我们并不知道，各种文献提供的学习进阶除了对学生“迷思概念”“凌乱区间”提出“问题检测”的预测之外，没有看到更多定量的路径量化数据，这也不是本文讨论的主题.但是，量子路径积分思想对思维共生激发具有重要影响意义.

以上是笔者对初中物理概念教学实例所做的研究分析，具有一般性的意义，对高中物理教学甚至一般性的自我学习、同伴学习等都具有同等价值.但是，由于“阶”形成的原因较为复杂，不同的概念具有不同的阶，不同的学生个体也具有不同的阶，教师针对具体问题要具体分析，分析清楚该概念建构时的“阶”形成的原因，针对原因设计相应情境支架，突破“阶”点，从而实现“概念进阶”，也就实现“学习进阶”.华东师范大学课程与教学研究所终身教授高文先生说“关注知识的情境性是揭示知识本质的一个新视角”，情境支架是学习进阶过程中“阶”突破的有效手段与载体，值得在此开展更多的研究与实践.

教学法指出课堂教学设计时要切实抓住教学重点、教学难点，突破教学难点是一堂课的关键之所在，对于一堂课是这样，对一个单元的教学是这样，同样对一节课中一个环节、一个概念的教学也是这样.概念教学的难点突破在于概念“阶”的突破，就是概念建构的学习进阶的过程.教师在教学设计时应当着力于做好教学细节，从每一个环节、每一个概念着手，致力于通过情境支架的设计来助推概念教学进阶，帮助学生实现概念建构.这种物理概念教学学习进阶的重要途径与手段，将在一定程度上改变教师的教学方式.教师采用这种教学方式，既有助于激发学生的学习兴趣，又有助于降低学生学习的坡度与难度，促进轻负高效学习的实现.

参考文献：

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[5]严城.情景支架教学：物理课堂的探索与实践[J].新课程（综合版），2010（01）：47-48.

（收稿日期：2020-09-14）