《基于认知建模理论的“浮力—深度”观念教学实践研究》-理学论文，物理论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于认知建模理论的“浮力—深度”观念教学实践研究

范文

胡先涛

摘? ?要：物理概念从学科知识角度强调对本质属性的概括和抽象，物理观念从人的认知角度强调人的个体主观感悟。从概念教学转化为观念教学，认知建模理论给出了一个有效选择。在简述认知建模理论的基础上，以“浮力与深度”的核心片段教学为例进行了实证。实践证明，运用建模教学，可以有效促进心智模型向科学概念模型的深度转变，内化物理观念。

关键词：物理观念;认知建模;建模教学;浮力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2019）3-0031-3

有研究表明，学生经过初中浮力知识的学习后，并不能有效转化和积淀为物理观念而持续保持[1]，就像学生关于力的前概念在教学后并未得到有效转变一样。这是因为在概念教学中，往往非常注重对客观事物的共同特征和本质属性的概括和抽象，强调科学知识的属性，而很少关注学生原有观念的影响和个人对知识的主观理解。为解决这个问题，David Hestenes提出了认知建模理论，引起广泛的关注，并被证明是一种优于传统教学的教学理论[2-3]。本文介绍了认知建模理论，并结合教学实践，对物理观念的教学进行了探讨。

1? ? 认知建模理论简介

亚利桑那州立大学理论物理学家David Hestenes创立的认知建模理论认为，个人知识是主观的，科学概念模型是客观的，学生的个体心智模型在建立、检验与完善、应用三个不断循环的核心阶段中，能够被激发并发展成科学概念模型，强调“思维的个体建构”[2]。郭玉英教授团队在研究科学建模能力时也指出，学生的个体心智模型是基于原有认识，在观察、分析物理现象后初步形成的，再通过推理、论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正，并最终形成概念模型，是一种主动的内在心智行为能力[4]。他们都从认知的角度强调把学科知识转化为学生个人的认知，促进学生认知结构的同化，内化为学生个人的物理观念。

2? ? “浮力—深度”观念教学模式

建模教学是一种探究式教学模式[3]，科学建模能力不仅体现为一种内隐的心智行为能力，而且也是一种外显的科学探究能力[4]。认知建模教学的核心在于帮助学生进行科学认知结构的建构。借助一明一暗的两条主线：明线是利用科学探究促进学生习得学科知识;暗线是将学生的心智模型外显并转化为科学概念模型，不断把心智模型往更高、更科学的层次推动，使得从“概念”向“观念”的转变得以实现。

本文参考科学探究的要素，以及Hestenes认知建模理论的三个核心阶段，结合长期教学实践，依据心智模型的发展过程，采用“整合”思想，提出“浮力—深度”观念教学模式，如图1所示。

3? ? “浮力—深度”观念教学实践案例

在认知建模理论的指导下，笔者对《认识浮力》这节课进行了多次课堂实践，探索了浮力概念向浮力观念转变的几点实践，并对“浮力—深度”观念教学模式进行具体解读。

3.1? ? 创新实验情境，激发典型心智模型

心智模型是指人在决策过程中的倾向性以及人们所表现出来的某些技能。学生在与环境的相互作用中，会在头脑中形成自己对世界的一种理解，并以此来理解客观世界，这种理解就是学生的初始心智模型。例如，持有“浮力大小与深度有关”观念的初中生占20%，高中生占33%，大学生占近50%;持有“浮力大小与物体体积有关”观念的初中生占80.39%，高中生占52%，大學生占近52.09%。这说明学生前观念对浮力的学习有较大干扰，且在教学中难以有效转化。因此，选择“浮力与深度关系”作为学生的初始心智模型，是对学生充分分析的结果，同时它还可以作为认知结构中的固定点成为后续教学展开的基础。

核心片段教学1：

师：进行实验演示，请同学们观察，圆柱筒在空气和水中下落的速度一样吗？如图2所示，第一次将圆柱筒（体积适宜且比水的密度稍大）放在一定的高度静止后松手，圆柱筒下落至桌面上。第二次将同一个圆柱筒放在同一高度，然后松手，圆柱筒下落至水中。

生：在空气中下落得快，在水中下落得慢。

师：同一圆柱筒，为什么下落快慢不一样呢？

生1：在水中受到浮力。

生2：它可能受到水给它的一个向上的力。

师：这个力可以测量吗？请大家讨论一下，并用桌上的弹簧测力计想办法测量一下。

生：略（汇报测量过程与结果）。

师：演示手托住圆柱筒使测力计示数减小，总结浮力的定义。

师：同学们刚才所测量的圆柱筒所受的浮力大小不一样，你认为浮力大小与什么因素有关？

生：与深度有关，深度越深，浮力越大。

在这个活动中，通过创设具体的实验情境，观察、描述发生的现象，分析出导致快慢不同的原因，引出浮力定义和测量方法，实现从现象的定性观察到物理量的定量测量，为后面的实验探究铺垫操作技能。同时，这个实验情境还为学生提出问题和猜想假设提供了真实的感性认知。

3.2? ? 制造认知冲突，发展学生心智模型

学生心智模型的发展，是一个个人与外部环境相互作用的过程，必须经历推理、论证等一系列的内在认知行为来对心智模型进行验证、修正和完善。学生在生活过程中会形成自己关于自我、自己的行为以及环境方面的观念。当这些观念出现“非配合性”时，就会产生认知不协调，这种不协调会产生心理压力，使个人改变原有的观念。

3.2.1? ? 实验记录，获取证据

学生亲身经历科学探究活动，通过实际测量获取数据来制造认知冲突，从而不断修正自己的心智模型。

核心片段教学2：

师：请同学们按设计的实验方案结合导学案的指导进行实验。

生：进行实验并把数据记录在表格1中。

学生的前观念通常是朴素而顽固的。为此，教学中要给予学生足够的时间亲自动手测量和记录数据，为创设认知冲突提供事实支撑。

3.2.2? ? 多种方式表征，外显模型的修正

解释和论证是科学探究的核心。在分析论证中，将实验数据用列表、个人语言、图像三种方式进行表征，促使学生进行深度思考，外显学生心智模型的修正过程。

核心片段教学3：

生：浸没前，浮力增大;浸没后，浮力不变。

这个活动是对学生的初始心智模型进行检验和修正的关键活动。教学中给予学生足够的时间进行描点绘图、分析概括和思考讨论。实践表明，绝大部分学生对深度的影响进行了重新评价和修正，一致认为：在浸没前，浮力与深度有关;浸没后，浮力与深度无关。

3.2.3? ? 发现建构，完善模型

学生的心智模型发展到科学概念模型需要经历一系列的认知活动。当学生不能自己进一步探索新知时，教师应该提出问题，创设情境进行启发，引导学生去发现，激发学生学习的动机。

核心片段教学4：

师：我们从上面的实验现象中可以找出一个新的物理量替代深度来描述对浮力的影响吗？（提示阿基米德的故事，略）

生1：水面升高的高度。

生2：物体的体积。

生3：水面升高的那部分体积。

师：同学们都观察到水面升高的現象，水面为什么升高呢？请同学们进行小组讨论。

生1：物体浸入的那部分体积。

生2：被物体排开的液体的体积。

学生只是部分修正了自己的原有心智模型，因此必须设计活动对学生进行适当引导，并且有适量的提示，让学生特意观察和讨论分析“水面升高”这个关键现象，从而找到是物体浸入的那部分体积导致水面升高，建构起被物体排开的液体的体积的观念，实现对深度原有观念的替代。

3.3? ? 学生科学心智模型应用

当学生的心智模型发展为科学概念模型之后，就可以用现有的心智模型去认识客观事物和解决实践中的一些问题，从而对科学概念模型有更深层次的修正、完善，加深对客观世界的理解。

在应用控制变量法进行科学探究时，有些因素在学生的认知结构中不是位于同一层次的。在探究浮力大小与被物体排开的液体的体积的关系时，是不能控制浸入的深度保持不变的。只有在明确深度对浮力大小没有影响后，并以此作为认知结构中同化的固定点，再进行浮力大小与被物体排开的液体的体积的关系探究，更贴近学生的认知发展规律和控制变量法的本质。

教学实践表明，学生对浮力与深度的科学观念掌握得非常牢固，并能持续保持。学生经历自己个人的“思维的个体建构”，即初始心智模型的激发、发展和科学概念化，就能实现“浮力与深度”从概念到观念的转化，从而根植于大脑当中。

参考文献：

[1]易其顺.关于青少年浮力观念发展的调查研究[J].中学物理教学参考，2016，45（19）：43-47.

[2]Colleen Megowan-Romanowicz，许佳清.物理建模教学模式简介[J].物理教师，2011，32（8）：1-3.

[3]张静，郭玉英.物理建模教学的理论与实践简介[J].大学物理，2013，32（2）：25-30.

[4]翟小铭，郭玉英.科学建模能力评述：内涵、模型及测评[J].教育学报，2015，11（6）：75-82，106.

（栏目编辑? ? 邓? ?磊）

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