基于学习心理学视角的比值定义法的教学探讨
杜嘉萍 朱广天
摘? ?要：有效教学应建立在对学习机制理论理解的基础之上，因此有必要对学习心理学进行研究。比值定义法是物理中定义物理量的常用方法，教学中应关注方法的显性化教学和对公式背后物理含义的理解。文章以高中物理“电场强度”的概念教学为例，从学习心理学视角出发，探讨比值定义法的教学实施，为课堂教学提供参考。
关键词：比值定义法;学习心理学;电场强度
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）8-0056-4
学习心理学是研究人学习的内部机制的一门科学[1]，通过对学习目标分类、信息加工机制等的研究，为教学提供教学规律分析的基础和依据，帮助教师科学地安排教学任务，作为一种与哲学经验不同的教学取向，符合学习机制的教学更有效、科学[2]。比值定义法是一种建立概念的认知策略，指通过两个物理量的比值来定义一个新的物理量。物理学中有众多物理概念是使用比值定义法建立的，如密度、电场强度、电势、加速度等。本文以高中物理“电场强度”的概念教学为例，从学习心理学视角出发，探讨比值定义法的教学实施。
1? ? 比值定义法
比值定义法适用于对反映物质的本质、特征属性的物理量的定义，它不随定义所用的物理量的大小变化而改变。适用于满足以下条件的环境下使用：（1）客观上需要;（2）间接反映特征属性的两个物理量可测，且存在因果逻辑关系，因果关系受物质属性作为前提条件的制约;（3）两个物理量的比值是定值[3-4]。
确定使用比值定义法的步骤：（1）确定物质属性是如何通过与外界发生作用体现的，该步骤使用转换法认知策略进行;（2）确定存在因果关系的两个物理量，保证两个物理量的比值是定值，比值结果是产生因果关系的前提条件，即事物的本质属性;（3）写出比值式。
以电场强度的定义为例[3]，在静电场中，电场表现出对放入电场中的电荷有静电力的作用，它们的因果关系如图1所示。
2? ? 学习过程分析
参考新课标对此提出的概念学习目标“了解电场强度，体会用物理量之比定义新物理量的方法。”综上分析，认知性教学目标确定为：让学生理解电场强度，能用自己的语言解释电场强度的物理性质、建立过程。并让学生经历运用比值定义法确定电场强度概念的过程，体会比值定义法的运用。
分析学情，学生已知：电荷的周围存在着由它产生的电场，场也是一种物质，即使它看不见、摸不着;且电场具有对放入场中的电荷有力的作用的性质，待求为电场强度的定义式。
学习中需解决的问题包括：将对电场的研究转换为对试探电荷受到的静电力的研究;对“直接用一试探电荷所受静电力大小反映电场强度强弱”的可行性分析与否定;转而用静电力与试探电荷量的比值反映电场强度，得出电场强度的定义式;领会比值意味着什么。包括：为什么可以通过比值定义法定义新变量？新变量为什么不随另外两个物理量的变化而变化。
以“电场强度”为例，学习机制见表1。
其中，求同法、求同求异法是19世纪英国逻辑学家穆勒提出的探索因果联系的归纳方法——穆勒五法[5]。
3? ? 基于学习心理学的“比值定义法”教学设计
3.1? ? 通过转换法得出：“通过电场中电荷受到静电力的大小来反映电场的强弱”
教师提出问题：“电场看不见、摸不着，应如何研究”，带领学生回忆同样采用转换法间接证明音叉振动的实验，让学生经历比值定义法的第一步：从事先得知的物质属性会表现出的物理性质出发，将对物质属性的研究转换为对可观测量的研究。
“将不容易观察到的振动转换为感受其对面部力的作用来研究。这样做的原因是事先得知振动的性质：振动能对与它接触的物体有力的作用。”
迁移到电场，学生回忆事先已学习了电场表现的性质：会对放入场中的电荷施加力的作用，得出结论“可以通过观测电荷受到的静电力的作用去研究电场”，因此也能得出“通过电场中电荷受到静电力的大小来反映电场的强弱”。
3.2? ? 通过排中律否定：“直接用任一试探电荷所受静电力反映电场强度”
排中律是一种对命题判断的逻辑思考，指两个互相矛盾的命题，不可能同时为假，必有一真。
教师引入场源电荷和试探电荷，并对试探电荷作进一步解释：试探电荷只起类似于测量工具的作用，让学生考虑用不同电荷量的试探电荷去测点电荷电场中某同一点A点受到的静电力大小。给出简单数值，引导学生进行库仑定律计算。见表2。
教师提出疑问：结论能不能说明电场的强弱与试探电荷的大小有关？
引导学生思考，并假设电场的强弱与试探电荷的大小有关，则会有：
命题一：电场的强弱与试探电荷的大小有关。
命题二：已知电场是客观存在的，试探电荷只起类似于测量工具的作用。
根據排中律，两命题矛盾，命题二是正确的，因此命题一错误，电场的强弱与试探电荷的大小无关。
3.3? ? 通过求同法得出：“可以通过用静电力与试探电荷量的比值反映电场强度”
虽然可用电场中电荷受到静电力的大小来反映电场的强弱，但在电场的同一点位置，使用不同试探电荷观测，所受的静电力也不相同。说明静电力不具备客观性，与试探电荷有关。那应该怎么描述电场的强弱呢？
教师应在此引导使用求同法的认知策略，求同法是指研究的现象中在不同场合出现某共同的结果，而在各场合中只有一个条件是共同的，那么这个共同条件与共同结果之间有因果联系。
请同学们推测在A点放入电荷量为 4q1的电荷受到的静电力大小，并证明后，便能从表3中发现规律：电荷量每增加一倍，静电力也相应增加一倍。并且经过“同一点A点，改变不同试探电荷，电场强度应该不变”理论分析，运用求同法认知策略，在表3中找出一个条件变化、但结果总不变的量来对应描述电场强度。
根据求同法：
共同条件：都是处于A点位置，电场强度相同。
共同结果：F/q数值都一样。
结论：电场强度与F/q有关，可以用F/q反映电场强度。
3.4? ? 通过求同求异法验证：“可以用F/q大小反映电场强弱”
为验证用F/q大小反映电场强弱的可行性，学生可计算比较，若在场中靠近场源的A点、相对场源较远的B点放入试探电荷q1和q2，两点F/q结果的特点。见表4。
求同求异法要求人们运用求同法思考的同时，考虑到差异条件，如果在某结果出现的一组场合A中，有唯一的共同条件，在另一结果出现的另一组场合B中，没有这个条件，那么，这个差异的条件就是影响结果发生的原因。
根据求同求异法：结果显示，同一试探电荷在A点F/q的数值较大，这是符合经验的（离场源电荷近，电场强度大），A点的电场强度较大。结果同时显示，不同试探电荷在同一点（A点或B点）F/q的数值相同，这也符合经验（电场分布固定后，同一位置点的电场强度只有唯一一个值）。因此证实，可以通过F/q的数值来反映电场的强弱。
3.5? ? 比值定义法的方法显性化教学
最后教师应揭示，学习过程中采用的是比值定义法，在带领学生反思电场强度概念得出的过程中，介绍比值定义法的特点、使用步骤、适用条件。
E=■公式的含义，揭示了比值定义法的作用在于采用数学处理的方法统一“测量”标准，去比较大家都用1 C同一电荷量的试探电荷所受的静电力大小来反映电场强度，消除用不同电荷量的试探电荷测量带来的影响，类比“单价”的概念可加深学生对比值定义法的体会。
4? ? 教学启示
学生在对知识进行信息加工处理的过程中，自然地会在头脑中运用到如求同法、排中律等的认知策略，教师应根据学生的学习机制，科学组织教学内容。根据学习心理学，学生运用认知策略具有潜在性[5]，即用而不自知。教学中应注意将因果逻辑过程显性化，让学生能清晰整理头脑中的思考。同样的，比值定义法的教学不应该只停留至学生得出数学公式的层面，而忽视了方法的显性化教学和公式背后物理含义的理解。
運用学习心理学能有效地指导教师遵循学生的学习机制，作出科学的教学任务分析，运用认知策略帮助学生理解学习内容，以电场强度的概念学习为例，学生最终达成知识和方法的学习目标。正所谓“以学定教，教学有法”，教师应关注学习心理学取向的教学研究，将教学建立在科学的理论基础之上。
参考文献：
[1]陈刚.论物理概念和规律意义学习的教学设计——学习心理学的视角[J].全球教育展望，2014，43（12）：58-71.
[2]皮连生，吴红耘.两种取向的教学论与有效教学研究[J].教育研究，2011，32（5）：25.
[3]李君健.比值定义法的物理思想及教学启示[J].物理教学探讨，2014，32（12）：45-46.
[4]闫斌.比值定义法在高中物理教学中的应用研究[J].中国校外教育，2019（22）：56-57.
[5]陈刚.物理学习与教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2019：21-33，69-88.
（栏目编辑? ? 罗琬华）
