中南版“物理3/1”“先进组织者”设计研究_先行组织者论文

“司南版”《物理3-1》中的“先行组织者”设计研究，本文主要内容关键词为：司南论文,组织者论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      现代教育理念将教科书的功能指向学生的学习，根据这个意义建构，有人把教科书界定为“一种印刷品，一种介入学习过程、为了提高学习有效性而有意加以结构化了的工具”[1]。既然教科书是提高学习有效性的工具，那么，教科书的编制就要以学习心理学的研究成果为指导，对学生而言，内容呈现要增强可理解性。设计先行组织者（advance organizer）是增强可理解性的重要策略之一。先行组织者，简称组织者，是指“先于学习任务本身呈现的一种引导性材料”[2]。组织者一般分为陈述性组织者和比较性组织者，可以是一条定律、一个概念或一段概括性说明文字，也可以是具体的、直观的模型，在抽象性、概括性和包摄性水平方面既可以高于学习材料，也可以低于学习材料。本文就山东科学技术出版社出版的普通高中物理课程标准教科书《物理3-1》[3]（以下简称“司南版”教材）中的先行组织者设计做一讨论。

      一、利用说明性语言设计组织者

      利用说明性语言设计组织者能够直接提示学习者新知识的内容，人为地建立新旧知识之间的联系。如在静电现象的学习中，学生通过观察和实验，对摩擦起电、接触起电和感应起电有了直观认识，但对“物体为什么通过摩擦或接触可以带电”解释不清。“司南版”教材通过描述性语言，从物质的微观结构设计组织者帮助学生认识静电现象的本质：

      物质由分子、原子、离子等微观粒子组成，原子由原子核和绕核旋转的电子组成，原子核由中子和质子组成。中子呈电中性，质子带正电，电子带负电。原子的电子数和质子数相等，呈电中性。因此，物体不显电性，但当物体受到外界影响电子发生转移时，物体就显电性。

      这一段材料通过复习初中化学中对原子结构的认识，解释物体带电的本质是组成物质的电子发生了转移。这一概括的包摄性水平高于摩擦起电、接触起电和感应起电产生的具体原因，起到了组织者的作用，学生通过分析各种起电过程中电子是否发生转移、如何转移，可以从宏观到微观、从现象到本质解释静电现象。

      再如，像电容器等学生原来不熟悉的物理概念，教材通过下定义的方式设计说明性组织者：

      电路中具有储存电荷功能的装置叫做电容器。人们发现，任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体都具有较强的储电能力。两块彼此绝缘的平行金属板即组成一类最简单的电容器，叫做平行板电容器。

      由此可见，说明性组织者通常用于学生认知结构中缺乏适当的上位观念用以同化新知识时，为其提供一个同化新知识的固定点。

      二、利用问题设计组织者

      和直接告知具体知识内容的教科书编写方式不同，“司南版”教材设计了大量的引导性问题。这些问题有的通过设疑启迪学生思考，有的通过设问指向所研究的主题。如在学习闭合电路的欧姆定律时，教材写道：

      不含电源时，流过一段电路的电流大小与该电路的电阻及两端电压的关系为

这个关系常被称为部分电路的欧姆定律。在含有外电路和内电路的闭合电路中，电流的大小与哪些因素有关呢？

      学生已经学习了部分电路的欧姆定律、电动势和内阻等知识，但没有研究过闭合电路，不知道闭合电路的电流与什么因素有关。教材将部分电路的欧姆定律和要学习的新知识通过设问这个“组织者”联系起来，起到认知定向的作用，限制了研究范围，提出了研究问题，揭示了研究方法。

      再如，学习洛伦兹力时，教材中是这样叙述的：

      磁场对电流作用会产生安培力。电流是由电荷的定向移动形成的，那么人们自然会追问：磁场对运动电荷也会产生作用力吗？

      这个推理式的设问本身就是组织者，帮助学生在“已经知道的”与“需要知道的”知识之间架设起桥梁。

      教科书通过这些问题，唤起学生对学习内容的有意注意，激发学生的学习动机，引导学生将新学习的知识与已有认知结构中相关的部分联系起来，启发学生思考，促进有意义学习的发生。

      三、利用旁批设计组织者

      “司南版”教材的编写突出科学方法教育，将科学方法通过旁批即“方法点拨”栏目（图1）显化为学习材料，这种呈现方式便于学生归纳所学内容蕴含的科学方法。

      

      点电荷是电磁学中第一个理想模型，“司南版”教材从影响带电体之间相互作用的因素出发，指出在一些问题中，带电体的形状、大小与电荷分布可以忽略，引入点电荷的概念。紧接着教材的旁批写道：

      点电荷与力学中的质点类似，是在研究复杂物理问题时引入的一种理想模型。不少物理问题都与较多的因素有关，要研究其与所有因素的关系是很困难的，抓住主要因素构建物理模型，才可以简化研究的过程。

      这段总结性的表述，将学生认知结构中的质点模型与新学习的点电荷模型联系起来，提供了组织者，使学生将新知识纳入原有认知结构中，并丰富了原有认知结构，能够帮助学生更深刻地理解理想化思想方法的重要性和理想模型建立的方法。

      在静电力和万有引力比较的学习中，通过旁批总结了类比方法；在探究影响电阻的因素、探究影响安培力的因素时，介绍了控制变量法；在测量电源电动势和内电阻的实验中，介绍了图象法；在多用电表一节，讲解了用多用电表电阻挡测电阻的方法；在介绍电流“天平”称安培力时，指出了其所用的方法是等效替代法等。

      四、利用故事情境设计组织者

      利用故事情境设计组织者，能够更加生动地为新旧知识之间搭建桥梁，引起学生的学习兴趣。物理研究是激动人心的智力探险活动，物理学史中有大量鲜活的案例，教学中如果能以适当的方式引入，可以使学生身临其境地感受科学家的智慧，领悟科学思想方法的魅力，加深对物理知识的理解。如“司南版”教材在“磁场对电流和运动电荷的作用”一章的导入中，向学生介绍了奥斯特实验：

      丹麦物理学家奥斯特（H.C.Oersted，1777-1851）受德国哲学家康德关于自然力统一思想的影响，相信电和磁之间存在着内在的联系，为此他一直孜孜不倦地探索着。

      1820年4月，奥斯特在哥本哈根大学的一间教室讲课。在做实验时，他将导线平行放置在磁针上方，接上电源，磁针竟然偏转了。当时学生未意识到这个小小偏转的含义，而奥斯特却为此激动万分。他意识到，自己苦苦探索的电和磁之间的联系终于发现了。

      奥斯特没有急于公布自己的发现，而是继续深入研究。3个月后，他终于发表了研究结论：不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场……

      学生对电流能够产生磁场并没有直观的认识，而历史上人们对电磁之间联系的研究具有划时代意义，有丰富的可用于教学的材料。教科书通过言简意赅的语言，重温科学发现的历程。奥斯特实验的发现过程可以帮助学生建立表象。教学中，再通过演示奥斯特实验，可以使物理知识内容建立在丰富的经验事实之上，帮助学生积极主动地建构知识。

      不过，教材中故事性的组织者不多，教师在教学时，可利用物理学史或生活中的案例，选择与教学内容相关的故事情境，并紧扣其与新知识之间的联系，设计合适的组织者。

      五、利用类比设计组织者

      类比是研究物理问题的一种重要的科学方法，是根据两类对象之间的相似性，推出它们在其他方面也可能相似的一种思维方法。在物理学中，很多物理概念的建立、物理规律的发现，都与类比的思想方法密不可分。利用类比，也是设计组织者的一种重要方法。

      电势能、电势、电势差是电磁学中的基本概念，也是非常抽象的物理概念，学生原有认知结构中缺乏同化新概念的上位概念，也没有更为下位的实例，学习难度较大。“司南版”教材通过类比，设计组织者，通过相类比的事物在研究方法和逻辑过程中的相似性，促进新知识的同化。如教材通过“重力做功与路径无关，引入重力势能”相类比，引入电势能的概念；根据重力做功和重力势能改变之间的关系，得出静电力做功与电势能改变之间的关系。通过确定重力势能需要选择零势能参考平面，类比得出，确定电势能需要选择零电势能点。为了让学生理解等势面，和地理中的等高线类比：

      与在地图上用等高线来表示地势类似，在电场中可以用等势面来表示电势。

      再如，电势差概念的引入，教材也是运用了类比的方法：

      如图2所示，取不同位置为测量塔高的起点（零点），对于塔身上同一点测得的高度不同，但测得塔身上的高度差保持不变。同样的道理，选择不同的位置做零电势点，电场中同一点的电势不同，但两点之间的数值之差（电势差）不变。因此，在物理学中，研究电势差更有实际意义。

      

      上述例子中的类比，注意到了组织者和新材料之间的关联，既符合知识的逻辑意义，又符合学生的认知发展规律。

      六、利用比较设计组织者

      比较和类比不同，物理教学中的比较，目的在于比较新知识与学生原有认知结构中容易混淆的知识，增强似是而非的新旧知识之间的可辨别性。相似相异概念的比较、“形同质异”和“形异质同”模型的比较等，是设计先行组织者的主要方式，也是物理教学常用的策略之一。

      学生在原子物理学习中，往往认为原子核具有稳定性的原因是核子间的万有引力大于质子间的库仑斥力。这说明学生对微观粒子之间的万有引力和库仑力缺乏正确的认识，因而产生了错误的解释。“司南版”教材在库仑定律一节中，专门设计了“静电力与万有引力的比较”的学习内容：

      库仑定律描述的是由于物体带电引起的相互作用，其作用力的大小跟带电体的电荷量多少及距离有关；而万有引力定律描述的是由于物体质量引起的相互作用，作用力的大小跟物体质量的大小及距离有关。静电力可能是斥力，也可能是引力：而万有引力只能是引力。仔细观察，我们会发现它们有惊人的相似：两个公式中都有

，即两种力都与距离的二次方成反比；两个公式中都有与作用力有关的物理量（电量或质量）的乘积，且两种力都与乘积成正比；这两种力的方向都在两个物体的连线上。对静电力与万有引力进行比较，我们可以看到，自然规律具有多样性，又具有统一性。

      教材还通过“讨论与交流”栏目引导学生讨论卡文迪许扭秤实验和库仑扭秤实验的异同；通过例题具体计算微观带电粒子之间库仑力和引力的大小，指出“对于微观粒子，相互作用的静电力远远大于万有引力。因此，在讨论电子这类微观粒子的相互作用时，万有引力与静电力相比可以忽略不计”。

      这段材料中，教材具体比较了库仑定律和万有引力定律的相似性和不同点，通过具体计算得出氢原子核和电子之间的库仑力约为万有引力的

倍。通过这段材料的学习，在学生头脑中建立了正确的观念，明确了微观粒子之间的万有引力和库仑力的数量关系，纠正了学生的错误认识。

      这种比较性组织者通常用于学生原有观念不清晰或不巩固，或者对新旧知识之间的关系辨别不清时。但是，教材中的比较性组织者，在呈现方式和丰富性上还不够突出，以物理3-1为例，还可以比较电场强度和磁感应强度、电场线与磁感线、串联电路与并联电路、磁通量（大小、变化量和变化率）等。比较的形式，可采用表格式、提纲式等，也可以通过留白的方式，让学生在学完相应内容后，对相似的知识内容进行比较。

      七、利用实验设计组织者

      “司南版”教材中的实验，除了常规的演示实验外，还通过“迷你实验室”“实验与探究”等两个重要的栏目。尤其是“迷你实验室”，往往就是一个利用实验设计的组织者。如在探究磁场对通电导体是否也有磁力作用时，设计了一个很精妙的实验：

      如图3所示，取一铝箔条，把它折成天桥形状，用胶纸粘牢两端，使蹄形磁铁横跨过“天桥”。当电池与铝箔接通时，“天桥”会怎样？改变电池的正负极接线，“天桥”会怎样？将磁体的S极、N极交换位置，“天桥”又会怎样？

      

      学生头脑中本来没有安培力的概念，也缺乏同化安培力的知识基础，但是通过实验设计组织者，学生通过观察得出：不仅磁体之间有相互作用，磁场对电流也有力的作用。为学生同化安培力的概念提供了固定点。

      再如电场线的学习，尽管在初中物理中曾经用磁感线来形象地描述磁场，学生也能想到可以用类似的方法描述电场，但如果直接进行类比和告知学生电场线的概念，学生只能机械地记忆电场线的概念，运用电场线解决问题。为了重视知识形成的过程，“司南版”教科书通过“实验与探究”具体研究了“电荷间的电场分布”：

      在装有蓖麻油的玻璃器皿里撒上一些细小的头发屑，再加上电场，头发屑就会重新排列。图4（a）是头发屑在一对等量异种电荷形成的电场中的排列情况；图4（b）是头发屑在一对等量同种电荷形成的电场中的排列。观察这两幅图，你认为它们的分布有什么特点？

      

      通过实验模拟电场线的分布，使电场线概念的建立立足于实验事实之上，也便于学生归纳电场线的特点，避免机械记忆。实践表明，通过实验、直观模型改善教材呈现方式，设计组织者，能够有效提高物理学习质量。

      八、利用“拓展一步”栏目设计组织者

      “拓展一步”是“司南版”教材中一个比较有亮点的栏目，设计这一栏目，一方面让学生在完成课程标准要求的学习内容之后，根据自身情况有选择地更加深入地了解相关内容；另一方面，学生在原有基础上学习“拓展一步”栏目内容后，有助于加深对原有知识的理解，“拓展一步”呈现的知识内容在概括性、综合性和包摄性水平上高于学生要重点学习的内容，起到组织者的作用。如学生在学习了安培力大小的影响因素，得出安培力的计算公式和左手定则之后，教科书适时地通过“拓展一步”设计组织者，引导学生进一步理解安培力：

      当电流方向与磁场方向有一个夹角θ时，可以把磁感应强度矢量分解为两个分量，如图5所示：①与电流方向平行的分量

=Bcosθ；②与电流方向垂直的分量

=Bsinθ。实验和研究表明：

对电流没有作用力，因此电流所受作用力F完全由

决定，即F=Il

，由此可得

      F=IlBsinθ

      

      上式表明：安培力F的大小等于电流I、磁场中导线的长度l、磁感应强度B以及I和B之间夹角θ的正弦值的乘积。

      当通电导线的方向和磁场平行（θ=0°或θ=180°）时，安培力最小，等于零；当θ=90°时，安培力最大。

      教学实践中，学生往往不能正确计算通电导线的“有效长度”，这说明他们不能将在匀强磁场中与磁场垂直的直导线受到的安培力F=IlB迁移到与匀强磁场非垂直的非直导线问题中。通过“拓展一步”，学生学习了矢量分解运算在磁场中的运用，为安培力的计算提供了方法指导。

      综上，“司南版”教材从多个方面有效设计组织者，增强了教材的可理解性。教师在实施物理课堂教学时，也要善于运用先行组织者策略。如何充分发挥先行组织者的引导作用？这就需要教师准确了解学生原有的知识结构，特别要注重组织者与新材料之间的关联，尽可能以形象、通俗易懂和学生喜闻乐见的形式将组织者呈现给学生，促进学生的学习。

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