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【摘 要】 本文运用“耗散结构”理论,通过朴素而浅显的教学语言分析和阐述了新课程背景下培养学生建立有序科学知识体系,使已学知识结构有序化对于培养学生的创新精神和实践能力的重要性。并结合科学教学实际,提出在教学中实施分类、再生、对应等教学策略来帮助学生构建有序知识结构的观点。本文还认为教师在教学实践中有意识地渗透这一教学思想,使学生在积累知识的同时逐渐使知识结构走向有序化的过程就是教学效益最优化的过程。
【关键词】 耗散结构 结构有序 知识再生
1 问题背景
我在一次科学教研活动中听一位教师给我们上的是一堂“热学”复习课。这位教师安排的“引课”环节是:请同学们通过对高压锅的观察(讲台上摆放一只高压锅),说出高压锅运用了哪些有关热学知识?结果,课堂上学生的表现,让这位教师倒吸了一口冷气:冷场、学生不知所措。给我的感觉是学生似乎对储存在大脑已学知识进行建构时,可能是没有“层次”而“无序”的,导致需要知识再现时,一时无法从大脑的“硬盘”中快速搜索出来。
通过这次听课,我一直在思考这样一个问题:怎样才能让学生对已经学过的知识建立起有序结构,在遇到具体问题时,可以从储存在大脑皮层的“有序结构”中向外“释放”知识时能做到厚积薄发?试想如果学生能够将所学知识在大脑中建立起有序结构,就有可能按照一定的“顺序”进行“阐发”:对于“高压锅”问题,如果学生能够从“高压锅的原理”到“高压锅的结构”;从“高压锅的材料”到“液体沸腾条件”等顺次有序呈现,就会显得“胸有成竹”,“思路清晰”。由此可见,建构知识是学习者在经过学习后是否有所收获的重要标志。学习者经过学习,建构起某知识点,意味了学习者对该知识点达到了拥有程度。如何有序、有效建构知识,是学习者能否超越学习层面进入探究创新层面的重要基础。
例1:“光合作用”的有序知识建构:①过程:光合作用反应式;②原料:水、二氧化碳等;③产物:有机物和氧气;④场所:叶绿体;⑤条件:有光照;⑥所需能量:光能。
从以上内容可以看出,学生在掌握了光合作用这6个要素,要构建光合作用的概念就不是难事了。当然,学生的表述会与教材上的定义有一定的差异,但只要概念的构成要素齐全,表述顺序的差异是可以接受的。在我们的教学实践中,多数教师都有这样的教学感悟:学生听教师在黑板上板演、讲解例题时,都表现很好——听得懂、学得会。然而,黑板一擦,叫学生上黑板演练却又是另一番景象——不会做或做不齐全。事后我对上述现象进行认真思考和研究,既分析观察生活中的有序和无序现象(如家庭主妇摆放衣物,学生学习用品的摆放、课本书籍的整理),又通过问卷调查获取学生对已有知识结构有序化的检测(如电路计算的一般步骤),都反映了一个共同问题:知识结构无序,并正在影响着学生的生活和学习质量。笔者还有意识地将这一“结果”在自己课堂教学中进行验证,结果也是如此。针对平时学生小考(单元测试)成绩尚可,而遇到大考(期中、期末、升学考试)却情况总是不理想的教学现状,想起在“升学”和“题海战术”影响下,学生学习科学现状:翻开试卷,见到题目的第一反应就是“这道题目我有没有做过”?而不是确定它属于哪一“类”,然后与原有知识结构中相应类别问题建立快速“相应”。一旦确定类别的归属,就可从有序知识结构中搜索解决该问题的相应:一般方法和特殊方法。否则,学生在解决科学问题时,就如同赌博一样:教师讲到的,考试过的题目,就能“条件反射”似地解出来;如果是从来没有见到过的问题,就只能“束手待毙”。如果能培养学生将所学知识建立起有序化结构,那么减轻负担,提高质量就成为可能。因此,在科学课堂教学中开展建立有序知识结构的研究对于提高教学效率,实现轻负高质具有重要的现实意义。
2 理论依据
2.1 耗散结构理论。动态平衡态势是自组织系统有序化运动的普遍规则。自组织系统的有序化运动取决于系统内各因素相互不断的作用能否形成动态平衡态势。动态平衡态势是系统内各因素相互不断的作用所呈现的和谐状态的统计性描述。耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下,通过自组织形成的一种新的有序结构。“耗散”一词起源于拉丁文,原意为消散,在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。例如:“某同学走路的速度是1.3米/秒,它表示什么意思?”答:该同学每秒钟走的路程是1.3米。也可以说“该同学1秒钟内走的路程是1.3米”。
“铝的密度是2.7×103千克/米3,它表示什么意思?”答:每米3铝的质量是2.7×103千克。也可以说“1米3铝的质量是2.7×103千克”。
“一块砖平放在地面上对地面的压强是1000帕,它表示什么意思?”答:每平方米地面上受到砖块的压力是1000牛顿。也可以说“1平方米地面上受到砖块的压力是1000牛顿”。
这三个问题之间看不出有什么内在联系——无序的,但是,若把这三个答案纵向排列在一起,你就会发现它们之间有一定的“空间和时间顺序”——先说分母,再说分子。并且“分母”要么说“每……”、要么说“1……”、要么说“单位……”。如果能站在更高的角度来审视,结果就会发现一个重要的推论:如果一个物理量是用另两个物理量的比值来定义的,那么它所表达的意思都可以用上述的形式来表示。这样比较容易发现各概念之间形成一个整体,并且是有序的。
2.2 新课程标准。为了研究这一问题,我重新认真研读了新课程标准,发现标准中并没有对“科学知识结构”有一个明确而具体的教学要求,而只是在教学目标中,比较含糊地指出:经历观察、操作、归纳等学习科学的过程,感受科学思考过程的合理性。笔者认为,这是《标准》自身的不足之处。因为,建立有序的知识结构,不仅是素质教育的需要,也是当代社会科技发展对人类能力素质的要求。当然建立有序的知识结构,需要“归纳”能力作“支持”,这也算是对建立有序知识结构的一个“连带”目标要求。
2.3 门捷列夫元素周期律。俄罗斯化学家门捷列夫通过对自然现象的观察与研究后说过这样一段话:“自然界不可能是混乱无秩序的。自然界一定存在一种规律,它可以说明所有元素之间差异和相同之处。”门捷列夫就是在这种思想指导下,经过不懈努力发现了元素周期律。门捷列夫发现元素周期律对笔者有如下四点启示:①对复杂现象要寻找规律;②要善于总结前人的成果和经验;③要尊重事实,善于思考;④要学会用简单的方法表述复杂的问题。然而,科学发展史表明,像门捷列夫那样将看似彼此不相甘的知识通过有序知识建构,就能达到“用简单的方法表述复杂的问题”有目的。
3 有序知识建构策略
在复习阶段,如何帮助学生建立有序的知识结构,使得在解决具体问题时,让学生能够快速、有效地从大脑中原有知识结构中搜索出与需要解决的问题相关联知识发生作用、建立联系从而培养学生解决问题的能力。下面结合自己教学实际,浅谈建立有序知识结构的相关教学策略。
3.1 分类策略。在我们的教学实践中,有一种奇怪的现象,那就是考试、作业如同“赌博”:翻开题目,如果是老师讲过的、自己做过的,那么就“有戏”;如果没有讲过、做过,则无从下手。反映出学生在解决具体问题时,没“程序”,全凭“运气”,而不是按照:找关键词、分析特征、判断归类,再根据相应类别从大脑中再现出解决此类问题的一般方法和特殊方法。知识的有序结构的基本特征之一就是将知识“分类储备”,只有将已学知识进行科学分类,才有可能使各“类”知识之间因相互关联而成为“体系”。如“杠杆”,依据动力臂和阻力臂大小关系可以分为省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆;依据杠杆的形状可以分为直杠杆、曲杠杆和圆杠杆。由此可见,通过对知识的整合,不仅使结构有序,而且各知识的特征也能凸现出来。在解决具体问题时,学生只要能够从有序知识结构中抓住各知识的关键特征,在解决具体问题时就能“厚积薄发”,应对自如。
例2:关于电表读数变化问题的分类教学:一类是电压表并联在定值电阻两端,如图1所示。当滑片P向左移动过程中,电流表和电压表读数如何变化?答案:电流表读数变大,电压表读数变大。教学时,需要变化电路图的结构、形状,但不改变“电压表并联在定值电阻两端”这一关键特征。连续练习三至四的类似问题,就不难找到一个规律:两表读数同步变!
二类是电压表并联在非定值电阻两端,如图2所示。当滑片P向右移动过程中,电压表读数如何变化?答案:电压表读数变大。而这一类问题的解题规律是:电压表读数随着电压表两腿之间的电阻变大而变大,反之,就变小。图中较粗部分线条喻为“两腿”。
三类是电压表并联在电源两端,如图3所示。在电源电压保持不变的条件下,闭合开关S后,电压表读数将如何变化?答案:不变。
四类是既并联在非定值电阻两端,又并联在电源两端,如图3所示。在电源电压保持不变的条件下,闭合开关S后,电压表读数将如何变化?答案:不变。
分析:在第三问中,如何按照第二类问题进行分析,则会出现“两腿之间因并联而使电阻就小,电压表读数变小”的结论。由此可见,在电路情况属于“既并联在非定值电阻两端,又并联在电源两端”这一类问题时,应该归属于“电压表并联在电源两端”一类来处理。
综上所述,在教学中,教师如果有意识地注意和加强分类设计教学,对于提高学生分析归纳问题的能力,提高复习教学效率是十分有益的。
需要特别注意的是,像第一、二两类问题所得出的结论,必须要在3~4个同类型问题的分析解答后才能抽象归纳出这样的结论。千万不能就一个问题就草率给出结论,因为一个问题的结论是不具有普遍性而存在偶然性的。
教师在实施分类教学时,教师要充分认识到只有当知识积累到一定量时,才有“方法”指导和“能力”培养的可能。因为,知识量的积累是培养学生建立知识结构,形成科学化、层次化、序列化的知识体系的重要“物质基础”。关注我们身边的科学教学现状不难看出,科学知识量的积累已经不再是个问题,问题是积累知识的同时,没有足够地重视对知识的有序建。只有量的积累而没有实现由量变向质变的跨跃。如在“问题背景”中所提到的“关于热学相关知识”,如果换作选择或填空的方式要求学生解答,估计问题不是很大。而用“发散”式的提问:“请阐述热学的相关知识”,暂时性失去了从大脑原有知识结构进行“检索”的线索,学生一时不知所措——荤了。我认为,除了知识的“量”是建立有序的知识结构的“物质基础”外,如何将已积累的知识进行“分门别类”,类似“集成电路”地储存在原有知识结构中相应的“位置”,是一种方法和能力的体现。只有能够将知识的堆积变为知识系统——有序化结构时,学生才能将知识升华为能力,再生出新的知识。当一位学生在积累一定量的知识时,其科学能力、科学思想、科学方法等水平的高低就取决于对知识的分类水平。通过对知识的科学分类,所建立起来的知识结构必定是有序的。从目前科学教学现状不难看出,对知识进行分类实际上还仅仅是一种教学“口号”,在教学实践中并没有实际的操作意义。真正能够操作起来的知识分类认知流程是:
储存相应知识结构类别:是指已经储存在大脑中原有知识板块和类别所对应的特征。
读取原有信息再现知识特征:是指从所要解决的问题中选取有用信息,并发现该信息所具有的特征。
求解问题与储存知识建立关联:是指所需解决问题中的特征与储存知识特征之间产生一种联系,找到一种对应的关系。
对知识进行判断:所需解决的问题应该运用什么方法来解决比较合适,需要根据储存的知识作出肯定性的判断。
二次检索对应类别知识解答方法:是指原有知识结构中已经储存的知识类别都有相应的解决方法,这些方法中适合所需解决问题的又是哪一种,需要在大脑中进行二次检索。
解答问题:根据所求解问题的类别判断,在原有知识结构中进行快速检索出解决问题的最隹方法,使问题迎刃而解。
例3:将L1“6V6W”和L2“12V6W”两灯串联在某电路中,为使两灯都安全,电源电压最大不能超过多少伏?电路允许消耗的最大功率为多少瓦?
问题类别判断:串联电路和应用;P实=U实2/R的应用。
求解方法:专用公式的:U最大=I额小(R1+R2);P最大= I额小2(R1+R2)或P最大= U最大2/(R1+R2)
解题过程再现:一用R=U额2/P额求两灯的电阻;二用I=P额/ U额求额定电流;三代入对应公式求解。
问题特点:“为了安全”串联电路有个的限流特点,正是由于限流推出限压来。
像这种问题的教学,从某种意义上来说,是“方法指导”的具体化,“通过培养”的过程化体现。不要只重视解题过程和结果,而疏忽具体方法的指导。
需要说明的是,U最大=I额小(R1+R2);P最大= I额小2(R1+R2)或P最大= U最大2/(R1+R2)这几个公式是教师对建构有序知识结构教学的一种创新,是创造性劳动的结晶。平时在类似问题的教学时,要经过严格的推理,并说明公式的适用条件。
3.2 再生策略。在遇到一个具体问题时,如果能迅速地将原有知识结构中的旧知——已知,与所研究对象或需要解决的问题——未知之间建立联系,那么这种“建立联系”的先决条件就是已建立起来的知识结构是有序的,否则,这种联系就难以建立起来。联系不能及时建立起来,解决问题就不太可能。这种联系的有效快捷建立,对于培养学生思维水平、创新能力无疑是十分有益的。通过有效快捷联系,可以使大脑思维活动催生出解决问题的的“新”方法,使旧知“再生”出新知来。
如例3中的串联可以变为并联,然后求解同样问题,就可以再生出解决“并联”问题的一般方法:U最大=U额小;P最大= U额小2/R1+ U额小2/R2。也就是从原有知识结构“串联”中去“搜索”对应“并联”的解决方法。从而再生出新知识、新方法。
例4:如求一个氖原子的电子数\一个水分子H2O的电子数、Mg2+的电子数、NH4+的电子数、OH-的电子数、SO42-的电子数。
解:如下表所
这里运用表格的方法来解题本身就是一种创新。因为这样的教学组织与教学表达已经为课堂教学顺利进行做好了符合学生认知规律的“预设”。从这一题解决过程来看,就其中某一个问题并不是很困难,然而要求同学们通过对上述五个问题进行归纳总结出一个具有普遍意义的“微粒带电子数的计算公式”这不是新知识的再生吗?
微粒带电子数的计算公式为:微粒所带电子数=微粒所带质子数±所带电荷数。
当然,知识再生是一个合作探究的过程,是一个创造性的学习过程,是一个从特殊到一般的抽象思维过程,教师千万不能替代学生过早呈现而犯“过渡作为”的错误。
3.3 对应教学策略。在知识的重组与建构时,“分类”为“有序”铺垫,而在运用有序知识结构来解决问题时,“对应”是“有序”的重要特征之一。也就是说,只有“建构有序”,方能“厚积薄发”。如果学生所建立的知识结构有序的,那么在遇到具体问题时就能使已知与未知之间快速形成一种“对应”关系,在这样指导下,所再现出来的知识必然是解决问题所需要的“有利武器”。例如,在“用天平测物体质量”的教学中,有一个两次“平衡”的问题,让学生初学时制造了不少的麻烦。如果教师能够运用“对应”教学策略,可能情况会好些。
称物前——用横梁两端螺母调节平衡;称物时——用加减砝码或移动游码来调节平衡。
其实在我们科学教学中,这样的例子不胜枚举。问题是教师这种“对应”的意识、审题时圈出关键词的方法指导有无放入教学决策——教学序设之中。
例5:探究性实验中的“对照组”与“实验组”的区分,如果教学策略不当,会使学生大脑处于“混沌”状态,对问题的判断总是似是而非,模棱两可。因为我们的教材中,并没有对“实验组”与“对照组”的一个上具有操作性这定义,所以教师在教学设计预案中要充分利用学生原有知识结构中的先验,将不具操作内容“变”为可操作性的表述:针对实验要研究的因素不作任何实验处理的往往为对照组;用实验所研究因素处理的往往为实验组。也可以认为,人为控制的往往是实验组;自然条件下发生的往往为对照组。如右图所示,虽然是一个学生未曾谋面的实验问题,但由于学生在大脑中对“不做处理、自然条件”与对照实验之间已经建立了“对应”关系而作出反应:A是对照组,B是实验组。
例6:(05高考题)为验证光是植物生长发育的必要条件,设计如下实验:选择生长状况一致的小麦幼苗200株随机分实验组和对照组,分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组和预期结果几种组合,其中正确的是①实验组、②对照组、③黑暗中培养、④光照下培养、⑤生长发育好、⑥生长不良。
A、①③⑤ B、②④⑥ C、①③⑥ D、②④⑤
分析与解答:正确的组合是:对于实验组来说,应该是:①③⑥但对于对照组而言应该是:②④⑤。
必须指出,上述三种策略是一个有序的整体,不能隔离开来孤立看待。只有交叉使用,分别对待,才能使所建立起来的知识结构系统化、有序化。
总之,作为新课程改革实施主角之一的教师,在课堂教学中能够针对教学中存在的实际问题认真反思自己教学中的不足之处,提出假设、设计研究方案、实施教学实验、收集事实和证据、总结评价等教学探究活动,是我们教师在推进新课程改革和实施素质教育中,可行又可为的教学研究活动。在“建立有序知识结构”的思想指导下,开展教学研究工作,长此以往地坚持下去,就有望“基础扎实、结构有序”,在解决具体科学问题时,就能运用自如、厚积薄发。
参考文献
1 许国志主编.系统科学.第一版.上海科技教育出版社,2000.9
2 朱清时主编.科学.浙江教育出版社,2007.5
【关键词】 耗散结构 结构有序 知识再生
1 问题背景
我在一次科学教研活动中听一位教师给我们上的是一堂“热学”复习课。这位教师安排的“引课”环节是:请同学们通过对高压锅的观察(讲台上摆放一只高压锅),说出高压锅运用了哪些有关热学知识?结果,课堂上学生的表现,让这位教师倒吸了一口冷气:冷场、学生不知所措。给我的感觉是学生似乎对储存在大脑已学知识进行建构时,可能是没有“层次”而“无序”的,导致需要知识再现时,一时无法从大脑的“硬盘”中快速搜索出来。
通过这次听课,我一直在思考这样一个问题:怎样才能让学生对已经学过的知识建立起有序结构,在遇到具体问题时,可以从储存在大脑皮层的“有序结构”中向外“释放”知识时能做到厚积薄发?试想如果学生能够将所学知识在大脑中建立起有序结构,就有可能按照一定的“顺序”进行“阐发”:对于“高压锅”问题,如果学生能够从“高压锅的原理”到“高压锅的结构”;从“高压锅的材料”到“液体沸腾条件”等顺次有序呈现,就会显得“胸有成竹”,“思路清晰”。由此可见,建构知识是学习者在经过学习后是否有所收获的重要标志。学习者经过学习,建构起某知识点,意味了学习者对该知识点达到了拥有程度。如何有序、有效建构知识,是学习者能否超越学习层面进入探究创新层面的重要基础。
例1:“光合作用”的有序知识建构:①过程:光合作用反应式;②原料:水、二氧化碳等;③产物:有机物和氧气;④场所:叶绿体;⑤条件:有光照;⑥所需能量:光能。
从以上内容可以看出,学生在掌握了光合作用这6个要素,要构建光合作用的概念就不是难事了。当然,学生的表述会与教材上的定义有一定的差异,但只要概念的构成要素齐全,表述顺序的差异是可以接受的。在我们的教学实践中,多数教师都有这样的教学感悟:学生听教师在黑板上板演、讲解例题时,都表现很好——听得懂、学得会。然而,黑板一擦,叫学生上黑板演练却又是另一番景象——不会做或做不齐全。事后我对上述现象进行认真思考和研究,既分析观察生活中的有序和无序现象(如家庭主妇摆放衣物,学生学习用品的摆放、课本书籍的整理),又通过问卷调查获取学生对已有知识结构有序化的检测(如电路计算的一般步骤),都反映了一个共同问题:知识结构无序,并正在影响着学生的生活和学习质量。笔者还有意识地将这一“结果”在自己课堂教学中进行验证,结果也是如此。针对平时学生小考(单元测试)成绩尚可,而遇到大考(期中、期末、升学考试)却情况总是不理想的教学现状,想起在“升学”和“题海战术”影响下,学生学习科学现状:翻开试卷,见到题目的第一反应就是“这道题目我有没有做过”?而不是确定它属于哪一“类”,然后与原有知识结构中相应类别问题建立快速“相应”。一旦确定类别的归属,就可从有序知识结构中搜索解决该问题的相应:一般方法和特殊方法。否则,学生在解决科学问题时,就如同赌博一样:教师讲到的,考试过的题目,就能“条件反射”似地解出来;如果是从来没有见到过的问题,就只能“束手待毙”。如果能培养学生将所学知识建立起有序化结构,那么减轻负担,提高质量就成为可能。因此,在科学课堂教学中开展建立有序知识结构的研究对于提高教学效率,实现轻负高质具有重要的现实意义。
2 理论依据
2.1 耗散结构理论。动态平衡态势是自组织系统有序化运动的普遍规则。自组织系统的有序化运动取决于系统内各因素相互不断的作用能否形成动态平衡态势。动态平衡态势是系统内各因素相互不断的作用所呈现的和谐状态的统计性描述。耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下,通过自组织形成的一种新的有序结构。“耗散”一词起源于拉丁文,原意为消散,在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。例如:“某同学走路的速度是1.3米/秒,它表示什么意思?”答:该同学每秒钟走的路程是1.3米。也可以说“该同学1秒钟内走的路程是1.3米”。
“铝的密度是2.7×103千克/米3,它表示什么意思?”答:每米3铝的质量是2.7×103千克。也可以说“1米3铝的质量是2.7×103千克”。
“一块砖平放在地面上对地面的压强是1000帕,它表示什么意思?”答:每平方米地面上受到砖块的压力是1000牛顿。也可以说“1平方米地面上受到砖块的压力是1000牛顿”。
这三个问题之间看不出有什么内在联系——无序的,但是,若把这三个答案纵向排列在一起,你就会发现它们之间有一定的“空间和时间顺序”——先说分母,再说分子。并且“分母”要么说“每……”、要么说“1……”、要么说“单位……”。如果能站在更高的角度来审视,结果就会发现一个重要的推论:如果一个物理量是用另两个物理量的比值来定义的,那么它所表达的意思都可以用上述的形式来表示。这样比较容易发现各概念之间形成一个整体,并且是有序的。
2.2 新课程标准。为了研究这一问题,我重新认真研读了新课程标准,发现标准中并没有对“科学知识结构”有一个明确而具体的教学要求,而只是在教学目标中,比较含糊地指出:经历观察、操作、归纳等学习科学的过程,感受科学思考过程的合理性。笔者认为,这是《标准》自身的不足之处。因为,建立有序的知识结构,不仅是素质教育的需要,也是当代社会科技发展对人类能力素质的要求。当然建立有序的知识结构,需要“归纳”能力作“支持”,这也算是对建立有序知识结构的一个“连带”目标要求。
2.3 门捷列夫元素周期律。俄罗斯化学家门捷列夫通过对自然现象的观察与研究后说过这样一段话:“自然界不可能是混乱无秩序的。自然界一定存在一种规律,它可以说明所有元素之间差异和相同之处。”门捷列夫就是在这种思想指导下,经过不懈努力发现了元素周期律。门捷列夫发现元素周期律对笔者有如下四点启示:①对复杂现象要寻找规律;②要善于总结前人的成果和经验;③要尊重事实,善于思考;④要学会用简单的方法表述复杂的问题。然而,科学发展史表明,像门捷列夫那样将看似彼此不相甘的知识通过有序知识建构,就能达到“用简单的方法表述复杂的问题”有目的。
3 有序知识建构策略
在复习阶段,如何帮助学生建立有序的知识结构,使得在解决具体问题时,让学生能够快速、有效地从大脑中原有知识结构中搜索出与需要解决的问题相关联知识发生作用、建立联系从而培养学生解决问题的能力。下面结合自己教学实际,浅谈建立有序知识结构的相关教学策略。
3.1 分类策略。在我们的教学实践中,有一种奇怪的现象,那就是考试、作业如同“赌博”:翻开题目,如果是老师讲过的、自己做过的,那么就“有戏”;如果没有讲过、做过,则无从下手。反映出学生在解决具体问题时,没“程序”,全凭“运气”,而不是按照:找关键词、分析特征、判断归类,再根据相应类别从大脑中再现出解决此类问题的一般方法和特殊方法。知识的有序结构的基本特征之一就是将知识“分类储备”,只有将已学知识进行科学分类,才有可能使各“类”知识之间因相互关联而成为“体系”。如“杠杆”,依据动力臂和阻力臂大小关系可以分为省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆;依据杠杆的形状可以分为直杠杆、曲杠杆和圆杠杆。由此可见,通过对知识的整合,不仅使结构有序,而且各知识的特征也能凸现出来。在解决具体问题时,学生只要能够从有序知识结构中抓住各知识的关键特征,在解决具体问题时就能“厚积薄发”,应对自如。
例2:关于电表读数变化问题的分类教学:一类是电压表并联在定值电阻两端,如图1所示。当滑片P向左移动过程中,电流表和电压表读数如何变化?答案:电流表读数变大,电压表读数变大。教学时,需要变化电路图的结构、形状,但不改变“电压表并联在定值电阻两端”这一关键特征。连续练习三至四的类似问题,就不难找到一个规律:两表读数同步变!
二类是电压表并联在非定值电阻两端,如图2所示。当滑片P向右移动过程中,电压表读数如何变化?答案:电压表读数变大。而这一类问题的解题规律是:电压表读数随着电压表两腿之间的电阻变大而变大,反之,就变小。图中较粗部分线条喻为“两腿”。
三类是电压表并联在电源两端,如图3所示。在电源电压保持不变的条件下,闭合开关S后,电压表读数将如何变化?答案:不变。
四类是既并联在非定值电阻两端,又并联在电源两端,如图3所示。在电源电压保持不变的条件下,闭合开关S后,电压表读数将如何变化?答案:不变。
分析:在第三问中,如何按照第二类问题进行分析,则会出现“两腿之间因并联而使电阻就小,电压表读数变小”的结论。由此可见,在电路情况属于“既并联在非定值电阻两端,又并联在电源两端”这一类问题时,应该归属于“电压表并联在电源两端”一类来处理。
综上所述,在教学中,教师如果有意识地注意和加强分类设计教学,对于提高学生分析归纳问题的能力,提高复习教学效率是十分有益的。
需要特别注意的是,像第一、二两类问题所得出的结论,必须要在3~4个同类型问题的分析解答后才能抽象归纳出这样的结论。千万不能就一个问题就草率给出结论,因为一个问题的结论是不具有普遍性而存在偶然性的。
教师在实施分类教学时,教师要充分认识到只有当知识积累到一定量时,才有“方法”指导和“能力”培养的可能。因为,知识量的积累是培养学生建立知识结构,形成科学化、层次化、序列化的知识体系的重要“物质基础”。关注我们身边的科学教学现状不难看出,科学知识量的积累已经不再是个问题,问题是积累知识的同时,没有足够地重视对知识的有序建。只有量的积累而没有实现由量变向质变的跨跃。如在“问题背景”中所提到的“关于热学相关知识”,如果换作选择或填空的方式要求学生解答,估计问题不是很大。而用“发散”式的提问:“请阐述热学的相关知识”,暂时性失去了从大脑原有知识结构进行“检索”的线索,学生一时不知所措——荤了。我认为,除了知识的“量”是建立有序的知识结构的“物质基础”外,如何将已积累的知识进行“分门别类”,类似“集成电路”地储存在原有知识结构中相应的“位置”,是一种方法和能力的体现。只有能够将知识的堆积变为知识系统——有序化结构时,学生才能将知识升华为能力,再生出新的知识。当一位学生在积累一定量的知识时,其科学能力、科学思想、科学方法等水平的高低就取决于对知识的分类水平。通过对知识的科学分类,所建立起来的知识结构必定是有序的。从目前科学教学现状不难看出,对知识进行分类实际上还仅仅是一种教学“口号”,在教学实践中并没有实际的操作意义。真正能够操作起来的知识分类认知流程是:
储存相应知识结构类别:是指已经储存在大脑中原有知识板块和类别所对应的特征。
读取原有信息再现知识特征:是指从所要解决的问题中选取有用信息,并发现该信息所具有的特征。
求解问题与储存知识建立关联:是指所需解决问题中的特征与储存知识特征之间产生一种联系,找到一种对应的关系。
对知识进行判断:所需解决的问题应该运用什么方法来解决比较合适,需要根据储存的知识作出肯定性的判断。
二次检索对应类别知识解答方法:是指原有知识结构中已经储存的知识类别都有相应的解决方法,这些方法中适合所需解决问题的又是哪一种,需要在大脑中进行二次检索。
解答问题:根据所求解问题的类别判断,在原有知识结构中进行快速检索出解决问题的最隹方法,使问题迎刃而解。
例3:将L1“6V6W”和L2“12V6W”两灯串联在某电路中,为使两灯都安全,电源电压最大不能超过多少伏?电路允许消耗的最大功率为多少瓦?
问题类别判断:串联电路和应用;P实=U实2/R的应用。
求解方法:专用公式的:U最大=I额小(R1+R2);P最大= I额小2(R1+R2)或P最大= U最大2/(R1+R2)
解题过程再现:一用R=U额2/P额求两灯的电阻;二用I=P额/ U额求额定电流;三代入对应公式求解。
问题特点:“为了安全”串联电路有个的限流特点,正是由于限流推出限压来。
像这种问题的教学,从某种意义上来说,是“方法指导”的具体化,“通过培养”的过程化体现。不要只重视解题过程和结果,而疏忽具体方法的指导。
需要说明的是,U最大=I额小(R1+R2);P最大= I额小2(R1+R2)或P最大= U最大2/(R1+R2)这几个公式是教师对建构有序知识结构教学的一种创新,是创造性劳动的结晶。平时在类似问题的教学时,要经过严格的推理,并说明公式的适用条件。
3.2 再生策略。在遇到一个具体问题时,如果能迅速地将原有知识结构中的旧知——已知,与所研究对象或需要解决的问题——未知之间建立联系,那么这种“建立联系”的先决条件就是已建立起来的知识结构是有序的,否则,这种联系就难以建立起来。联系不能及时建立起来,解决问题就不太可能。这种联系的有效快捷建立,对于培养学生思维水平、创新能力无疑是十分有益的。通过有效快捷联系,可以使大脑思维活动催生出解决问题的的“新”方法,使旧知“再生”出新知来。
如例3中的串联可以变为并联,然后求解同样问题,就可以再生出解决“并联”问题的一般方法:U最大=U额小;P最大= U额小2/R1+ U额小2/R2。也就是从原有知识结构“串联”中去“搜索”对应“并联”的解决方法。从而再生出新知识、新方法。
例4:如求一个氖原子的电子数\一个水分子H2O的电子数、Mg2+的电子数、NH4+的电子数、OH-的电子数、SO42-的电子数。
解:如下表所
这里运用表格的方法来解题本身就是一种创新。因为这样的教学组织与教学表达已经为课堂教学顺利进行做好了符合学生认知规律的“预设”。从这一题解决过程来看,就其中某一个问题并不是很困难,然而要求同学们通过对上述五个问题进行归纳总结出一个具有普遍意义的“微粒带电子数的计算公式”这不是新知识的再生吗?
微粒带电子数的计算公式为:微粒所带电子数=微粒所带质子数±所带电荷数。
当然,知识再生是一个合作探究的过程,是一个创造性的学习过程,是一个从特殊到一般的抽象思维过程,教师千万不能替代学生过早呈现而犯“过渡作为”的错误。
3.3 对应教学策略。在知识的重组与建构时,“分类”为“有序”铺垫,而在运用有序知识结构来解决问题时,“对应”是“有序”的重要特征之一。也就是说,只有“建构有序”,方能“厚积薄发”。如果学生所建立的知识结构有序的,那么在遇到具体问题时就能使已知与未知之间快速形成一种“对应”关系,在这样指导下,所再现出来的知识必然是解决问题所需要的“有利武器”。例如,在“用天平测物体质量”的教学中,有一个两次“平衡”的问题,让学生初学时制造了不少的麻烦。如果教师能够运用“对应”教学策略,可能情况会好些。
称物前——用横梁两端螺母调节平衡;称物时——用加减砝码或移动游码来调节平衡。
其实在我们科学教学中,这样的例子不胜枚举。问题是教师这种“对应”的意识、审题时圈出关键词的方法指导有无放入教学决策——教学序设之中。
例5:探究性实验中的“对照组”与“实验组”的区分,如果教学策略不当,会使学生大脑处于“混沌”状态,对问题的判断总是似是而非,模棱两可。因为我们的教材中,并没有对“实验组”与“对照组”的一个上具有操作性这定义,所以教师在教学设计预案中要充分利用学生原有知识结构中的先验,将不具操作内容“变”为可操作性的表述:针对实验要研究的因素不作任何实验处理的往往为对照组;用实验所研究因素处理的往往为实验组。也可以认为,人为控制的往往是实验组;自然条件下发生的往往为对照组。如右图所示,虽然是一个学生未曾谋面的实验问题,但由于学生在大脑中对“不做处理、自然条件”与对照实验之间已经建立了“对应”关系而作出反应:A是对照组,B是实验组。
例6:(05高考题)为验证光是植物生长发育的必要条件,设计如下实验:选择生长状况一致的小麦幼苗200株随机分实验组和对照组,分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组和预期结果几种组合,其中正确的是①实验组、②对照组、③黑暗中培养、④光照下培养、⑤生长发育好、⑥生长不良。
A、①③⑤ B、②④⑥ C、①③⑥ D、②④⑤
分析与解答:正确的组合是:对于实验组来说,应该是:①③⑥但对于对照组而言应该是:②④⑤。
必须指出,上述三种策略是一个有序的整体,不能隔离开来孤立看待。只有交叉使用,分别对待,才能使所建立起来的知识结构系统化、有序化。
总之,作为新课程改革实施主角之一的教师,在课堂教学中能够针对教学中存在的实际问题认真反思自己教学中的不足之处,提出假设、设计研究方案、实施教学实验、收集事实和证据、总结评价等教学探究活动,是我们教师在推进新课程改革和实施素质教育中,可行又可为的教学研究活动。在“建立有序知识结构”的思想指导下,开展教学研究工作,长此以往地坚持下去,就有望“基础扎实、结构有序”,在解决具体科学问题时,就能运用自如、厚积薄发。
参考文献
1 许国志主编.系统科学.第一版.上海科技教育出版社,2000.9
2 朱清时主编.科学.浙江教育出版社,2007.5