基于心智发展的学与教的设计

“运动和力的关系”这个问题，一直以来是一个有趣而富有挑战性的问题.正如英国著名历史学家赫伯特・巴特菲尔德所说：“在以往1500多年里，人类心智所面对和克服的所有智力困难中，我觉得最令人惊奇、影响范围最大的就是运动和力的问题”.笔者做过一些测试，请8位文科教师就“运动和力的关系”发表看法，他们几乎都用生活中的经验支持“没有力物体就不会运动”这个观点.笔者的学生，那些后来学习文科的学生大部分也是支持这样的观点.这让笔者不由得反思自己的教学方式.为什么当时他们掌握了这些知识确没有发生观念的转变呢？为什么他们看待“运动和力的关系”的心智没有实现发展呢？

为了使学生的心智模型真正发生进阶发展，上个世纪80年代美国教育学家Hestenes和一位高中教师Malcolm Wells一起共同开发了一种基于心智模型转变的建模教学.运用“建模教学”会比较有效的转变学生的观念，下面以“牛顿第一定律”（苏科版）教学为例，谈谈具体的做法.

1通过生生对话外显原有心智模型

学生在学习“牛顿第一定律”之前，对“运动和力的关系”都有自己的“思维的个体建构”，这是他们长时间与自然界对话而得来的，这就是他们原有的心智模型.要改变学生的心智模型，首先就要让学生表达出他们原有的心智模型，这是构建科学模型的前提.正如刘炳教授所说，“只有将杯中的水全部倒出，才能够重新建构纯正的可乐.”

教材中有一幅图（如图1），左边这位叫小明，右边这位叫小华，关于运动和力的关系，他们都有自己的看法.我们对区内1200名初二学生进行调查发现，10%的学生选择支持小明的观点（没有力物体就不能运动），70%的学生支持小华的观点（力是维持物体物体运动的原因），只有20%的认为两种观点都是错误的.

为什么这么多学生支持小华的观点呢？我们请学生说出支持观点的理由.有的学生认为，前面的小明的观点明显是错的，生活中“我不蹬自行车，自行车还要往前运动”，一个错另外一个就肯定对，所以他支持小华的观点.这有“非A即B的想法”；有的学生说，小华的观点是“力是维持物体运动的原因”，什么是维持？不是很明白，所以，我选她.原来，这是一种揣摩，“因为晦涩所以选择”.

笔者上课的时候，为了更充分的暴露出学生自己的真实想法，我们就把小华的观点修改成“有力，物体才能运动.”两种观点都容易读懂，我们希望降低阅读的难度来探明学生的心智模型.

在交流中，学生支持“没有力，物体就不会运动”的可靠证据就是，“如果没有力，手推车不会从静止变成运动”，进而概括为“没有力物体就不会运动”.在进行充分的争辩之后，我们达成共识，“由静止到运动，是需要力的；运动之后，没有继续推它，（小车）还是可以继续运动的；小车之所以停下来，是因为受到阻力（摩擦力）.”

为了让每一个学生都有表达自己对世界的看法的机会，我们结合学校的马蹄形小组合作进行教学，与此同时，还为每一个小组提供一块白板.在这里，白板是一种重要的认知与交流工具，它提供给每一个学生表达他们的发现并与同伴交流合作的平台，是一个能够将个体的心智模型外显表征并变成共享的概念模型的平台.相对纸笔而言，白板具有较大的优势：它们面积较大，能够容纳对同一问题不同的表征，也能允许不同的学生同时在上面写与画；白板上的内容易于擦除与重写，使学生能够分享部分未成形的想法；白板上的内容更易于分享与交流，由于一块完成的白板必须呈现一个小组达成共识的概念模型，因此，为了完成白板任务，小组中的所有成员需要参与讨论并对白板上的表述达成一致见解.在小组组内的讨论中，教师作为课堂的观察者陪在学生旁边，聆听学生的讨论并记录下学生是如何思考问题的，或者也可以作为一个与学生平等的参与者参加到对话讨论中去.老师的责任就是不断地请学生说，“学生说错不是错，学生不说才是错”.正是这样一种课堂文化氛围能够更好地给予学生思考与交流的空间与时间，使他们能够更加自由地去表达心智模型并与同伴分享与争辩.

2通过学生与证据的对话构建科学模型

究竟力是不是“使物体运动的原因”？小车最终停下来是因为没有受到推力还是因为受到了阻力？支持或者反对，都是基于部分事实得出的不确定的结论.为此，我们需要设计实验去寻找更充分的证据.

于是，我们需要设计一个实验来“探究阻力对运动的影响”（斜面、小车）. 如何保证只有阻力对运动有影响？怎样让物体原来的运动一样？如何改变阻力？如何通过收集证据来判断阻力对运动的影响？当这些技术问题获得解决的时候，我们就可以完成对证据的收集进而对证据进行解释.

如何对证据进行解释呢？不要忘记，我们的证据需要不断地对学生的错误的心智模型进行冲击.于是，我们需要追问：（1）小车在平面上向右运动，是否受到一个向右的推力？（2）阻力越小，运动的距离越远，这说明什么？（3）如果没有阻力，小车会如何运动？所有这些问题的讨论，其目的就是为了纠正学生错误的观点：“力是使物体运动的原因”.当学生不得不承认“没有力物体也能运动，而且会永远运动下去”的时候，科学模型就建立成功了.

所以，这个实验的重心不是要得出并记住牛顿第一定律，而是不断地冲击原有的顽固的心智模型，进而认同科学模型.

3通过学生与自己的对话，经受体验，进而发展心智模型

当学生经过对证据的分析，得出科学模型后，还需要体验.只有体验后获得心理认同的科学模型才会替代原来的心智模型，从而实现心智模型的发展.

如图2，老师在临下课的时候，在黑板上画出一辆小车，交代这辆小车就是刚才从斜面下来的小车，现在正在向右运动最终停在B点处.请画出小车在A处所受到的力.

30位学生中，只有3位画出三个力（重力、支持力和向左的摩擦力）；后面来听课的老师（我们特别邀请来的）中，21位老师只有5位老师画出三个力；其他全是四个力.为了考验学生，老师特意站在多数的一方：“四个力是对的”，与此同时，请双方说出依据.认为“小车应该受到四个力”的先陈述：“如果没有一个往右的力，小车为什么还会往右运动？”认为“小车只受三个力”的一位学生陈述说，“尽管小车往右运动，但不存在一个往右的力，因为找不出这个力的施力物来！”

“物体往右运动，就应当受到一个往右的力，这依然是顽固的支持‘力是使物体运动的原因’这个观点的表现！”当一位学生发表这样的观点的时候，许多学生和老师都觉得很震撼！

“为什么没有力推小车，小车还能继续运动？”“这是物体固有的一种性质”，“惯性”的学习就有了意义；“物体由静止变为运动，或者由运动变为静止，都是需要力来完成的.因此，我们应当怎样归纳？”“力是使物体运动状态发生改变的原因，而不是使物体运动的原因.”这些观点的争论者，有的学生开始犹豫了，有的学生开始放弃原有观点了，看来，他们正在经受一场考验.在考验中，学生会对科学模型进行筛选、组织从而修改自己的心智模型，这个考验的过程，就是与自己的内心进行对话的过程.

学生总是从自己的角度，根据自己的经验来观察和理解世界的，他们所获得的心智模型，是很不容易改变的.不易改变的原因并非总是由于慑于权威，而恰恰是自我抵触远大于他人的影响， 因此只有引起学生自身的思维冲突，在与自身进行对话的过程中让他们感到惊讶、经受考验、重新组织才能让科学模型转化为新的心智模型，才会获得心智的发展.

使用建模教学效果如何，为此，我们设计了下面三道题目，并在课前和课后进行了检测（是非题）：

（1）篮球离开手还能往前飞，是因为受到一个往前的冲力，否则，不会继续往前飞；

（2）骑自行车时，不蹬时自行车一会儿就停下来了.这说明没有推力，物体就不会运动；

（3）在平直的公路上骑自行车，人不蹬车，车也会往前运动；此时，如果路面光滑，车会一直往前做匀速直线运动.

题目 实验班（正确率） 对比班（正确率）前测 后测 前测 后测（1） 48.3% 75.9% 49% 62.5%（2） 72.4% 89.7% 73% 75%（3） 24.1% 69% 24% 45%从评价结果来看，采用建模教学，观念改变非常明显.在一周后的测试中，我们依然选择了请学生“画出在平板上向右滑行的小车所受到的力”（为了测试公平，我们要求对比班在复习时也要像平常一样去讲解这道题目），结果实验班正确率为80%，而对比班为65%.

当然，采用建模教学的缺点就是耗时，“牛顿第一定律”对比班需要两节课（第一节新课，第二节完成习题），而采用建模教学需要3节课（第一节“牛顿第一定律”，第二节“惯性”，第三节习题）.不过，要想发展学生的心智模型，这样的时间成本是必不可少的，因为，它是在改变一个人的心智，是转知成智.评价学生是否获得了知识，不能仅仅以知识的数量作为衡量标准，而应该以学生是否获得意义作为标准.建模教学通过教学内容、目的和方式的思维转向，能够实现让学生“改变对世界的看法和做事的方式”.教师通过引导学生学习符号知识获得知识的丰富意义，学生获得的就不仅仅是“关于世界的知识”，更是获得了“认识并加入世界的知识”，他们不只是去做题得分，更重要的是“身心合一”.