基于任务分析方法的“两种电荷”教学探讨

陈伊淳 贾树欣 陈刚

摘 要：符合学生学习机制的教学才是有效的教学.教学任务分析的方法，能帮助教师梳理出符合物理概念规律习得机制的教学过程，依据教学任务分析、安排教学活动，能帮助学生有效习得相应的物理规律.本文依据教学任务分析，对人教版教材“两种电荷”教学片段进行讨论，认为“电荷间的相互作用”及“只有两种电荷”结论的获得，应该经历一系列的子环节，得到相应的子结论后获得.

关键词：两种电荷;信息加工;教材分析

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0020-04

作者简介：陈伊淳（1996-），女，广东广州人，硕士研究生，研究方向：物理教学;

贾树欣（1998-），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向：物理教学;

陈刚（1968-），男，上海人，博士，副教授，研究方向：科学课程学习心理及教学理论.

1 问题的提出

“两种电荷”是人教版初中教材九年级第十五章“电流和电路”的第1节，两种电荷及其相互作用规律是进一步深入学习电学、理解许多电现象的基础[1].教材此部分内容呈现如图1所示.

根据节选片段，本节教学获得的主要结论如下.

结论1：摩擦后的物体带电.

结论2：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引.

结论3：自然界只有两种电荷.

“演示部分”呈现两个实验.

演示实验1：丝绸摩擦过的玻璃棒靠近另一根被吊起的丝绸摩擦过的玻璃棒.

演示实验2：毛皮摩擦过的橡胶棒靠近另一根被吊起的丝绸摩擦过的玻璃棒.

基于信息加工心理学的观点，物理规律的建立，即结论的获得，是通过逻辑加工实验现象所含的信息得来的.上述两个演示实验的逻辑加工能否支撑结论的获得？是否需要前提依据？前提依据如何得到？

为了使学生真正理解电荷之间的相互作用及自然界只存在两种电荷，达到“知其然知其所以然”，本文以任务分析为依据，分析本节课的主要结论及获得主要结论所必需的子结论和相应的子环节，探讨符合学生学习机制的教学逻辑，提出教学方案.

2 基于信息加工心理学的学习机制

2.1 物理概念规律建立和排除因果联系的逻辑机制

学习心理学揭示出学习的内部机制，证明学生学习的过程实则是进行信息加工的过程，符合学习机制的教学才是有效的教学，这为教学指明了方向[2].

物理概念和规律都是通过与其他概念间的关系界定的，物理概念间联系的建立不是凭空的，是学习者通过内部逻辑加工机制建立的.建立联系的基本逻辑机制主要有求同法、差异法、共变法、求同求异法等归纳方法.求同法是通过考查被研究对象出现的若干场合，确定在各个场合先行情况中是否只有另外一个情况是共同的，如果是，那么这个共同情况与被研究的现象之间有因果联系.其结构见表1.

自然规律反映了事物之间的因果关系，即在一定条件下会出现一定的现象.要构成一个稳定的因果關系，最重要有两点：其一，可重复性;其二，可预见性.以上两条性质要求“相同的原因必定产生相同的结果”，但宏观世界的事物没有绝对的相同，可以用“等价”一词代替“相同”，则可把因果关系归结为：等价的原因产生等价的结果.

由此可以得到两种排除物理量因果联系的演绎推理方式[3].

推理形式一：

如果A与B有因果联系，则A变化，B变化.

A′变化，而B′未变化.

A′与B′无必然联系.

推理形式二：

如果A与B有因果联系，则A不变化，B亦不变化.

A′不变化，而B′变化.

A′与B′无必然联系.

2.2 教学任务分析

加涅认为任务分析的目的是“为设计有效教学所必须的学习条件提供依据”[4].教学任务分析能帮助教师揭示学习者达到教学目标所需要掌握的知识、技能及相互间序列关系的认知活动.对实验归纳途径的教学，重点要分析出各教学结论获得的逻辑过程.逻辑过程揭示了学习者习得该结论所必须识别出的信息，教师有序地呈现有效信息是学生习得学习结果的最基本保证[5].

3 基于任务分析的“两种电荷”教学

3.1 主要结论

本节课主要获得两个主要的结论及相应的子结论.

结论1：摩擦后的物体带电.

结论2：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引.

子结论2-1：丝绸（毛皮）摩擦后的两根玻璃棒（橡胶棒）具有同样的带电性质.

子结论2-2：具有同种带电性质的物体相互排斥.

子结论2-3：毛皮摩擦过的橡胶棒和丝绸摩擦过的玻璃棒带电性质不同.

子结论2-4：具有不同带电性质的物体相互吸引.

结论3：自然界只存在两种电荷.

3.2 结论建立的逻辑过程

3.2.1 结论1的建立

教师通过列举生活中常见的摩擦后物体能吸引轻小物体的现象，遵循求同的归纳方法，引导学生认识到摩擦后的物体能带电，即获得结论1，其逻辑过程见表2.

3.2.2 子结论2-1的建立

学生要通过观察演示实验1的现象获得“同种电荷互相排斥”的结论，首先需要习得子结论2-1“丝绸摩擦后的两根玻璃棒具有同样的带电性质”，实际教学中，此子结论虽不是教学重难点，但却是逻辑加工获得结论2的必要条件之一.如上文2.1部分所述，稳定的因果关系可以归结为相同的原因产生相同的结果.教师可以简单地引导学生意识到，丝绸摩擦过的两根玻璃棒，都带电（能吸附纸屑等），由于是同样的摩擦方式，两根玻璃棒的带电性质相同，帮助学生有效地建立“丝绸摩擦后的两根玻璃棒具有同样的带电性质”这一规律.同样地，“毛皮摩擦后的两根橡胶棒具有同样的带电性质”这一规律能有效建立.

3.2.3 子结论2-2的建立

在建立起子结论2-1的基础上，教师通过演示表3的两个实验，引导学生识别共同条件“丝绸摩擦过的玻璃棒A、B具有相同带电性质”“毛皮摩擦过的橡胶棒C、D具有相同带电性质”和共同结果“A、B互相排斥”“C、D互相排斥”，引导学生遵循求同法的逻辑加工机制，获得子结论2-2“具有同种带电性质的物体相互排斥”，其逻辑过程见表3.

3.2.4 子结论2-3的建立

此子结论的获得应遵循演绎推理的逻辑加工机制.在建立起子结论2-2的基础上，将丝绸摩擦过的橡胶棒A靠近毛皮摩擦后悬挂的橡胶棒D，观察到相互吸引的现象，根据如下的逻辑结构引导学生获得子结论2-3“毛皮摩擦过的橡胶棒和丝绸摩擦过的玻璃棒带电性质不同”.

3.2.5 子结论2-4的建立

既然毛皮摩擦过的橡胶棒和丝绸摩擦过的玻璃棒带电性质不同，不妨将“丝绸摩擦过的玻璃棒”的带电性质标记为，将毛皮摩擦过的橡胶棒的带电性质标记为.通过演示表4中的两个实验，引导学生关注到共同条件“A、D带电性质不同”“C、B带电性质不同”及共同结果“A、D相互吸引”“C、B相互吸引”，遵循求同法的加工机制，获得子结论2-4“具有不同带电性质的物体相互吸引”，其逻辑过程见表4.

3.2.6 结论3的建立

经历上述的各个子结论获得过程，学生已经习得两种基本带电体——丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒——的基本性质，见表5.

教师要说明自然界只存在两种电荷，需要引入除丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒的第三种摩擦后的带电体进行归纳.摩擦其他物体使其带电，如果其和丝绸摩擦过的玻璃棒相排斥，和毛皮摩擦过的橡胶棒相吸引，则具有和丝绸摩擦过的玻璃棒相同的性质，可以标记为;如果其和丝绸摩擦过的玻璃棒相吸引，和毛皮摩擦过的橡胶棒相排斥，则具有和毛皮摩擦过的橡胶棒相同的性质，可以标记为;如果既和丝绸摩擦过的玻璃棒相排斥（吸引），也和毛皮摩擦过的橡胶棒相排斥（吸引），则具有不同于该两者的性质.

遵循求同法的逻辑加工机制（见表6），学生可习得结论3“自然界只有两种电荷”.

由于课堂上能展示的带电物体及其间相互作用的实验是有限的，教师应向学生说明，许多科学家做了无数的实验研究，发现自然界中所有带电的物体，凡是和毛皮摩擦过的橡胶棒相吸引的，一定和丝绸摩擦过的玻璃棒相排斥;凡是和丝绸摩擦过的玻璃棒相吸引的，一定和毛皮摩擦过的橡胶棒相排斥，和前面的实验现象完全吻合，让学生感受推理方法中从特殊到一般的思维方式.

尽管做了无数的实验，自然界所有带电的物体还是无法穷尽，因此，上述的归纳方法属于不完全的归纳，教师可以进一步引发学生思考，如果存在第三种电荷，应该表现出何种性质.不同于正电荷和负电荷的第三种电荷，应该具有不同于表5的两种性质，即要么分别与丝绸摩擦过的玻璃棒、毛皮摩擦过的橡胶棒都排斥，要么分别与之都吸引，如果出现了这样的实验现象，则“只有两种电荷”的结论可以被推翻.也就是说，该结论是可被证伪的，基于证伪主义的科学观，在反例出现之前，该结论是科学的.

1785年法国物理学家库仑分别用扭秤实验和电单摆实验探究了同种电荷和异种电荷之间的相互作用，证明静电力遵从平方反比规律.基于正负两种电荷前提建立的库仑定律是电磁学理论的基本定律，其正确性也被电磁学的各种实验事实所证实，因此，“只存在两种电荷”是被接受的.

4 总结

上文根据物理教学任务分析的步骤，将教材上主要的两个结论拆解成若干的子结论，并分析了各个子结论获得的逻辑过程.

物理规律的建立，即结论的获得，是通过逻辑加工实验现象所含的信息得来的.基于教材两个演示实验建立电荷之间相互作用的规律，学生首先需要得到“丝绸摩擦过的两根玻璃棒所带的电荷种类相同”“丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷种类不同”两个子结论，然而支撑这两个子结论获得的实验和对应的逻辑过程在教材中体现不明确，学生自行阅读后是否能真正理解“电荷间的相互作用”需要打一个问号.此外，关于“自然界只存在两种电荷”，在上述结论获得的前提下，教师进一步设计支撑结论获得的实验方案，引导学生经历科学推理的过程，丰富学生的思维活动，能帮助学生有效地习得该结论.

教学任务分析的方法揭示了学生习得物理规律的内部过程，有助于教师遵循学生的学习机制，合理地安排教学活动.教材是教师进行教学活动设计的重要参考来源，但对于教材中因篇幅限制而未完整呈现的学习环节，教师若能根据任务分析的要求，梳理出符合物理概念规律习得机制的教学过程，将能取得事半功倍的教学效果.

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理（九年级全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[2]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.

[3]陈刚.物理学习与教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2019.

[4]加涅著.皮连生译.教学设计的原理[M].上海：华东师范大学出版社，1999.

[5]张宗义.基于核心素养导向的物理概念课教学设计[J].物理教学，2019，41（04）：43-45.

（收稿日期：2021-06-28）