具身认知理论框架下的物理教学设计

2018-01-15陈颖陆玫琳桑芝芳

物理教学探讨 2018年11期

关键词：具身认知物理教学教学设计

陈颖陆玫琳桑芝芳

摘要：心理学的众多实验证明人的认知是具身的，从而发展出具身认知的理论框架，强调身体不仅仅是接收器和响应器，同时也是认知的一部分。本文尝试将具身认知的理论框架应用到物理教学中，并以“超重与失重”为例进行基于具身认知的教学设计。

关键词：具身认知；物理教学；超重与失重；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0034-3

1 具身认知理论框架简述

具身认知（Embodied cognition）理论框架与传统认知理论相比，它们的共同点是都承认大脑对信息的处理、加工、存储和提取功能，即对于大脑的认知过程不存在异议。而两者对于身体的作用则有不同的见解。传统认知理论认为大脑的认知过程是独立于身体存在的，简单来说就是认知者的身体活动，如动作、姿势、语言、表情等不会影响大脑对信息的认知；而具身认知则认为认知者的身体活动对认知有着不可忽视的重要作用。大脑存在于身体，而认知存在于大脑。与此同时，认知者的思维也具有“具身性”，即认知主体可以在思维中进行情境模拟和体验。

从具身认知的内涵出发，认知的具身性不是局限于身体参与，而是强调认知主体——学生在认知过程的参与性和主动体验。在这个过程中，真正有意义的不仅是身体参与，更是思维的“具身性”[1]，也就是学生能充分调动自己的经验来解决任务。由于思维的具身性，学生可以通过假想情境，在思维中应用知识和经验解决问题。因此，教师在设计教学活动时要注重学生的参与性和体验性，注重教学过程的情境性和互动性，让学生在体验和实践中对知识进行动态修正，同时给学生创造调取体验和知识进行思维模拟的机会。

参考Wilson M.的《Six views of embodied cognition》一文，笔者把具身认知在教学中的应用分为以下几类：

第一，离线具身认知活动，即学生调取过去已有的经验、体验、知识来解决当前任务。

第二，在线具身认知活动，即学生借助当前的情境、体验、经验，运用新习得的知识来解决当前任务。

第三，思维模拟活动，即学生借助过去的或当前的经验、体验、知识来解决设想的问题及未来可能出现的问题。

2 基于具身认知理论框架的高中物理教学设计

以高中物理“超重与失重”这部分内容为例，分别从课前、课上、课后三个阶段以及上述三类应用入手，探讨这节课的教学，期望能够使课堂具有完整性和体验性。

2.1 课前准备

学生活动：“你到底有多重？”要求学生测量自己在不同情境下的体重，记录数据以及身体感受，分别是：（1）静止站立在体重秤上；（2）站在体重秤上迅速下蹲；（3）站在体重秤上迅速站起；（4）站在体重秤上缓慢下蹲；（5）站在体重秤上缓慢站起。

具身分析：目的在于增加学生对超重、失重的即时体验，让学生有准确的经验以供调取。

2.2 课堂教学

2.2.1 问题情境引入

要求学生分析运动过程。

给出问题：某运动员做蹦极运动（如图1甲所示），从高处O点开始下落，A点是弹性绳的自由长度，在B点运动员所受的弹力恰好等于重力，C点是第一次下落到达的最低点，运动员所受弹性绳弹力F的大小随时间t变化的情况如图1乙所示（蹦极运动视为竖直方向的运动）。试分析运动员从开始下落到最低点的运动过程。

分析结果如表1所示。

具身分析：这是离线的具身认知活动。以问题引入，不仅能让学生有一定的挑战欲望，同时强制学生调取前面刚学过的牛顿运动定律进行巩固和应用，使这部分内容的教学形成整体。学生也可以充分利用初中的知识，给初高中的衔接和过渡提供链接。另外，初中的题目難度较低，能够减轻学生的畏难感，同时可能会带给学生一定的亲切感，调动课堂气氛。

2.2.2 探究情境深入

结合学生课前准备活动所得的数据、“蹦极”问题的理论分析，指导学生对超重、失重的条件以及超重、失重与加速度的关系进行探究和推理。

教师：若已知上述A—B的过程是失重，B—C的过程为超重，请同学们猜一猜什么情况下物体超重，什么情况下物体失重？

学生猜想1：当T

学生猜想2：当加速度a向下时，物体失重，反之超重。

教师：同学们的第一个猜想是正确的，当物体所受的拉力或支持力的大小大于自身的重力时超重，反之失重。如果我们进行受力分析，发现当拉力大于重力时，加速度方向向上；拉力小于重力时，加速度方向向下，这么说来，猜想2也是正确的吗？我们来看这样一个例子。

问题：第4代战斗机的加速度已达到7g（g为重力加速度），若这样的战斗机在一定时间内在竖直方向上以此加速度运动，试对被安全带系在座位上质量为m的飞行员进行受力分析。

解答：对座椅上的飞行员进行受力分析，受到竖直向下的重力以及座位给他向上的支持力，取向上为正，则N-G=ma；

当战斗机加速上升（或减速下降）时，a=7g，代入得到N=8mg，方向向上；

当战斗机加速下降（或减速上升）时，a=-7g，代入得到N=-6mg，方向向下。

根据超重、失重的定义，战斗机以7g的加速度在竖直平面内运动，它都处于超重状态。所以猜想2是错误的。

教师：那么超重、失重和加速度有没有关系呢？有什么样的关系呢？我们来看最常见的电梯的情境，请大家一起来分析在电梯里的货物处于超重或失重状态时电梯的加速度（观看放有货物的体重计在电梯中示数的变化视频）。

结论：只有当加速度向下且小于2g时，物体才处于失重状态，其他都处于超重状态。

教师带领学生回顾、总结知识点，并强调超重、失重不是物体本身的重力发生变化，而是物体所处的一种状态，该状态下物体的支持力或拉力的大小称为视重。

具身分析：这是在线的具身认知活动。让学生经历探究过程，指导学生利用当前的情境和知识，分析解决当前的问题，也就是在线的具身认知。通过学生自己的体验，形成探究性的思维，培养其探究能力。结合课前预习的数据结果，让学生的即时体验得到理论支持，加深印象，同时方便学生把超重、失重的知识存储在体重测量这样的情境中，与生活实际联系紧密。

2.2.3 应用情境巩固

情境1：回顾课前准备的活动过程，分析得到这些数据的原因，回答“你到底有多重”这一问题；

情境2：思考“如何才能用一只手把挂在弹簧测力计上的纸带拉断？”

情境3：观看离心机在地球表面模拟加速度大于g时的超重、失重视频。

具身分析：这是思维模拟的具身认知活动。回顾、总结知识，给出实际可操作的情境，或可在脑海中进行模拟的情境，邀请学生进行分析，给学生反馈知识获取情况的表现机会。

2.3 课后练习

2.3.1 习题巩固

习题：如图2所示，是电梯上升的v-t图，若电梯的质量为100 kg，则承受电梯的钢绳受到的拉力在0～2 s之间、2～6 s之间、6～9 s之间分别为多大？（g取10 m/s2）

具身分析：布置与课堂探究情景过程相似的习题，帮助学生回顾课堂体验，强化记忆。

2.3.2 拓展体验

体验1：电梯上行、下行过程，尤其是刚启动时的身体感受；

体验2：体会汽车快速通过桥面下坡瞬间身体的垂坠感；