“具身感知-->反身抽象”是基本思维规律，那么，理科知识如何创建具身感知？（PHET）

很多人都感到理科知识非常难，这是什么原因呢？

王珏老师认为，其中的一个重要原因就是：

• 科学研究的是世界的内在规律，看不见摸不着，而且往往是人为构建的模型，学生难以理解语义（学科术语、符号）代表的真正意思。
  

那怎么才能让学生理解知识所代表的真正意思呢？

这就需要从“知识—经验”的关系入手。

知识，来源于对具身感知的反身抽象。这里有两个要素:

• 具身感知：由这具身体的各种感官获得的信息，留下来的就是“经验”。
• 反身抽象：脱离具体某人、某种感官的经验，而用语言文字符号（语义）对经验进行描述（比如总结、分类等）。

知识生成的第一阶段，是建立具身感知；第二阶段才是将具身感知中所获得的经验，进行总结、提升、符号化（也就是语义化）。

可以说，只要能够让学生建立对科学知识的体验、获得经验，绝大多数知识都能够轻松理解。

为了充分说明这一点，本文将通过几个案例，来剖析具身感知是如何帮助学生理解数学概念的（科学概念也类同）。

本文所用的虚拟仿真实验网站——PhET，由美国科罗拉多大学的卡尔·威曼教授，用他所获得的诺贝尔奖奖金制作出来的。他希望通过免费的数学和科学互动程序，鼓励孩子从探索中学习，激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。

关于PhET网站的详细介绍，以及其中所提供的部分虚拟仿真程序，可参阅：《科学知识'可视化'互动网站：PhET》

案例一    “分数：入门”  仿真程序与“分子分母”的概念获得

• 扫码可进入PhET体验：
  

进入“分数：入门”的“介绍”分支后（如下图），我们可以看到画面右侧的一个分数：1/3。 

当在仿真程序中操作分母、或分子中的数字时，学生很容易观察到如下现象（如下图所示）：

• 当操作分母时，一个圆被分成的份数就发生了变化。分母每增加1，圆就被多分出1份；而分母每减少1，圆就被少分出1份。

• 当操作分子时，一个圆被分成的份数不发生变化，此时变化的是圆中的绿色扇形。分子每增加1，绿色扇形就多1份，分子每减少1，绿色扇形也会减少1份。

 学生在进行互动操作的过程中，就会通过“具身感知”的方式，体验到“分母”和“分子”概念的实际意义——分母是圆被分成的总份数、分子是绿色扇形（以上在学生头脑中均以图像化方式呈现），为概念的理解提供了强有力的情境支撑。

此时，如果能够在教师的导引下，进一步将学生的“具身感知”进行“反身抽象”，用语义化的方式进行表述，就会帮助学生的认知，完成从具象向抽象的转变。

当然，在抽象的过程中，具身感知也会带来干扰——因为分子分母的意义，并不只局限于“圆”。仿真程序早就考虑到了这一点，在网页顶部提供了多种形状，可用于切分。

当学生能多尝试几种形状（如下图的方块），发现其中的共同点时，总结和抽象的时机就真正来到了！

因为，学生在仿真环境中进行互动操作时，通过多次具体事例的“具身感知”，很容易找到它们的相同点，从而自行总结出“分子分母”的实质意义是什么。

这种将“具身感知”与“反身抽象”相结合的方式，来获得和理解知识意义的方法，效果要远远优于教师经常使用的、以纯语义为主的教学方式。

事实上，这种“对具身感知的反身抽象”的学习路径，正是人类获得知识的基本途径，也完全符合人类认识世界的认知规律。

其实，对于分数概念的获得，PHET还提供了更多！

比如：在如下图所示的“分数：入门”仿真程序的“实验室”分支中，老师可以先给出一个分数值（如3/5），让学生通过拖拽的方式，来构建这个分数。 

为了完成这个任务，学生必须要先弄清楚分母和分子的实际意义。

他首先必须从顶部的一排图形中找到恰当的图形（即被等分成了5份的圆），然后分3次拖动该图形到空白圆圈中，才能正确地完成这一任务。

以上的实验或者说测试的过程，在学生大脑中，是与刚才“具身感知—反身抽象”过程相反的——学生需要看到分母（5）、分子，认出他们代表的实际意义，然后把它和自己的选择、动作相联系（点击哪个、拖动几次）。

在此过程中，学生也许会犯错。但在尝试、犯错、反思、调整的过程中，学生通过自己的“动作”、以及动作所带来的结果，一定能更深刻地理解分子、分母的实际意义！

案例二    “建立方程”  仿真程序与“变换”概念的获得

• 扫码可进入PhET体验：

 

进入“建立方程”仿真程序的“图案”分支后（如下图），我们可以看到左侧有一列小脚丫、雪花、蝴蝶等图案，中间有一个长筒，右侧有一列空白方框。

 当我们将“小脚丫”图片拖动到长筒左侧时（如上图中①箭头所示），我们就可以看到该图片会穿过长筒内部，显示在右侧方框处时就会变成另外一个样子（如上图中②箭头所示）。

看到这里，学生一定会好奇：那图形到底会变成会什么样子呢？下图右侧就是变换出来的图形的样子：

如果老师此时问：同学们猜猜看，中间的长筒对图形动了什么样的“手脚”？

相信所有学生都会发现，左侧的图形被“旋转了90度”。

老师可以接着选择其它变换规则，如：变为黑白图片、镜像、复制多份等等。

——此时，学生会通过操作、通过观察，建立一个认知：某个图形（图中左栏）、根据某种加工法则进行处理（图中长筒的功能）、会得到某个相应的图形（图中右栏）。

不过，此时还不到总结规律的时候。一是因为只有一个案例，谈不上“总结”，二来也是为了防止“具身感知”所带来的无关干扰，比如学生可能会误以为，只有对图形才能进行变换。

该互动仿真程序中，提供了各种各样的事物图标、甚至还有数字（如下图），以及各种各样的变换手法，学生可以尽情实验、观察、猜测、验证。 

学生在建立了足够多的、种类也足够丰富的互动后，再进行总结，就可以很容易地理解“变换”的本质（此时与“函数”还没有关系）。

——因为无论什么样的“变换”，都是对某个初始值（图中左栏）、根据某种加工法则进行处理（图中长筒的功能）、得到某个相应的结果（图中右栏）。

当我们让学生通过亲身体验，建立了如上对“变换”的本质的认知，再通过类比的方式，就可以轻而易举地理解函数的本质了：

• 上图中左栏事物/数值，相当于函数中x的定义域；

• 中间的长筒对左栏的事物，相当于执行了某种fuction，我们把它表述为f(x)；

• 上图中右栏经过变换过的事物/数值，相当于y的值域。

显然，用仿真程序建立体验+类比的方法，来理解函数的定义，其教学效果要远远好于直接给出函数的定义、并用语义化方法讲解定义的方法。

（“类比”教学方法可参见：《科学教学法：类比(8)》）

因为，学生在仿真环境中进行互动操作时，通过多次具体事例的“具身感知”，很容易找到它们的相同点，从而自行总结出“变换”的实质意义是什么。

然后，再在教师的导引下，将这种具身感知进一步“反身抽象”为语义化的表述方式，就是小菜一碟了。——既然已经理解了实质，只需要知道它叫什么名字，能有什么困难呢？

反之，“直接出示定义、并用语义化方法进行讲解”的方法，在讲解之前学生固然对知识一无所知，在讲解过程中又由于语义本身（尤其是新概念）的抽象性，学生往往会感到高深莫测、一头雾水，难以对这些语义信息进行有效认知加工，因而难以理解知识的内涵与本质。

以上，我们以两个数学概念获得为案例进行分析，力图说明“具身感知—反身抽象”是人类获得知识的基本途径，也完全符合人类认识世界的认知规律，是一种科学教学方法！

在看我的文章的过程 ，也强烈建议大家对上述两个案例，能够亲身体验一番（PhET中有数百个仿真程序），如果能带着学生、或者自己的孩子一起体验更好！

我相信，你一定会发现：用这种科学的方式来学习，是多么轻松、高效、开心！

如果您有什么心得、或实践案例，也欢迎留言给我！

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