基于探究教学理论的一个对话案例
副标题#e#
[美]艾伦·柯林斯 方红峰 译
这是本书中最新发展起来的一种教学理论。与本书中其他教学理论不同之的是,它并不是基于或延伸于任何一种学习理论的。它是从观察专家教师的教学过程、记录他们使用的教学策略、整理他们在什么时候使用各种策略的过程,而进行的一种近乎纯粹的归纳。
这个理论的最重要贡献也许就在于它为发现教学提供了可操作的规范。学生被要求在观察大量事例的基础上提出假设(对发现的概括表述),以此来提高学生对新知识产生过程的理解深度。另一贡献在于探究教学的使用方面。问题提供教学的核心和方向,并提高了学生的动机。
这个理论的另一个重要的特点是,它所涉及的教学策略相对于学科知识而言,对发展学生的高级思维过程(认知策略)更为有效。另外,这是唯一的为发展学生独立思考能力(理智的自由)提供处方的理论。
这个理论确实也有许多教授学科知识的教学策略,在这些教学策略中有许多与其他教学理论所描述的是一致的。例如,使用正面和反面的事例、有步骤地变换因素、推导出自相矛盾的结论等等。这些相同之处已在本书的前言中说明了。
如同前面章节所阐述的教学设计理论一样,也许存在着一个十分重要的问题,即是否存在一种不能适用这种教学方法的情景呢?这种情景是什么?它是否真的不适用?小组合作学习?外语词汇学习?但是还有其他同样重要的问题。探究教学的投入产出是否合理?是否有重要的策略被遗漏了?它是否(或应该)能合并进加涅-布里格斯的框架内?如果能,怎么做?
1.何时和为什么要提供正面或方面的例子?
2.何时和为什么要有步骤地变换因素?
3.何时和为什么要选择反例?
4.何时和为什么要提出假设案例?
5.何时和为什么要学生考虑不同的可能性?
6.何时和为什么要诱陷学生?
7.何时和为什么要推导出错误的结论?
8.何时、为什么和如何使学生质疑权威?
9.你如何知道在何时恰当地使用某种策略?
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通过分析大量使用探究法进行教学教师的工作(Collins,1977;Collins & Stevens, 1982,1983),我们构建了探究教学理论,它包括:(1)教学目标;(2)教学策略;(3)教学的控制结构。在本章中将通过有关透镜性质的探究教学对话来阐明这个理论。这样就能详尽地说明在一个学科内容的学习过程中探究教学理论是如何使用的。
表1 不同的教学技术
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1.选择正反两方面的例子(2,7)
2.有步骤地变换因素(3,6,7,9,13,16)
3.选择反例(6,14)
4.提出假设案例(6)
5.构建假设(3,4,7,9,15)
6.验证假设(3,8,9,10,12)
7.考虑不同的可能性(4,10)
8.诱陷(3,6,7)
9.推导错误的结论(14)
10.质疑权威(11) |
摘自 Collins & Stevens(1983)。括号后的数字是后文中有关对话的讨论的编号,在那里将讨论每种教学策略。
在探究教学中教师追求的有两类高层次的目标:(1)让学生深入理解某个特定的领域,以使学生在该领域中能提出一些新奇的预测。(2)教学生成为优秀的“科学家”,以使他们自己能建立一般的规则或理论,并能够证明。本章中的对话试图能包含探究教学的这两方面的目标。一般情况下,探究教学的教师是不能简单讲述事实和概念的,这种方法只适用于介绍学科框架或某领域的理论。
在表1中呈现了进行探究教学的教师为实现教学目标所使用的10种教学策略。这些教学策略的简要描述是:
1.选择正反两方面的例子
在选择事例时,教师经常选择典型的事例,而典型事例中相关因素的价值都与某一因变因素的特定价值是一致的。例如,在说明凸透镜的性质时,教师可能会选择一个表面曲线向外凸出的透镜的事例(一个正面的例子)和一个表面曲线向内凹进的透镜的事例(一个反面的例子)。
2.有步骤地变换因素
在选择事例时,教师经常有步骤地挑选出一个由先前事例中变化出来的可进行比较的事例。例如,教师可能有步骤地改变透镜与纸片(光屏)的距离,学生将观察到太阳光线是如何:(a)汇聚的;(b)汇聚在一个焦点上的;(c)在透镜过于接近纸片时,不能汇聚在一起的。
3.选择反例
如果学生建立了并不完全合理的假设,教师常需要选择一个能满足学生的假设却又否定该假设预测的事例。例如,如果学生认为放大镜总是能将微小的物体放大,教师应将放大镜放在微小物体与学生眼睛的等距离处,让学生观察。
4.提出假设案例
教师经常提出假设案例以激发学生的推理。例如,如果希望学生思考当太阳光通过远离纸片的透镜后将会产生什么现象时,教师会要求学生预测太阳上一个假定的斑点的影像将会落在纸片的什么地方。
5.构建假设
探究教学过程中教师常常会促使学生预测一个因变量是如何跟随一个或多个自变量或者因素而发生变化的。例如,教师会要求学生构建一个有关透镜的焦距与什么相关(如透镜的曲率)和如何相关(如曲率越大,焦距越小)的假设。
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6.验证假设
学生一旦建立起一个假设,教师就希望学生能指出如何才能验证这个假设。例如,如果学生认为透镜的曲率越大则焦距越短,教师就要问学生这个假设如何才能验证(如通过比较平行光线通过曲率不同的透镜后汇聚在焦点又恰好投影在纸片上时,纸片与透镜间距离的长短)。
7.考虑不同的可能性
辅导教师经常鼓励学生考虑一个不同于他们的预测是否可能是正确的,以此来培养学生求异性的思维,并将此作为一种教学策略。例如,如果一位学生认为当移动透镜靠近眼睛时,物像将完全颠倒,辅导教师会要求学生考虑此时物像是否可能向右侧转动。
8.诱陷(entrapping)
在探究教学中,辅导教师常设置错误的假设来暴露学生隐藏着的错误概念。例如,教师可以问学生当将透镜靠近纸片时,是否有更多的光线汇聚在焦点上(而事实并非如此)。
9.推导错误的结论
教师经常将学生提出的理由推广为一般的结论,而这个结论又与学生所持有的其他认识自相矛盾。这样能迫使学生建立前后一致的理论。例如,如果一位学生在画光路图时,认为灯光的光线通过透镜到达眼睛时比太阳光弯曲的程度更大,教师就要询问学生他是否真的认为光线在一种情况下比另一种情况下更弯曲。
10.质疑权威
当学生询问什么样的答案是正确的或学生似乎依靠课本时,教师应努力促使学生进行实验和寻求他们自己的答案。例如,当学生询问教师是否曲率越大的透镜焦距越短时,教师应以不知道为理由鼓励学生运用实验的方法去寻找答案。
在与学生进行探究教学的对话过程中,教师应有序列化的目标和次级目标,它能在对话的全过程提供新信息。它们始于高层次的目标,高层次的目标生成次级目标,次级目标能对问题的选择和最初设问的确定进行控制。但是在学生回答了一些最初的设问后,会暴露出他们存在的错误概念和知识上的漏洞,这又为教师提供了诊断和纠错的次级目标。
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本文的目的是将上述概要说明的探究教学理论运用于物质科学中的有关透镜性质的教学。该部分的教学内容是主编事先以6条目标的形式简要规定的。
1.学生能正确判断他们从未见过的透镜是否属于凸透镜。
2.学生能确定焦距。
3.学生能解释或预测不同的凸透镜对光线的作用效果。
4.学生能解释透镜的曲率是如何对透镜的放大倍数和焦距产生影响的。
5.学生能回忆起显微镜发展史上的三件重要的事件。
6.学生能正确地使用先前未见过的显微镜。
下面的课文只关注了上述前4项目标。我省略了原本作为课文结论的有关显微镜使用的程序和透镜发展的史实这两个目标。探究教学法在有关操作程序或历史方面的教学是十分有效的,但是为了做到这一点,在将操作程序或历史作为结论进行教学时,需要充分调动学生的动机。例如,在有关显微镜操作程序的探究对话中,需要让学生考虑可能导致错误操作的所有事项后,才能试着让学生自己发现正确的操作程序。在有关历史的探究教学中,教师需要知道一些事件是如何导致其他事件的发生的,这样教师才能帮助学生预测历史事件是如何发生发展的。然而,现实却让我们为难,操作程序包括了一系列并不是都有理由的步骤,而历史方面也包含有彼此间没有关联的3项事件。所以,如果事先没有对此做大量的工作,要进入探究对话是十分困难的。
下面的对话是教师与2名学生之间以当面对话的形式展开的,但作了彻底的简化和编辑以达到突出上述“教学理论”所阐述过的教学策略的目的。尽管此处只记录了1名学生的发言,但探究教学的教师经常是面对学生集体进行对话的。学生集体内所提出的各种假设和所进行的辩论产生的激励作用将能使这种教学方法运行得更为有效。
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1.T:你知道我们将一块能起到放大作用的镜片叫做什么?
2.S:一块透镜?
3.T:很好,它是叫做透镜,在照相机和你的眼内也存在类似的透镜。为什么你认为它的表面是弯曲的?
4.S:你只要看物体被放大了就知道了。
5.T:它是如何放大物体的呢?
6.S:通过弯曲光线。
7.T:是的,光线在进入和穿出透镜时都会被弯曲。你知道光线是怎样被弯曲的吗?
8.S:不知道。
9.T:你曾经将透镜放在阳光下吗?
10.S:是的。
11.T:发生了什么现象?
12.S:是的,产生了一个亮点。
13.T:那么,光线在通过透镜时一定进行了怎样的弯曲?
14.S:它们一起弯向那一点了。
15.T:正确。你知道那个亮点叫做什么?
16.S:不知道。
17.T:它叫做焦点。光线会汇聚在焦点上。你知道能放大物体的那种形状的透镜叫做什么?
18.S:不知道。
19.T:叫做凸透镜。你知道凸透镜与凹透镜之间的区别吗?
20.S:凹透镜是向内弯曲的。
21.T:是的,凹透镜的曲线就像洞一样向内弯曲,而凸透镜的曲线像球一样向外弯曲。这种形状的透镜叫做什么镜?(看图1a)
22.S:凹透镜?
23.T:正确。如果你有块形状像这样(看图1b)的透镜,它称作什么?
24.S:凸透镜。
25.T:很好。假如你有一块透镜,它的一边是平的而另一边是像这样弯曲的(看图1c)。这种形状的透镜叫做什么?

图1 要求学生区分的三种形状的透镜
26.S:一块半凸透镜?
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27.T:它还是凸透镜,它对光线的弯曲作用与两面都凸的透镜略有不同。假如你在阳光下拿一个放大镜并将它缓慢地靠近一张纸张时,会发生什么现象?
28.S:它能使纸张燃烧起来。
29.T:是的,利用太阳你能点燃纸张。当你将放大镜接近纸张时,出现了什么现象?
30.S:好的,噢!光线汇聚在一起了。
31.T:所以当你移动放大镜接近纸张时,光线会越来越多地汇聚到焦点上来?
32.S:是的,我猜是这样的。
33.T:好的,让我们试一试,看看发生了什么?我们用手电筒代替太阳,我把它举高并固定在这儿。你从手电筒到纸张间的等距离处,开始移动放大镜逐渐靠近纸张。发生了什么现象?
34.S:开始时光线越来越多地聚集到焦点上,接着它们似乎又扩散开来了。
35.T:所以当你降低放大镜时,光线并不总是保持汇聚到焦点上的。
36.S:不是的,这里有一个点(学生举着放大镜,距离纸张半英寸),大多数的光线汇聚在这个焦点上。
37.T:完全正确。当光线汇聚在纸张上时,纸张与放大镜间的距离就是放大镜的焦距。你认为焦距与取决于哪些因素?
38.S:透镜的弯曲方式。
39.T:你认为它是怎样取决于透镜的曲率的?
40.S:我想,当所使用的透镜是凸透镜时,透镜与焦点间的距离将比使用凹透镜时要小。
41.T:好的,假如我有一块凹透镜。光线可能向汇聚方向弯曲,也可能向发散方向弯曲,或者走直线,你认为会发生哪种情况?
42.S:我不知道。光线进入凹透镜后可能向发散的方向弯曲。
43.T:正确。所以你只能用凸透镜使光线汇聚在一点上。你还认为焦距取决于透镜的形状吗?
44.S:是的。
45.T:为什么?
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46.S:因为如果它放得太低,光线也不能汇聚在一起。但是如果太远了,它们汇集在一起后又发生了交叉。
47.T:是的,它们发生了交叉。这就是为什么你放得太低或太高,光线都会从焦点中出去的原因。光线汇聚的这一点叫做什么?
48.S:焦点。
49.T:是的,叫做焦点。那么焦点与透镜间的距离叫做什么?
50.S:焦距。
51.T:假如我画一张太阳光线通过透镜的图,而在太阳表面的左边有一个斑点,阳光通过透镜后在纸张上成像,你认为这个斑点将落在什么地方?

图2 教师绘制的太阳光通过凸透镜所形成像的两张图(此处的斑点并不代表太阳黑子)
52.S:我猜想是在左边。
53.T:好的,让我们仔细看看。假如我画的图是光线向下穿过透镜并弯曲汇聚到焦点后再落到纸张上。位于太阳表面左边的斑点将落在纸张上影像的哪一边呢?(看图2a)
54.S:在右边。
55.T:你为什么认为它可能在右边呢?
56.S:因为光线发生了交叉。
57.T:是否整个图像都颠倒了呢?
58.S:是的,所有的光线都交叉到对面去了。
59.T:假如我将透镜降低直至距纸张的距离小于焦距时,太阳表面左边的斑点还将落在纸张上的影像的右边吗?(看图2b)
60.S:我不这样认为,因为光线还没来得及进行交叉。
61.T:太好了,完全正确。现在来看其他一种放大镜,它属于哪类透镜?
62.S:仍属于凸透镜。
63.T:对的。它的曲率与上述的凸透镜相同吗?
64.S:不,它的曲率较小。
65.T:好极了。你认为它的焦距与其他凸透镜相同吗?
66.S:不,我想是不同的。
67.T:它的焦距比其他凸透镜长或是短呢?
68.S:如果你将这个凸透镜放置在光下,光线弯曲的程度较小,那么它们需要经过较长的距离才能汇聚在一起。所以,我猜测它的焦距是比较长的。
69.T:真精彩!你认为焦距与透镜的曲率一般存在着怎样的关系呢?
70.S:我认为凸透镜的曲率越小,它的焦距就越长。
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71.T:对的。你认为这个规则是只适用于凸透镜,还是也能适用于凹透镜呢?
72.S:我不认为凹透镜具有焦距,因为它不能将光线汇聚。
73.T:如果你有一面凹面镜,光线能聚集在一点吗?
74.S:是的,我猜可以。因为光线到达镜面后以一定的角度反射回来,所以它们可以聚集在一点上。
75.T:那么这点是焦点吗?
76.S:是的,我想它是焦点,这是因为光线都汇集于此。
77.T:正确。那么焦距呢?
78.S:我想焦点到镜面的距离就是焦距。
79.T:是的,是到凹面镜中心的距离。凹透镜的焦距可用同样的方法进行测量。所以再考虑一下你前面的观点,透镜的曲率越小焦距越大这个规则是否适用于凹透镜呢?
80.S:让我想一想。如果镜子的曲率越小,光线要在更远的地方汇集在一起,所以我猜想凹透镜也是这样的。
81.T:这仅部分正确。如果我将放大镜放在报纸上,然后让它逐渐远离报纸。将会产生什么现象?
82.S:刚开始,放大镜能放大物像,随着放大镜被逐渐抬起,它将离开焦点。到达某个地方的时候,物像将颠倒过来。因为我曾在放大镜下看到颠倒过来的物像。
83.T:好的,让我们试一试,观察一下会产生什么现象。当你把放大镜放在正放的报纸上,你看到了什么?(图3是该实验结果的图示)
84.S:它看上去就是报纸。
85.T:所以当放大镜紧贴着报纸时不能放大印刷字。当你缓慢地向上移动放大镜,会发生什么变化?

图3 显示教师和学生所进行的实验结果图,展示了眼与印刷字间的高度(宽度表示放大倍数)
86.S:在超出焦点之前,字逐渐被放大了。
87.T:是的,你将放大镜越远离报纸,图像放得越大,用另外曲率较小的放大镜,如果你将它放置在距报纸刚才那个位置上,你认为与原来那副放大镜相比,所得到的物像更小,更大还是同样大小?
88.S:如果它的曲率没有原来的放大镜大,我认为它不能将物体放大到与那个放大镜一样大。
89.T:正确,透镜的曲率越小,放大的效果也就越小。现在将放大镜缓慢地向上移动,逐渐靠近你的头部,你看到了什么?
90.S:噢!又能看到图像了。但图像是倒立的。
91.T:在你向上移动放大镜的过程中,物像是变小了,变大了还是不变?
92.S:它变小了。现在它基本保持不变。当它位于报纸和我的眼睛等距离的位置上时,它不能再将印刷字放得更大了。
93.T:好的。在你将放大镜再进一步移向你的眼睛时,你认为会产生什么现象?物像变得更大还是更小?物像是否会重新颠倒过来?
94.S:我认为它会保持倒立的状态,而且大小不会发生变化,因为放大镜已离开报纸太远了以致于光线不可能再发生什么变化了。
95.T:这确实是一个好的假设。让我们做个实验来验证它是否正确,缓慢地向上移动放大镜接近你的眼睛。
96.S:好的,物像看上去始终保持着原来的大小。哇!现在字又变大了,而且又变得更模糊了,现在放大镜已经完全超出焦距之外了。当放大镜接近我们眼睛时,我又能看见字了,它是正立的并且有点模糊。
97.T:在你将放大镜靠近眼睛过程中,字是变小了还是变大了?
98.S:字变小了。
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99.T:好的,你的假设是个好假设,但不能证明它是正确的。你能猜测一个放大镜距报纸多远时,字会颠倒过来呢?
100.S:可能是焦距的长度,不,这看来是不正确的,因为此处字被放大得最大,可能是2倍焦距的长度?你一定知道正确的答案,答案是什么?
101.T:我想我知道正确的答案,但我也可能犯错误,让我们试着测量在什么位置能发生这种现象,我们如何测量透镜的焦距呢?
102.S:我们可以用尺子来测量。
103.T:是的,那我们测量什么呢?
104.S:我想我们应该在光线聚焦在报纸上时,测量透镜与报纸间的距离。
105.T:让我们开始吧,为什么不呢?我拿手电筒固定在这儿,你移动放大镜使焦点刚好投射在报纸上,再用尺测量。距离是多少?
106.S:大约离报纸10.5英寸。
107.T:好的,这就是焦距,现在我们再测量什么?
108.S:我想是测量获得最佳聚焦效果的放大图像时距报纸的距离,以及图像颠倒时距报纸的距离。
109.T:那么你如何进行测量?
110.S:在离报纸2~3英寸时可以获得最清楚的放大的图像,而超过这个距离时字会变得模糊,在焦距附近字会颠倒过来。
111.T:正确,在放大镜接近你眼睛的过程中,在什么位置时字又会重新颠倒过来呢?
112.S:它一定也是在接近焦距的距离时会重新颠倒过来。
113.T:测量一下,看是不是这样的。
114.S:好的,确定是处在一倍焦距距离的位置上时,字又重新颠倒过来了。
115.T:让我们试着画一张光路图来表示其中的变化,就像开始时我们画太阳光是如何透过透镜的一样。我们先画这样情景下的光路图:凸透镜十分靠近印刷字,眼在凸透镜的右边,此时左边的字母A位于凸透镜的焦距内。你能画出从字母A发出的光线到达透镜后是如何弯曲的吗?(看图4a)
116.S:它们到达透镜后将朝着眼睛方向向内弯曲。
117.T:如果字母A位于焦距之内,光线是否就像你画的那样又可以汇集在一起呢?
118.S:我想是这样的
119.T:在我们画的有关太阳光的第一张图中,光线是如何到达透镜的?
120.S:它们沿直线到达的
121.T:它们又是如何弯曲的?
122.S:它们弯曲并在焦点处汇聚在一起
123.T:所以它们能弯曲并汇集在焦点上,现在你将字母A来的光线画成向眼睛方向弯曲?
124.S:是的,它们朝着眼睛方向弯曲,你在那儿能看到它们。
125.T:所以你一定是认为从字母A来的光线一定比来自太阳的光线弯曲的程度更大。
126.S:不,这些光线的弯曲程度应当是同样的。
127.T:正确。你准备怎样修改你的光路图呢?
128.S:我猜测从字母A来的光线通过透镜后,将延直线传播。
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129.T:正确。如果你将通过透镜的光线逆向回到它原来的位置,注意它们并不会像真实的光线那聚集起来,所以用虚线表示的字母的高度并不是真正高度。
图4 学生关于字母A靠近透镜过程中,光线是如何透过透镜的三张光路图
130.S:我看看
131.T:你关于透镜的曲率越小则放大效果越小的结论下得过早了点。你能解释刚才我们为什么那样画图吗?
132.S:好吧,光线通过透镜时弯曲的程度较小,所以虚像和实际字母之间的差别也就比较小。
133.T:完全正确,你还能解释在前面画的图中放大镜紧贴着报纸时,小字不能被放大的原因吗?
134.S:也许从透镜出来的光线并不比进入透镜的光线偏离程度更大。
135.T:你为什么不画一张光路图呢,看看它是否真的是这样的。
136.S:我需要画些什么?
137.T:将小字A靠近透镜,依照前面的绘制方式再画一张光路图。
138.S:如果正立的字母A更接近透镜,那光线到达透镜时,我想它们将比先前的弯曲程度更小。
139.T:为什么光线的弯曲情况与先前的不同呢?
140.S:难到它们的弯曲情况与先前的一样吗?
141.T:对的,现在用虚线表示的光线将进入眼睛。
142.S:真实的光线和放大的图像之间偏离得较小,所以文字接近于透镜的距离决定了图像的放大程度。(看图4C)
143.T:太精彩了,虚像的光线来自于实际的像,这里称它为实际的像的意思是它并不是真实存在的。好的,考虑一下你能否将透镜位于字母与眼睛的等距离位置并形成倒立的像的情况用光路图表示出来,画图时将由字母到达透镜的光线看作是平行的直线。
144.S:由字母来的光线平行到达透镜,然后在通过透镜时它们弯曲并汇集在一起。它们汇集在一点,然后发生交叉。当它们到达眼睛时就形成了倒立的像(看图5a)
145.T:很好,通过透镜后形成的倒立的像叫做实像。你能说出这个图像与眼睛靠近透镜时所形成的图像之间有什么区别吗?
146.S:光线在汇集到焦点和交叉之前就进入了眼睛,因此看到的这个字母是正立的。
147.T:很好。你已理解了所有我想教你的有关透镜是如何工作的知识。

图5 学生关于透镜离开报纸过程中成象的两种情况
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在下面的讨论中,我将强调表1中的10种教学策略是如何在对话中落实的,以及对话中目标和次级目标是如何形成的。
1.在1至17行中,教师为后面对话所需要的有关透镜的基本专业术语确定了初始目标。教师为了更好地帮助学生形成该知识,试图弄清学生原先已经知道了些什么。这是在执行本节课的目标之一——“确定焦距”。
2.在17至27行中,教师一直在为了使学生理解凸透镜和凹透镜这两个术语而强调这两者之间的区别。教学的策略就是提供有关凸透镜和凹透镜的不同事例,然后考查学生能否正确地区分它们。这说明了表1中策略1“”能使学生理解它们之间的区别。这部分的对话瞄准了目标1——“判断透镜是否属于凸透镜”。
3.27至37行部分起到了将后面的对话导向让学生理解基本专业术语的这个目标。在这里次级目标是教焦距的概念(目标2)。首先教师促使学生构建一个有关在透镜移近纸张时太阳的像将如何改变的(表1中的策略5,27—32),接着进行一个小实验(33—37行)来(策略6)。在31行处,教师使用了一种(策略8):教师将学生的提议推理出一种明确的同时又是错误的假设,而学生在32行处却认同这种假设。这部分说明了教师是如何的(策略2)。这里有三种有趣的事例:(a)透镜向上移动到一定位置,像就超出焦点;(b)将透镜移至焦距处,像在焦点上和(c)将透镜靠近纸张,像将超出焦点,这部分直接针对目标2——“确定焦距”。
4.在37至45行中,教师建立了新的目标,即构建有关焦距取决于哪些因素的(或规则)(策略5)。这个目标到80行处时才能实现。在这部分对话的40行处学生表现出一个有关凹透镜如何使光线弯曲的错误概念。因此,教师形成了一个次级目标,即通过第41行处要求学生思考有关凹透镜如何使光线弯曲的多种可能来纠正学生的错误概念。学生一旦理解正确了,教师在43行处才又回到事先确定的在关焦距取决于哪些因素的目标。这部分对话是针对目标4——“解释透镜的曲率如何影响焦距的”。