阮勝磊+沈莉+張曉勇

摘 要：物理學(xué)存在自身的結(jié)構(gòu)，學(xué)生的認(rèn)知過程也存在自身的規(guī)律。學(xué)生學(xué)習(xí)過程是兩者相互作用的結(jié)果。本文研究了兩者存在什么樣的關(guān)系，如何協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知規(guī)律；物理學(xué)結(jié)構(gòu)；物理理論

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）7-0019-4

1 引 言

在教學(xué)過程中我們常常會發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于區(qū)分度較低的題目回答得很好，但是在沒有加入新的知識、新的方法的區(qū)分度較大的問題上，表現(xiàn)卻很差。沒有新的知識與方法加入的情況下，為什么學(xué)生的表現(xiàn)相差這么多呢？這樣的問題同樣還出現(xiàn)在教學(xué)過程中，學(xué)生在教師的提示下，很容易找到解決問題的方法，如果完全放手讓學(xué)生自己探究，學(xué)生往往無所適從，很難得出最后的結(jié)論。這樣的問題普遍存在，其中有什么內(nèi)在的原因？

2 物理學(xué)的結(jié)構(gòu)與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的關(guān)系

學(xué)生的認(rèn)知過程有其自身的規(guī)律，物理教學(xué)內(nèi)容有其自身的結(jié)構(gòu)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，會根據(jù)他的認(rèn)知結(jié)構(gòu)對教學(xué)內(nèi)容進行處理，從中獲得一定的信息。物理教學(xué)內(nèi)容自身的結(jié)構(gòu)在學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知階段對認(rèn)知過程會造成一定的負(fù)面影響。

2.1 物理理論的順序不利于經(jīng)驗獲得

一個物理理論可以通過歸納、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、外推、類比等各種科學(xué)方法與其他物理現(xiàn)象或者理論產(chǎn)生聯(lián)系。不同的理論也可以通過不同的科學(xué)方法與這個理論發(fā)生關(guān)系。方法在兩個知識之間處于一個確定的位置，起到一定的作用。物理知識與方法的這些關(guān)系構(gòu)成了教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)。我們會發(fā)現(xiàn)一個問題，在學(xué)生學(xué)習(xí)前，教師把所有需要的物理量都和學(xué)生講了一遍，放手讓學(xué)生探究，學(xué)生卻茫然無措，不知道如何設(shè)計實驗、設(shè)計數(shù)據(jù)分析，進而得出結(jié)論。雖然教師提供的信息從物理學(xué)的角度看，完全可以幫助學(xué)生達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，但是教師提供的內(nèi)容卻變成了無效信息，這是因為方法的習(xí)得僅靠教師間接講授方法的內(nèi)涵，學(xué)生不進行實踐，比較難以掌握。

“啟發(fā)式是由以往解決問題的經(jīng)驗形成的一些經(jīng)驗規(guī)則。在過去若干年，認(rèn)知科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人類經(jīng)常運用幾種并非局限于特定的問題的通用啟發(fā)式?！盵1]學(xué)生會從科學(xué)方法的使用經(jīng)歷中不斷歸納經(jīng)驗形成概念學(xué)習(xí)、規(guī)律學(xué)習(xí)、實驗探究等各方面的通用啟發(fā)式。雖然學(xué)生可以在完成試題的過程中練習(xí)一定的方法，達(dá)到對某一方法在某個知識點上應(yīng)用的深入理解，這樣的過程很難讓學(xué)生形成對方法的認(rèn)識，想要獲得通用啟發(fā)式這樣的高層次規(guī)律，必須有多樣化的使用經(jīng)驗。這是一個長期的過程，我們會發(fā)現(xiàn)隨著學(xué)生學(xué)習(xí)年限的增長，經(jīng)過多次使用，學(xué)生對某一方法的使用顯示出越來越熟練的狀態(tài)。這點在控制變量法上尤其明顯。初中眾多知識的學(xué)習(xí)都需要應(yīng)用到控制變量法，最后學(xué)生一看到研究對象和幾個因素有關(guān)，就想到應(yīng)該應(yīng)用控制變量法。某一個方法是在知識習(xí)得的一個階段中使用的，它只要被使用到，在不同知識習(xí)得過程中所處的位置都是固定的。如果學(xué)生某一段時間的學(xué)習(xí)過程都是使用同一個方法，他對每一個學(xué)習(xí)內(nèi)容的習(xí)得都是處于同一個階段，比如觀察階段、猜想階段等。這樣的過程，學(xué)生每一個知識都只學(xué)了一部分，是無法達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)要求的。因此，教材是按照物理知識之間的關(guān)系進行排列，不是按照科學(xué)方法的相同進行歸類。學(xué)生在一段時間內(nèi)，學(xué)習(xí)同一個知識，應(yīng)用幾個不同的方法，缺乏對同一方法的多對象練習(xí)過程，相對難以熟練掌握方法。

2.2 學(xué)生無法從原理上分類問題

物理量與物理量之間的關(guān)系并不僅僅只受公式的影響，還存在研究目的的不同。研究目的不同會造成在方法使用的一些過程中部分環(huán)節(jié)的不同。在歐姆定律學(xué)習(xí)過程中，探究歐姆定律階段，學(xué)生需要探究電流與電壓的關(guān)系，在應(yīng)用階段需要進行測量電阻。兩者在原理、器材、過程上幾乎完全相同，不同的是探究電流與電壓的關(guān)系最后要加一列比值，測電阻需要的是電阻值和平均值，因此實驗過程也不同。這是由于多次實驗的目的不同造成的。學(xué)生需要根據(jù)實驗?zāi)康膶烧哌M行區(qū)分，設(shè)計合理的實驗方案。

“新手和專家對此特別設(shè)計的問題進行分類時，結(jié)果仍然發(fā)現(xiàn)新手受問題表面形式的影響比受其深層次物理學(xué)原理的影響大。而專家并未受這種設(shè)計的影響。不管問題的內(nèi)容和示意圖如何，他們總是根據(jù)抽象的物理原理進行分類?！盵2]由于教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)限定，學(xué)生在初始階段對于內(nèi)容的分類往往會出現(xiàn)錯誤，這是由于方法可能已經(jīng)學(xué)了（多次實驗取平均值在質(zhì)量測量過程中有，多次實驗得出普遍規(guī)律在光學(xué)中有），這些過程是孤立存在的，學(xué)生在孤立過程中，沒有經(jīng)歷從原理上區(qū)分的過程，沒有形成從原理上進行區(qū)分的經(jīng)驗。所以，我們會看到學(xué)生在測量電阻實驗表格設(shè)計中沒有設(shè)計電阻值和平均值兩列。學(xué)生分類能力的滯后性來源于相似教學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)相對較晚，學(xué)生沒有體驗的過程。

2.3 建立知識之間的聯(lián)系需要知識的特殊應(yīng)用

“我們認(rèn)為它（圖式）是一類能通過對即將呈現(xiàn)的刺激形成某種預(yù)期進而引導(dǎo)相應(yīng)知覺過程的相關(guān)知識……當(dāng)某部分語義記憶中激活的結(jié)點數(shù)量達(dá)到足夠多時、該部位的組織要素——圖式將被激活。而一旦圖式被激活后，被試者便能夠解決當(dāng)前呈現(xiàn)的刺激信息中的一些未知的情況。”[3]學(xué)生要激活大腦中已有的圖式，必須要有足夠的刺激。物理學(xué)生表現(xiàn)為當(dāng)學(xué)生得到了一個現(xiàn)象或者理論的刺激，他可以根據(jù)已有的經(jīng)驗找到相對應(yīng)的方法。

學(xué)生已有知識與教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系呈現(xiàn)往往是知識一個特定的外延通過一定的方法得到教學(xué)內(nèi)容。如果學(xué)生事先不知道這個外延，無疑是很難在沒有教師的幫助下解決問題的。如果一個知識的外延呈現(xiàn)了存在某種邏輯關(guān)系的可能，學(xué)生就有可能想到利用一定的方法建立兩者的關(guān)系。因此教師是否建立在整節(jié)課、整個單元的框架下進行教學(xué)設(shè)計，會造成學(xué)生思維坡度的不同。比如有的教師在“平面鏡成像”這節(jié)課中，引入管引入，猜想管猜想。這個過程沒有問題，到了要用玻璃板代替平面鏡的時候，就犯難了，怎么讓學(xué)生想到用玻璃板？有位老師在一節(jié)全國青年教師大獎賽的課中，采用了在知道哪些可以做鏡面時，特意讓學(xué)生觀察了玻璃板，為后續(xù)的內(nèi)容埋下了伏筆。在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，又讓學(xué)生體驗平面鏡無法找到像的位置，進一步樹立了玻璃板的作用，最后進入實驗探究平面鏡成像的規(guī)律，學(xué)生就容易想到使用玻璃板代替平面鏡。學(xué)生在實驗前，已經(jīng)在特定場景中知道了玻璃板不僅有透射的作用，還有反射的作用。這樣既能透射又能反射的物體適合尋找像的位置。學(xué)生經(jīng)歷了玻璃的特定外延，擴大了原來玻璃板這個概念的外延，提供了后續(xù)方法使用的可能。

2.4 學(xué)生不清楚方法間的關(guān)系

“界定不良問題的答案事先并不能確定，因而就不能形成必然會得到答案的解決程序。我們不可能會有關(guān)于界定不良問題的算法，即使對于界定良好的問題來說，有時也會因問題本身過于復(fù)雜而難以找到合適的算法?！盵4]物理學(xué)的學(xué)習(xí)并不是一個完全界定不良的問題。我們會發(fā)現(xiàn)科學(xué)方法會出現(xiàn)組合使用的情況，必然是因為方法之間存在一定的邏輯關(guān)系。中學(xué)教學(xué)所分析的對象在整個學(xué)習(xí)過程中是不轉(zhuǎn)變且不出現(xiàn)變化的。因此，方法的使用往往不是由于情況的變化進而應(yīng)用了其他的方法，而是由于這些方法之間存在的邏輯關(guān)系造成一旦學(xué)生使用了這個方法，會有很多后續(xù)一定會使用到的方法。

探究過程是一個模擬科學(xué)研究的過程，雖然是模擬，由于在形式上幾乎相同，探究過程各個環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系必然是在物理學(xué)科本質(zhì)的引領(lǐng)下形成了一系列活動。在學(xué)生已經(jīng)進行了猜想之后，教師詢問學(xué)生，物理是一門什么學(xué)科，要想獲得結(jié)論就要進行實驗。在初步結(jié)論之后，詢問學(xué)生，這樣的結(jié)論能不能幫助你進行預(yù)測。比如你有了密度的初步結(jié)論，給你一個體積，能不能求出它的質(zhì)量？想要預(yù)測質(zhì)量，必須知道它們的數(shù)量關(guān)系，也就是定量關(guān)系。我們要獲得定量關(guān)系，必須進行什么？測量，因為測量是進行可靠的定量比較。學(xué)生多次經(jīng)過這樣的過程會明白為什么后續(xù)要用到這么多方法。

2.5 教師的引導(dǎo)會改變教學(xué)內(nèi)容

教師在學(xué)生思維過程受到阻礙后，往往會想辦法給予學(xué)生幫助。從教師的本意看，是降低學(xué)生的思維難度。由于教師的提示語會造成教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有時候反而提高了思維難度。在初中九年級“連通器”學(xué)習(xí)中，教師會引導(dǎo)學(xué)生探究連通器的特點，通過觀察相同的茶壺、水位計和幼牛自動喂水機三個圖片進行歸納。筆者在一次教學(xué)過程中指著這三張圖直接問：這三個容器有什么共同點。結(jié)果學(xué)生分析出了好幾個與連通器定義無關(guān)的特點，比如都是圓筒形，可以裝水等。筆者的提示沒有改變學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，學(xué)生對著三個物體的認(rèn)識還是以生活經(jīng)驗為主，沒有呈現(xiàn)以連通器為特征的上位概念的聯(lián)系。由于學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中三者的分立性，學(xué)生的思維走向了無關(guān)的領(lǐng)域，要想重新拉回正確的方向就顯得比較困難。

教師的無效行為不僅提升了單個環(huán)節(jié)的思維坡度，對整體學(xué)習(xí)過程的思維坡度也產(chǎn)生了影響。連通器的定義：我們將幾個底部相通，上部開口或相通的容器組成連通器。我們會發(fā)現(xiàn)相通是關(guān)鍵詞，只要抓住了相通，幾個容器，上部和下部等都可以從相通中推導(dǎo)出來。本校沈莉老師在筆者之后進行教學(xué)，她采用首先觀察茶壺形狀的燒杯（筆者是在之后的應(yīng)用中使用），讓學(xué)生觀察水從一個口入另一個口出的現(xiàn)象，讓學(xué)生以自己的生活經(jīng)驗和對容器的觀察解釋這樣的現(xiàn)象。這個過程沈老師已經(jīng)改變了教學(xué)內(nèi)容。前置的觀察環(huán)節(jié)已經(jīng)將容器從顏色等抽象出來，成為了一個上部連通的抽象模型了。

3 協(xié)調(diào)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律與教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)矛盾的方法

3.1 根據(jù)學(xué)生已有知識分解教學(xué)內(nèi)容

學(xué)生由于方法的使用經(jīng)驗較少，對學(xué)習(xí)過程沒有一個原理化的了解，我們的教學(xué)內(nèi)容并不是按方法分類的，即在一段時間內(nèi)學(xué)習(xí)內(nèi)容的習(xí)得方式方法是不同的，而且我們的習(xí)題不同于學(xué)生的直接體驗，是學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷的過程，由于習(xí)題的篇幅限制，一道習(xí)題也不可能完整重現(xiàn)整個知識習(xí)得的過程。教師的引導(dǎo)成為了一個重要的因素。缺乏教師的有效引導(dǎo)，學(xué)生可能在某一個環(huán)節(jié)由于刺激的不足，或者錯誤的問題歸類而走上歧途。

教師將一個完整的學(xué)習(xí)過程分解并逐步引導(dǎo)的過程。每個教學(xué)環(huán)節(jié)中包含盡量少的方法，并給予學(xué)生一定的提示，根據(jù)后續(xù)所要使用的方法對教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)進行一定的改造，比如一個物理現(xiàn)象中不同的部分會顯現(xiàn)不同的規(guī)律，教師在與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的現(xiàn)象出現(xiàn)時提示學(xué)生觀察。尤其在教學(xué)環(huán)節(jié)中涉及學(xué)生較少使用的方法的過程，更加需要教師進行提示，減少學(xué)生試誤的過程。比如前面說到的比值的問題，如果學(xué)生不是非常熟悉探究一個概念的過程，必然很難想到進一步分析，進行計算，最后尋找計算結(jié)果的規(guī)律，定義出一個物理量。教師可以提示學(xué)生，如果我們想要進一步分析數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)怎么做。

3.2 在單元的多堂課中分解難點

除了在一個教學(xué)過程中需要直接提示學(xué)生，在整個單元學(xué)習(xí)中也要分散難點。正如前面所述，許多知識之間的聯(lián)系是建立在已有知識的特殊外延上的。學(xué)生不知道這些外延，很難想到采用什么方法。學(xué)生對外延的理解是需要時間的。如果在一堂課上，學(xué)生在學(xué)習(xí)了外延之后，馬上要求他能夠從外延想到如何聯(lián)系要學(xué)的知識是很難的。我們知道整個課堂也是有結(jié)構(gòu)性的，如果教師突然扔出一個與前面講授的知識完全不同的內(nèi)容，學(xué)生的思維會被突然打亂。

在前面的教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)在課堂應(yīng)用或者練習(xí)中將這樣的外延告訴學(xué)生，給予學(xué)生一定的練習(xí)時間。

電學(xué)串聯(lián)電路電阻規(guī)律學(xué)習(xí)中，有的教師就將替換電阻的一定知識放入了練習(xí)中。替換電阻的本質(zhì)是電阻之比等于電壓之比，電壓之比會受到電壓表量程的限制。我們可以做如下的單元安排：

新課：已知R1、R2串聯(lián)在電源電壓為U的電路中，求電路中的電流I、R1兩端的電壓U1。

復(fù)習(xí)課：將定值電阻R、最大阻值為4R的滑動變阻器串聯(lián)在電源電壓為U的電路中，求電路中電流的最大變化量。

專題復(fù)習(xí)課：（加上替換、電表）……這樣就將上海中考的壓軸題替換電阻分解在多堂課中。每一堂課都是串聯(lián)電路電阻規(guī)律的一個外延，外延之間又呈現(xiàn)階梯性，即后一個是前一個的外延，而不是新課中串聯(lián)電路電阻規(guī)律的直接外延。

3.3 從原理上幫助學(xué)生區(qū)分不同結(jié)構(gòu)

學(xué)生往往被問題的表面相似性所迷惑，將不同的問題歸納為一種問題。這是由于學(xué)生無法全面地看待物理學(xué)，沒有掌握所學(xué)知識的全部外延。幫助學(xué)生區(qū)別問題之間的差異只能由教師完成。電阻與電功率都是由電壓與電流組成的，在某些結(jié)構(gòu)上存在相同點，測量工具、實驗電路等都相同。因此，在測電阻與測小燈泡電功率的實驗中，學(xué)生由于兩者的相似性發(fā)生問題。測量電阻最后要求一個電阻的平均值減小誤差，測小燈泡電功率則是測量小燈泡在不同電壓下的電功率，不用求平均值，要記錄亮度。我們可以看到同樣一個表格法，面對不同的對象，它的形式不同。這樣的形式并不是沒有規(guī)律的，是根據(jù)實驗對象的特點決定的。不同電壓下定值電阻的電阻值是不變的，不同電壓下電功率是完全不同的。在學(xué)生設(shè)計實驗前，已經(jīng)有了刺激。測量一個物理量，學(xué)生已經(jīng)經(jīng)歷了多次，形成了一定的通用啟發(fā)式，尤其多次測量取平均值減小誤差。學(xué)生可以在考試中輕松回答出。教師所要做的是從原理上對實驗進行分析，比如在測量小燈泡電功率的實驗中發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)了問題，從實驗原理上進行分析，讓學(xué)生思考當(dāng)移動滑動變阻器滑片時，小燈泡兩端電壓如何變化，電流如何變化？并指著實驗原理P=UI詢問學(xué)生，兩者都變大，電功率可能不變嗎？既然不可能不變，是否可以通過取平均值提高準(zhǔn)確率？教師從原理出發(fā)，分析測小燈泡電功率與測電阻的區(qū)別，能有效幫助學(xué)生找到正確的方向，同時有效區(qū)分兩者的不同。

3.4 提升學(xué)生對方法使用的熟悉程度

科學(xué)方法使用的過程并不是一個盲目試誤的過程，是根據(jù)人類科學(xué)研究經(jīng)驗歸納而成的一個有規(guī)律的行為指南。作為一個行為指南，必然要告訴使用者在什么情況下使用這些方法。學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)時間是有限的，由于教材是按照教學(xué)內(nèi)容進行排列，不是按照方法進行排列。如果按方法排列，我們會發(fā)現(xiàn)知識就要碎片化了，因為相同的方法往往是在知識學(xué)習(xí)的同一階段使用的，如果同一時間使用相同方法，無疑每個知識就學(xué)了一部分。如果想讓學(xué)生馬上進行聯(lián)系，進行行為上的強化，達(dá)到對新學(xué)方法的熟悉，就需要在課外進行練習(xí)。教師可以在課外設(shè)計一些情境，讓學(xué)生在其中使用已學(xué)的科學(xué)方法。由于沒有教學(xué)時間的限制，也沒有課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以大膽讓學(xué)生進行試誤。筆者認(rèn)為我們方法的教育上缺少學(xué)生試誤的過程，教師為了降低學(xué)生的思維坡度，提供了大量的幫助。這點固然幫助學(xué)生在有限的時間內(nèi)完成了探究過程，學(xué)生自己判斷的元認(rèn)知過程沒有了。由于教學(xué)過程中，教師還會進行巡視，幫助學(xué)生完成。在課堂教學(xué)有限的時間內(nèi)，無疑這樣的幫助過程是利遠(yuǎn)大于弊的?？梢酝ㄟ^課外活動，完全的自主探究過程，彌補學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中缺失的部分。學(xué)生能掌握科學(xué)方法，除了學(xué)生自己歸納方法的使用條件，教師也應(yīng)當(dāng)幫助學(xué)生分析已有經(jīng)驗，提示所要使用的方法。比如在功率的學(xué)習(xí)中，教師設(shè)計一個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生回憶要比較快慢，已經(jīng)學(xué)過了的比較快慢的物理量。初二學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容較少，且相似性不大，他們能馬上回答是速度，教師就展現(xiàn)當(dāng)時速度的學(xué)習(xí)過程。這時候?qū)W生知道在需要比較快慢的情況時，需要用到控制變量法。在學(xué)習(xí)電功率的時候，有的學(xué)生聽到教師說電流做功有多少，自然還有快慢，馬上就能想到需要使用控制變量的方法進行研究，得出初步結(jié)論。

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（欄目編輯 劉 榮）