摘? ?要：知識與實踐的雙向融合是形成物理核心素養(yǎng)的關鍵，素養(yǎng)是在理論指導實踐、實踐創(chuàng)新理論的過程中螺旋上升。模塊化的科學探究設計要求學生自主經歷探究的全過程，學生提出與生產生活實際相聯(lián)系的探究主題，在完成項目的過程中隨時進行輸入、編碼、記憶、輸出，隨學隨用，動態(tài)建構，即時檢驗，通過探究自主構建出熟練操作實驗的程序性知識及描述實驗問題、假設、原理、方案、步驟、數據、模型、結論、誤差等的陳述性知識，最后以書面研究報告的形式將記憶表征外顯化，由此構建物理觀念、形成科學思維、感悟科學家作研究的態(tài)度與精神，形成具有專業(yè)特征的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：核心素養(yǎng);信息加工;探究實驗;長時記憶

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0001-5

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力[1]。科學探究是物理核心素養(yǎng)的一個組成部分，也是一項學習活動，通過有效的科學探究活動能夠讓學生在探究過程中建構物理知識、形成物理思維、認識科學本質，并形成嚴謹的科學態(tài)度，科學素養(yǎng)在探究活動中動態(tài)提升。但應該認識到科學探究不是按照課程標準中的幾個步驟的八股式探究，認識到解決同一個問題的方法不是唯一的，而是多種多樣的，任何科學知識都不是一成不變的，而是基于證據發(fā)生變化的，知識系統(tǒng)是在實踐中不斷完善的。

物理核心素養(yǎng)最關鍵的是物理觀念的形成。物理觀念的學習目的是為了學習者能夠用相關知識去解釋自然現象和解決實際問題。物理觀念總體而言是一種物理的自然觀，是在物理知識基礎上的提煉和升華[2]。因此，物理觀念的形成需要將知識學習、解決問題、具體實踐進行有機的整合統(tǒng)一。對于物理學科來說，物理探究實驗是一個非常好的學習方式。實驗過程是一個不斷利用物理知識解決實際問題的過程，實驗的每一步都是基于物理科學原理的操作，需要經歷提取記憶、操作感知、編碼存儲、提取應用的動態(tài)循環(huán)過程。

1? ? 動態(tài)信息加工模型

當代認知心理學把人看作是一個積極的、具有主觀能動性的信息加工者。人的信息加工過程類似電腦的工作，需要將輸入的信息編碼為電腦操作系統(tǒng)能夠識別的符號（二進制），電腦操作系統(tǒng)再經過符號指令集對輸入信息進行編碼、存儲、輸出。符號是泛指代表、表示或意指他物的一切東西。這里的符號既可以是書籍中的符號，如教材中的文字、字母、圖示等;也可以是人腦中抽象的符號，如言語、表象等。符號操作系統(tǒng)把人類所具有的觀念、能力以及腦內加工的過程看作是一系列符號及其運作的事件。

基于信息加工模型的符號操作系統(tǒng)具有以下六種功能：（1）輸入符號（輸入）。人能夠通過眼睛看、耳朵聽、手觸摸或手寫字來輸入符號。（2）存儲符號（儲藏）。人類把輸入的信息保存在頭腦中（記憶系統(tǒng)）。（3）建立符號結構。人類通過自己所接收到的信息對符號進行不同的組合，得出新的關系，整合成新的符號系統(tǒng)。（4）條件性遷移（條件傳遞）。條件性遷移是指某個物理符號系統(tǒng)根據原來存儲的信息和當前輸入的信息而進行整合的一系列活動，它依賴于已經掌握的符號系統(tǒng)。條件性遷移的假設是：如果滿足了某種條件，即如果有了條件A就去執(zhí)行活動B。計算機完全按照這個程序指令一步一步完成條件性遷移。這也就像人類的心智活動的操作任務。（5）復制符號（復制）。認出符號并能把它原封不動地復制出來，存儲到某個地方。（6）輸出符號（輸出）。輸出時把運算、控制、存儲裝置中的運送結果或信息、符號顯示出來或者記錄下來的過程。人說話、寫字、走路等動作都是輸出[3]。

但人與電腦信息加工系統(tǒng)也是不同的，電腦接收信息是被動接受，而人的信息加工系統(tǒng)可以控制主動接收信息。當人們解決自己感興趣的問題時，發(fā)現長時記憶中的知識無法滿足解決問題的需求時就會進行執(zhí)行控制，要求主動輸入新信息（知識），再進行編碼記憶，與原有認知產生同化或順應，在學習動機驅使下大腦控制系統(tǒng)會不斷進行加工，判斷解決問題的知識是否滿足，不滿足該如何再進行輸入、編碼、記憶、輸出，周而復始，直至最終問題得到解決并以各種形式輸出。這樣的動態(tài)信息加工過程是知識的主動建構過程。當然，如果沒有解決問題的興趣和動機，即使有輸入信息，大腦也會拒絕編碼記憶。

2? ? 實驗探究過程中的動態(tài)編碼記憶

2.1? ? 實驗的感知輸入

語義記憶是指一般知識的長時記憶，是人們不知什么時候就已獲得的知識;情景記憶是指保存了個人經歷或者情節(jié)的長時記憶[4]。中學生的認知中已經存儲了一定量的物理語義記憶和情景記憶。學生在做實驗的過程中情景和語義同時輸入：操作真實儀器屬于情景輸入，與實驗相關的原理屬于語義輸入。兩種輸入并行有利于編碼存儲形成進一步的語義記憶和情景記憶。

2.1.1? ? 情景輸入與情景記憶

學習動機是主動意義建構知識的前提，實驗的最大特征就是輸入真實情景，讓學生親自操作。一方面激發(fā)學習動機，另一方面可以訓練感覺、培養(yǎng)直覺、發(fā)展創(chuàng)造力。

學生站在實驗臺前映入眼簾的是儀器，這些儀器也許有的是已經熟悉的情景記憶，如學生電源、電流表、電壓表、變阻器等。但有的卻是第一次見到，如變壓器、真空泵、發(fā)波水槽、傳感器等，需要補充到長時記憶中。

感知實踐包括感知實驗的挫敗感。目前，中學物理實驗儀器瑣碎，質量良莠不齊，元件容易損耗，設備也容易出故障。如一些電學實驗按照線路圖連接電路時發(fā)現用電器不工作或儀表指針不動，學生自己得找到原因進行解決，有時候也許一節(jié)課也調不出一個實驗現象。讓學生真正感知科學家做實驗的艱辛，這種難忘的情景輸入有利于學生形成情景記憶。

2.1.2? ? 語義輸入與語義記憶

物理實驗的原理是指用儀器完成某一特定實驗而遵循的一般原理。但物理儀器的構造原理比實驗原理更復雜，每一個物理實驗儀器都是一個工程產品，它們是工程師經歷了設計、研發(fā)，而最終形成的產品，是多種知識的組合應用。如研究平拋運動的實驗儀，其基本實驗原理是兩個相互垂直方向上的運動合成。但目前中學物理實驗儀器有很多種，不同實驗儀器的構造原理不一樣，有的用斜面控制小球初速度，有的用碰撞控制，還有的用電磁鐵控制，這就包括了斜面、碰撞、電磁的原理。很多儀器構造暗含的理論會高于實驗學習目標本身。因為實驗儀器的構造原理都不是獨立的，制造儀器包含著多方面的原理和技術，因此實驗過程中需要不斷輸入和再學習與之相關的理論意義，在實踐中進行編碼記憶形成知識的語義記憶屬于深度學習，比純書本學習理解得更深刻。做實驗的過程中，語義記憶和情景記憶相互促進，對實驗原理和儀器構造原理的理解會幫助學生診斷實驗過程中出現的故障，尋找解決問題的辦法，改進實驗儀器;也能夠幫助理解真實產品的構造原理，如對偏振實驗原理的理解幫助學生理解偏光太陽鏡和立體電影的原理。對實驗現象、實驗原理的解釋都屬于語義記憶，與學習書本知識不一樣的是這種語義記憶是在真實情景感知的基礎上建立起來的。由儀器誘導出的思考，也許就是學生的創(chuàng)新之源。

2.1.3? ? 情景、語義的不斷輸入動態(tài)形成陳述性知識和程序性知識

做實驗既需要陳述性知識，也需要程序性知識。陳述性知識包括存儲于語義記憶和情景記憶中事實的意義，是人們能夠用語言描述事物“是什么”和“怎么樣”的知識;程序性知識是一套辦事的操作步驟，是關于“怎么辦”的知識。

做實驗最終會形成程序性知識，即熟練操作儀器，知道做實驗的每個步驟。形成程序性知識的一種方法就是熟能生巧，我國很多學校對于中考要考的實驗就采用這樣的辦法，反復訓練，熟練掌握幾個固定實驗的操作步驟，但卻忽略了實驗的意義，變成了動手不動腦的過程，這樣也沒有達到物理實驗的目的。物理實驗是讓學生學會物理實驗研究的方法，由實驗學習理論。因此，做物理實驗不但需要操作實驗的程序性知識，也應該能用陳述性知識解釋整個實驗過程。即一方面能夠熟練操作一些實驗儀器，另一方面也能用書面語言編寫實驗的操作規(guī)程、描述實驗現象、解釋實驗原理、處理實驗結果等。

按照實驗常規(guī)，實驗前需要通過各種方式為學生輸入實驗原理的語義信息。教師講解實驗原理是比較快捷的途徑。但我們提倡教師提供與實驗原理相關的資料，讓學生邊感知實驗情景邊輸入原理意義信息，讓原理指導實驗。這時候的學習屬于發(fā)現式的有意義學習。如在學習聲音的傳播實驗時，可以讓學生先進行真空罩實驗，感知隨著空氣的抽出聲音逐漸變小，推理得出聲音的傳播是需要介質的結論，同時也發(fā)現實驗室儀器無法達到完全不傳聲的效果，學生會尋找原因，如真空度不夠，儀器構造的某些部件（如放鬧鈴的底座）仍能作為介質傳播聲音，因此想辦法測量真空罩中的氣壓并改進實驗[5]。在這個過程中學生邊實驗邊發(fā)現問題、解決問題，同時不斷輸入理論解釋現象，學會控制變量法、理想實驗法、推理法等科學方法，體驗理論與實踐的差距。

超出既定目標的實驗現象會誘導出新的實驗原理。感知現象的同時必須回憶大腦中儲存的物理原理，如果記憶中的知識與現象不匹配，就要重新輸入新的物理原理。如楞次定律演示儀是需要驗證通過閉合鋁環(huán)回路的磁通量發(fā)生變化時遵循來拒去留的運動現象。學生進一步實驗發(fā)現，如果在條形磁鐵上再吸附一塊強磁鐵，插入非閉合鋁環(huán)，鋁環(huán)也會運動。為了解釋這個現象，就需要輸入渦流的理論[6]，學習在不經意中就自然發(fā)生了。因此，做實驗希望學生能夠刨根問底、探究原理、發(fā)現新問題、學習新知識、激發(fā)進一步學習的熱情。學生感知實驗過程是任何人或媒體都無法替代的，學生在感知實驗過程中不斷進行同化順應，動態(tài)構建自己的陳述性知識和程序性知識。

2.2? ? 探究學習過程的雙重編碼記憶

陳述性知識有兩種表征方式：類比表征和符號表征。類比表征也叫心理表象，保留原始刺激物或事件的大部分特征，在頭腦中形成曾看到物體或事件的心理圖畫;符號表征是指依賴于人的主觀符號的陳述性記憶。語義記憶和情景記憶都可以通過類比（心理表象）和符號（心理命題）的形式進行表征。雙重編碼理論認為，人們既可以通過心理表象也可以通過心理命題的方式表征信息。要讓學生更好地記住信息就要圖文并茂[4]。

按照支架式學習理論，實驗情景屬于搭支架，是協(xié)助建構知識的，最終支架撤去后存儲在記憶中的是表征為表象和命題的圖式結構。就像蓋房子，只有支架沒有砌磚，那只是個空架子，砌的磚如果不牢固，也會坍塌。只操作實驗沒有對實驗過程、方法、數據、結論進行編碼記憶，那就是一個空架子;對上述過程編碼但不成體系說明知識是離散的，就不可能形成物理核心素養(yǎng)。

對輸入的信息必須進行編碼、記憶、輸出，學習才能發(fā)生。無論實驗現象還是實驗原理，感官輸入后必須要被主體有意識地編碼記憶。僅看到現象而沒轉換為物理術語的編碼記憶，實驗就是看熱鬧，看到儀器不會調用大腦中的表象及命題表征對其進行再次編碼，原理和實踐就是兩張皮。

但目前中學物理實驗也有一個誤區(qū)，老師展示精彩的實驗，學生興趣盎然地觀察現象，但等到需要對實驗現象進行編碼記憶時，就變成老師講解，學生被動機械記憶。因此，我們不能讓實驗成為活躍感知、惰性編碼狀態(tài)的課程。

對實驗現象、實驗結果的編碼是物理學習的關鍵環(huán)節(jié)，可以編碼表征為表象和命題。如編碼為物理示意圖等屬于表象，編碼為原理定律等屬于命題或命題網絡。一個物理概念原理可以表示為圖形、圖示、文字、符號、公式，因此需要表象及命題的雙重表征方式。

科學的陳述性知識有別于一般自然語言，科學學習的最終目的是希望學習者能夠以書面語言的形式輸出。無論是回答考試問題還是設計一個方案，都需要用專業(yè)的科學術語、符號、圖示等展現出來，即利用大腦長時記憶中的陳述性知識描述出來。因此，描述的水平直接取決于大腦中對各類問題表征的準確性，輸出的書面語言表征也能即時檢驗記憶中欠缺的知識，再進行補充?，F在很多學生喜歡做實驗觀察現象，但不喜歡寫書面的研究報告，或者不能用規(guī)范的科學語言符號描述實驗現象及原理，說明學生對實驗情景并沒有進行有效的編碼記憶或者記憶表征不夠準確。

物理實驗創(chuàng)設的真實情景方便學生將現象轉換為記憶中準確的表象表征。如學生看到圖1（a）中磁鐵周圍小鐵屑或小磁針的分布，很容易由圖1（a）建立起磁感應線的表象[圖1（b）][7]。表象建立起來后，也很容易對表象進行語義編碼。用物理學術語言描述或者概述出來，形成命題。

通過磁感應的表象促進形成磁場分布一系列命題描述：磁感應線是在磁場中畫一組由N極出發(fā)、S極結束的曲線來描述磁場分布的一種圖示方法，曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同，磁感應線的疏密程度代表磁場的強弱，條形磁鐵兩極磁性最強、中間最弱等。經歷了觀察、編碼、記憶、表征四個環(huán)節(jié)，加工層次越來越深。由實驗情景到表象表征要讓學生學會如何忽略真實實驗現象的一些次要因素，提煉出主要特征，用類比和符號雙重表征出物理模型。

科學探究實驗的編碼從一開始就已經發(fā)生，提出并定義問題、形成假設、設計實驗方案、設計表格、操作實驗、讀取數據、記錄數據、處理數據、討論結果等環(huán)節(jié)都對應著不同的編碼形式?，F在很多實驗的方案設計、表格設計、結果分析都由教師包辦，操作也是教師演示一遍，學生依葫蘆畫瓢，缺失了這些實驗環(huán)節(jié)的自我編碼記憶，這對學生科學思維及科學探究核心素養(yǎng)的形成非常不利。若學生不是主動進行自我編碼記憶，那么知識就是記住的，不是理解的[8]。

因此，我們希望探究一開始就由學生完成，每一個環(huán)節(jié)都由學生自覺地輸入信息、編碼記憶、輸出探究實驗報告。語言是思維的載體，一份探究實驗報告能反饋出學生對實驗的長時記憶表征形式，判斷陳述性知識在長時記憶中的類比表征和符號表征的程度?？茖W家的研究論文和研究報告事實上也是陳述性知識表征的外顯形式。

3? ? 基于工程實踐的中學模塊化物理探究實驗設計

好的實驗設計是為學生搭建一個學習的平臺，不是為了做實驗而實驗，而是為了學習一種實驗研究方法，思考實驗現象和結論，意義建構知識。著名物理學家盧瑟福的觀點就是“實驗很重要，但用腦思考更關鍵”。

學生自主探究需要動手操作、動腦思考。探究的各個環(huán)節(jié)都應由學生完成，但也不是把學生放在實驗室就撒手不管。做實驗也需要學生大腦中有一些與實驗相關的情景記憶和語義記憶。如果沒有實驗體驗學生會對實驗儀器產生操作焦慮，不敢動手。因此，提倡模塊化探究，即將探究實驗放在一個模塊或者一個單元正常學完之后，學生在這個模塊的學習過程中經歷了教材中安排的所有實驗，對一些設備都已經熟悉。模塊探究就是把與本學習模塊相關的各類實驗儀器都擺放在實驗桌上，讓學生對照這些儀器提出一個探究問題，這個探究問題可以是幾個實驗的組合，也可以是對比實驗，還可以是與生活、生產實踐相聯(lián)系的實驗拓展。

例如，電學模塊可以提供一些學生電源、電阻、小燈泡、電流表、電壓表、電容器、開關、導線等，學生可以在提出“探究家庭燈光的電路設計”或“探究圣誕樹彩燈設計”等研究問題后自己開始查閱資料弄清原理、形成假設、進行方案設計、選擇儀器、撰寫實驗步驟、實施實驗、記錄數據、分析數據、研究實驗結果、形成結論或模型、撰寫研究報告進行交流等，最終也可以提出家庭燈光或圣誕樹布線的工程設計方案。教師可以將這些環(huán)節(jié)設計為探究實驗指導書，并提出一些要求，如在選擇儀器時要求學生拍攝儀器照片并進行功能標注，分析數據要求有誤差分析等。要求學生邊做實驗邊完成指導書，實驗項目結束后提交報告。這類模塊化探究可以安排三次課：第一次課學生主要是摸索儀器，提出問題，試著操作，課后設計方案;第二次課是開發(fā)實驗，完成實驗指導書中的相關內容，課后繼續(xù)完善指導書;第三次課進行匯報交流，以視頻或實物形式展示實驗作品。學生學完電磁學模塊后，利用線圈和磁鐵等開發(fā)的集成化的電磁演示實驗（圖2），可以展示磁生電、電生磁及相互作用的多種實驗。如圖3所示，是學生設計的手搖手電筒模型。這種完全探究根據具體情況一學期可以進行一次，或者以課外學習小組的形式開展，幫助學生獲得科學家進行科學研究的真實體驗，從中獲得成就感。

經過一個模塊的學習可以積淀一定的知識和經驗，再經歷一個模塊化的探究項目可將知識與現實問題聯(lián)系起來，由真實場景激活記憶中的知識元。動腦設計、動手制作加工，在這個過程中攻克一道道難關，最終當看到解決問題后輸出的作品時，就會體驗到解決問題的成就感。在不斷解決問題的過程中使得原有知識、思維、態(tài)度得到進一步升華，培養(yǎng)一種潛在科學家或者工程師的素質。

4? ? 小? 結

基于動態(tài)信息加工理論的探究實驗設計強調學生在實驗過程中隨時進行輸入、編碼、記憶、輸出，隨學隨用，動態(tài)建構，即時檢驗。實驗過程中將深奧的儀器原理、有趣的實驗現象、靈活的動手能力、外顯化的物理知識和操作相互融合，使得學習者知識、能力、方法多維度發(fā)展。通過循環(huán)，記憶的加工水平逐漸加深，知識理解得更透徹。中學物理實驗不像那些高尖端的集成實驗，其精確度不高，實驗過程狀況百出，是最接近科學家發(fā)現物理規(guī)律的原始實驗。中學物理實驗教材中幾乎所有實驗都需要實驗者將多個元件、設備進行設計組裝或者搭建，如光的折射需要玻璃磚、激光筆、量角器等;電路的串并聯(lián)需要導線、電壓表、電流表、電源、燈泡。每個元件又有各自的特性和操作規(guī)范，實驗者從這些儀器本身就能學習到很多物理學的知識。在儀器組裝過程中也許會遇到很多不確定因素，出現各類故障，在解決這些問題的過程中，實驗者需要查原理、理思路、找原因，這也是一個非常好的學習過程，如燈泡不亮，就學會檢查電路，檢查接法;靜電感應現象不明顯是不是還要考慮周圍環(huán)境及天氣的影響，跨學科知識也在實踐中自然而然地滲透進來。

基于工程實踐的科學探究就是把現實中的真實問題與物理實驗聯(lián)系起來，滲透工程思維和設計思想，條件容許時進行工程實踐。物理實驗為工程實踐構建了理論模型和樣本模型，但工程實踐時還得考慮很多因素，如時間成本、經濟成本、施工難易度等，除此之外還得考慮很多標準，如環(huán)保、安全、美學等。因此，工程實踐也可以讓學生先設計一個方案，在條件容許時再進行具體實踐。讓學生在滲透工程實踐的科學探究中感悟為什么要有終生學習的理念，知道知識是在解決問題的過程中動態(tài)形成的，對高標準輸出的渴望激發(fā)其不斷進行學習輸入的動機，領悟為什么生產實踐和科研領域有那么多的技術難題和科技難關需要攻克，逐漸形成為解決我國“卡脖子”問題作貢獻的雄心壯志。

參考文獻：

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（欄目編輯? ? 廖伯琴）

【專家介紹】

張軼炳（1964-），女，寧夏大學物理與電子電氣工程學院教授，碩士生導師。1985年畢業(yè)于寧夏大學，2004年獲北京師范大學理學碩士學位，2009—2010年于美國俄亥俄州立大學做訪問學者。2013年獲鐘瀚德基金會的全國明德教師獎，2017年獲寧夏回族自治區(qū)“十三五”普通高校第二批教學名師。曾主持完成國家自然科學基金項目及其他各類課題十余項，發(fā)表各類論文七十余篇。