基于建构主义理论的大学物理教学设计

曹　慧　陈菊梅

(国防科技大学理学院物理系,湖南 长沙　410073)



基于建构主义理论的大学物理教学设计

曹慧陈菊梅

(国防科技大学理学院物理系,湖南 长沙410073)

摘要本文首先介绍了建构主义认知理论的基本观点和倡导的教学方法，然后介绍了依据这些观点，在大学物理课程中所做的教学内容设计和教学过程设计，以及实践后的教学效果分析.文章提出，基于建构主义认知理论对教学内容和过程进行设计，能有效提高学生的学习效率，为提高大学物理课程教学质量和效益提供了一种参考和借鉴.

关键词建构主义认知理论；大学物理；教学设计

大学物理是高校最重要的公共基础课程之一，涵盖了自然科学中最基本的概念、原理和方法，学习大学物理不仅有利于学生建立科学的世界观，而且理解这些概念、原理和方法就是理解他人想法的过程；内化这些概念、原理和方法就能在自己分析问题特别是创新时作出正确判断.公共基础课程特点是内容多覆盖广，如何通过最经济、最便捷的教学方法实施教学，显著提高课程教学效益，是我们一直以来关注的课题.目前，教学内容体系已基本固定，教学辅助手段也基本完善，教学资源也已得到有效建设，这里从人本角度出发，谈谈结合建构主义认知理论开展大学物理教学设计的体会.

1建构主义认知理论的基本观点及其倡导的教学方法

建构主义认知理论的代表人物杰罗姆·布鲁纳，是哈佛大学教授，美国杰出的教育家.创办并首任哈佛大学认知研究中心主任，获得过美国心理学会颁发的杰出科学贡献奖，曾任美国白宫教育委员会委员.“结构”是指事物之间的相互联系及规律.布鲁纳认为学习的实质，是一个人把同类事物联系起来，并把它们组织成有意义的结构，学习过程是人们将知识结构不断重新组织的一种积极主动的思考过程，人在超越现象进行的再组合中将获得新的领悟.由此出发，建议学习一门科学，要理解该学科的基本结构.比如物理学，基本结构就是基本概念、基本原理及基本态度和方法[1].布鲁纳指出，如果不去学习学科的基本结构会有3点弊病：(1)学生要从已学得的知识推广到他后来将碰到的问题就非常困难；(2)限于缺乏掌握一般原理的学习，从激发智慧来说，不大有收获；(3)获得的知识，如果没有完满的结构把它联在一起，那多半会是一种被遗忘的知识[2].

就知识建构具体过程，在布鲁纳看来，一个人理解和掌握新知识的方式依赖于他的信息分类和联系的方式，这种方式构成了一个人知识结构的编码方式.编码过程就是把新知识合并到概括化的知识结构中去的过程.编码有两种形式：一种是按照某种逻辑关系进行编码，另一种是归纳编码.如果学生能够较好地运用这些编码方式，学习效率则会有效提高[3].

从教学的角度看，教师不能逐个地教给学生每个事物遵循的规律，重要的是使学生理解掌握那些核心的基本概念、原理、态度和方法，抓住它们之间的联系，并将其他知识与这些基本结构逻辑联系起来，形成一个有联系的整体，构成理解事物的最佳认知结构.因此教学任务之一就是引导学生形成这种认知结构.布鲁纳认为，教学要考虑学生在学习中的意向，即教学内容要与学生的求知欲望相关联，把所教的东西转变成学生所求的东西，变被动的教学过程为学生主动学习的过程；同时教师要善于把所教的内容转换成与学生的思想有关联的知识，使学生既获得知识，又掌握获得知识的方法.

为了使学生能够体会并顺利进入学习的编码过程，教师必须使所安排的教学内容达到最佳组织.这种对教学内容的组织依据以下3条原则：一是表现方式的适应性原则，学科知识结构的呈现方式必须与学生的认知学习模式相适应；二是表现方式的经济性原则，任何学科内容都应该按最经济的原则进行排列，在有利于学生的认知学习的前提下合理地简约；三是表现方式有效性原则，经过简约的学科知识结构应该有利于学生的学习迁移[4].

2基于建构主义认知理论的大学物理教学内容设计

大学物理是本科生重要的基础课程，内容涉及力学、热学、电磁学、光学、量子物理等经典物理和近代物理的各个方面，涵盖了自然科学最基础的内容，无论从知识上还是研究方法上，都为学生提供了重要的学习训练平台.然而这门基础课程的课程结构相对较为庞大，要想有效提高学生的学习效率就须要按照建构主义认知理论对教学内容进行设计.按照上节所述教学内容组织的3原则，具体设计体现如下：

(1) 适应性原则.大学物理内容多覆盖广，介绍学科知识要用由浅入深、由形象到抽象、由特殊到一般等方式呈现，与学生的认知学习模式相适应.

力学部分研究对象有质点和质点系，物理规律表达形式是统一的，首先解释清楚公式内涵，再通过举例，将研究从简单熟悉的质点问题带入到复杂生疏的质点系问题.物理是一门实证性的学科，将许多实验、视频、动画等的演示纳入课堂教学内容，或由生活中熟悉的现象或话题作引言内容，符合学生喜欢从实际切入的认知学习模式.如用常平架实验仪演示角动量守恒定律，进而可拓展到机械陀螺仪的工作原理；用动画演示光波干涉和衍射的原理，进而可解释光栅光谱仪的工作原理；用思想实验演示相对论时空性质，进而解释抽象的洛伦兹变换等.又如以肥皂膜在阳光下呈现出彩色条纹、照相机镜头在阳光下呈现紫色等话题，可以巧妙地带领学生进入知识学习的思考环境，研究问题的物理原理和一般性表达.

(2) 经济性原则.大学物理作为公共基础课程学时数是有限的，要在课程中将物理学最核心的知识、方法反映出来，须在内容的选择和排列上作合理简约.

力学是学生们最为熟悉且已建立完整理论框架的部分，重点就可以选择放在“力学定理微分和积分形式意义的说明”及“一般性问题处理的原则”上，顺序上将平动、转动问题分开，将有关角动量定理和角动量守恒定律的内容安排在刚体定轴转动前学习，以利于学生将对平动规律的理解迁移到转动规律的理解.机械振动内容作为牛顿运动定律在线性恢复力作用下的应用引入比较简约，而将干涉作为波叠加的特例引入、驻波作为干涉的特例引入，在机械波部分内容的衔接上比较简约.热力学的概念和定律总有宏观解释和微观解释，将热力学第二定律一节设计为定律表述——微观意义——微观熵——宏观熵的顺序组织最为经济，相关知识衔接合理，方便学生理解热力学第二定律和熵的内涵，也方便拓展到能量的退化、时间的方向等与熵增有关的话题.

(3) 有效性原则.大学物理知识结构性很强，在课程中引导学生将各部分内容与基本结构逻辑地联系起来，形成一个有联系的整体，能够提高知识学习的迁移效率.

量子物理基础部分的内容，是以一门新学问由概念颠覆到新理论建立的逻辑贯穿：从辐射实验规律的总结提出“能量子”概念；由光电效应实验和康普顿散射实验规律的总结证实光有“波粒二象性”；将“能量量子化”概念用于原子有核模型成功解释氢原子光谱实验规律，提出早期氢原子结构理论；提出并证实普遍的微观粒子波粒二象性关系；提出微观过程的“不确定关系”；建立量子力学基础理论.又如热力学第一定律一章的内容，是以理论到应用的逻辑贯穿：热力学过程中与能量转换有关的基本概念准静态过程、功、热量和内能；热力学过程中关于能量守恒的热力学第一定律；等温、等容、等压、绝热等基本热力学过程中的能量转换分析；循环过程中的能量转换分析及热机效率.再如相对论基础中有关相对论时空性质片段的内容，是以理想实验到理论抽象的逻辑贯穿：首先从动画演示的爱因斯坦火车闪光思想实验提出“同时性的相对性”“时间度量的相对性”的概念，破除人们头脑中时间的测量与运动无关的经典概念，再由理想实验推导得出与时间、长度测量有关的“动钟延缓”“动尺收缩”的数学表达，建立相对论时空观，从而正确理解洛伦兹变换式和解释高能物理实验现象.大学物理课程内容体系中每部分、每章、每节以致每个片段都具有一定逻辑性，交待这种逻辑性，对学生构建理解事物的最佳认知结构极为有效.

3基于建构主义认知理论的大学物理教学过程设计

大学物理课程的学习对象是已经具备了一些物理基础知识的大学生，因此学习该课程的过程，就是把新知识合并到已概括的知识结构中去的过程.按照人的信息分类和联系的方式，合并新知有逻辑关系编码和概括编码两种方式.下面举例说明建构主义认知理论在课程的教学过程设计中的具体体现.

就具体内容而言，电磁学部分中静电场和稳恒磁场两章内容、感应电场和位移电流两节内容、电容和电感两个片段内容，从研究问题的方法论上看都是一致的，从逻辑上进行对比介绍，学习对象接受较快；能够同样处理的有力学部分中动量与角动量基本规律的内容、理想模型下质点的平动与刚体的转动的内容.波动光学中多光束干涉和光衍射的分析，都是建立在同一模型基础上，即频率相同、振动方向相同、振幅相等、相位依次相差一个固定值的多个振动的叠加，研究问题的出发点相同，数学分析手段相同，只是因为相位差固定值不同取近似时有差别，故有干涉因子和衍射因子的不同，作这样的比较性提示，更便于学习对象接受.另外，借水轮机利用水位落差中的机械势能变化做功；类比热机利用有温差时分子内能变化做功，用流线描述流速场中流体运动规律，类比用场线描述电磁场中电磁性质规律，以及“源”、“旋”等概念的运用等，跨学科类比曾启发物理学家发现物质运动新规律，也同样启发学生建立学科知识新结构.

概括是通过梳理内容完成总结提炼.如力学中有关平动动力学规律的内容，可概括为掌握两点：一是牛顿第二定律，这是一个瞬时规律，反映了力与运动的基本关系，原则上可以依据初始条件解决各类问题，但有些问题处理过程比较繁琐；二是牛顿第二定律的两个演绎，分别是力对时间累积与运动的关系以及力对位移累积与运动的关系，即动量定理和动能定理，都分别有微分形式和积分形式，特别是在合外力为零和只有保守力做功的情况下，两个定理继续演绎为动量守恒定律和机械能守恒定律.清楚这一理论结构，处理问题时就能作出最合理简约的选择.又如光衍射一章可归纳为掌握两点：一是光衍射现象的物理原理，着重于根据干涉理论基本原理建立数学模型，具体有菲涅尔半波带法、振幅矢量法等光强分析方法，从而对单缝、圆孔和光栅等系统的衍射现象作出理论解释；二是科学原理的技术应用，着重于有圆孔的光学仪器如照相机、望远镜等，以及光栅的工作原理和分辨本领一类性能参数，从而知道选择使用和评价光学仪器.再如热力学第二定律中玻尔兹曼熵一节也可归纳为掌握两点：一是熵的概念，从4个分子分布的理想实验中抽象出热力学概率的定义即与宏观态对应的微观状态数，用热力学概率定义态函数玻尔兹曼熵，从而理解热力学系统的任何状态都有一个确定的熵值，熵可作为评价热力学系统的参量；二是熵增加原理，即热力学第二定律的数学表达，从而理解对于一个热力学系统，平衡态的熵值最大因此出现的概率最大，不可逆过程实质是由于存在状态上的差别，热力学系统总是向熵增加的方向进行且以压倒优势的可能性向平衡态过渡，如绝热自由膨胀.概括能帮助将“熵”这一概念的内涵提炼出来.

4效果分析

教学最终目的是使教学内容内化为学生自己的知识结构，由此学习者才能把所学过的知识在记忆中自由存取利用.调查显示，基于建构主义认知理论设计和组织大学物理课程教学，学生们最明显的收获是，既可以对感兴趣的知识片段作拓展研究，又便于从记忆清晰的知识结构中存取利用，直接的效果是测评成绩的提高和后期参与学科竞赛的人数增多.总结起来，基于建构主义理论设计和组织大学物理教学有以下几点好处：(1) 知道了学科的基本结构或它的逻辑组织，学生就能理解这门学科；(2) 掌握了基本概念和基本原理，学生就能把学习内容迁移到其他情境中去；(3) 了解了教学内容的内在逻辑性，学生易于理解和记忆具体的知识细节；(4) 对知识结构进行合适的陈述，学生易于从初级知识向高级知识过渡.

5结语

基于建构主义认知理论设计和组织教学，符合学生构建知识结构的需要，能够提高学生学习的主动性和学习效率，进而激发学生的智慧潜能，学习过程不仅能够接受信息和组织信息，而且能够超越一定的信息，获得发现的经验和方法，即有所创造.就教师而言，教学过程是一种对知识进行重新整理组织的再现过程，教师把所教知识设计转化成适合于学生建构的形式也是一项创造性任务.

参考文献

[1]布鲁纳.布鲁纳教育文化观[M]. 宋文里,译.北京：首都师范大学出版社, 2011.

[2]布鲁纳.教学论[M]. 姚梅林,译. 北京：中国轻工业出版社, 2008.

[3]徐斌艳.建构主义教育研究[M]. 北京：教育科学出版社, 2008.

[4]张雅军.建构主义指导下的自主学习理论与实践[M].上海：华东师范大学出版社，2012.

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简讯

THE TEACHING DESIGN IN COLLEGE PHYSICS COURSE BASED ON THE CONSTRUCTIVISM THEORY

Cao HuiChen Jumei

(Department of Physics, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073)

AbstractFirstly, the basic views and the teaching method of constructivism theory is introduced in this paper. Then based on these views, the design on teaching contents and teaching process in college physics course is introduced, and the effect in practice is analyzed. Conclusion of this paper is that the students' learning efficiency can be improved by these teaching design based on constructivism theory, which provides a reference for improving the quality and efficiency in college physics teaching.

Key wordsconstructivism theory; college physics; teaching design

作者简介:2015-07-23；修回日期: 2015-11-10 曹慧，女，高级工程师，主要从事物理基础课程的教学和研究工作.2541306288@qq.com