基于工作记忆的高效物理课堂设计研究

施国春 李 颖

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州121000）

学科教学

基于工作记忆的高效物理课堂设计研究

施国春 李 颖

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州121000）

高效率的学习成为学生、家长以及社会各界人士的呼声。高效率的物理课堂设计关键在于以学生的认知加工特点为基础，因此以工作记忆与物理学习成绩之间的关系为视角，提出“以学生为中心”的物理课堂设计应包含三点：一是避免以语言讲解为示范的课堂设计；二是促进以物理实验为纽带的生成教学；三是加强“生生”“师生”合作教学。

工作记忆；课堂设计；物理成绩

物理是中学非常重要的学科，其重要性不仅在学科成绩中占有重要的位置，而且关乎青少年抽象逻辑思维的发展和形成，如何促进学生高效地学习，设计出高效的物理课堂成为教师的棘手问题。高效课堂的设计是以“学生为中心”的设计模式，“以学生为中心”的设计建立在学生对学习信息感知、编码、存储和提取基础上。最近心理学研究表明工作记忆是影响学生学习成效的重要认知支持系统，工作记忆是一种对信息进行暂时加工和贮存的能量有限的记忆系统［1］，它由三个子系统组成：语音回路、视觉空间模板和中央执行系统。语音回路负责词语形式信息的编码和暂时储存，语音回路与阅读有很强的相关，相关研究表明阅读困难的核心缺陷在于语音回路的缺陷［2］；视觉空间模板负责视觉空间信息的编码和暂时储存并能够操作心理表象，目前有关数学学习困难的研究表明，数学学习困难的缺陷可能存在于视觉空间模板上的缺陷；中央执行系统负责工作记忆系统中信息加工过程的控制、协调并与长时记忆系统进行信息交流［3］，以往研究表明无论语文学习困难还是数学学习困难，都可能存在着中央执行系统上的缺陷。工作记忆不同于短时记忆，短时记忆是对信息暂时的储存，而工作记忆除了具有暂时储存的功能外，更强调对信息的加工控制，如：抑制无关信息、协调短时记忆和长时记忆的信息、选择学习策略等等。因此有研究者提出工作记忆等于“短时记忆＋执行注意”。基于工作记忆在学科学习中的重要作用，本研究以工作记忆与物理学习成绩之间的关系为基础，探讨如何设计高效的物理课堂。

一、工作记忆与物理学习成绩之间关系的探讨

为了能清楚地探讨工作记忆与物理学习成绩之间的关系，本研究对物理学困生和非学困生进行了工作记忆的测量，工作记忆共包含三个维度，分别为语音回路、视觉空间模板和中央执行系统。语音回路测量包括阅读广度、计算广度和运算—词语广度；视觉空间模板包括点矩阵、距离估计和字母旋转；中央执行系统使用Flanker任务进行测验。本研究共进行了两个方面的数据分析：一方面进行了工作记忆与物理学习成绩之间的回归分析（如表1所示）；另一方面对物理学困生和非学困生进行了差异检验

（如表2所示）。

表1 工作记忆各个维度对物理成绩的回归分析

从表1分析可以看出，工作记忆三个维度除了语音回路，视觉空间模板和中央执行系统分别进入回归方程，回归系数分别为0．357，0．312，0．361，0．402，达到显著性水平；而语音回路中的阅读广度、计算广度和运算—词语广度没有进入回归方程，回归系数不显著，这说明视觉空间模板和中央执行系统对物理成绩具有预测作用，而语音回路则没有预测作用。

表2 物理学困生和非学困生在工作记忆各个维度上的差异分析

从表2分析可知：物理学困生和非学困生在语音回路中的阅读广度、计算广度和运算－词语广度三者得分上的差异不大，没有达到显著性水平，但是在视觉空间模板和中央执行系统各个维度上的得分分别为－3．45＊，－3．32＊，－3．64＊＊，－3．92＊＊，都达到了显著性水平。这说明物理学困生和非学困生在工作记忆上的差异体现在视觉空间模板和中央执行系统之间的差异，物理学困生存在着工作记忆广度的缺陷，其缺陷体现在视觉空间模板和中央执行系统。

二、基于工作记忆的高效物理课堂设计

1．避免以语言讲解为主导的示范教学

以语言为主导的示范教学是接受学习的具体表达形式，它是教师以语言讲解为主，通过对知识分析、总结，然后系统地传授给学生的传统教学手段，其优点是高效、系统、直接。以语言为主导的示范教学的哲学基础是认为语言是通往知识理解的途径，学生解题障碍在于无法理解题中语言文字的释义。本研究以实证的方式证明语言理解和语言信息在物理学习中的有限性，语音回路在工作记忆中主要负责语音信息的储存与加工。本研究表明语音回路对物理学习成绩不具有预测作用，物理学困生和非学困生在语音回路的三个维度阅读广度、计算广度和运算—词语广度上不存在着差异，可以进一步确定语言信息的存储和理解以及提取不是造成学生物理学习成绩不良的决定性因素。因此，以语言讲解为主导的传统物理课堂教学不应是物理学习的主导形式。

以语言讲解为主导的示范教学不应该成为物理课堂的主导形式是因为物理学科的学习更多依赖的是学生的抽象逻辑思维，其功能也是促进学生抽象逻辑思维的发展。皮亚杰认为语言理解与抽象逻辑思维之间只有极少的关系。［4］抽象逻辑思维是一种思维运算，思维的运算来源于活动，抽象逻辑思维是主体对活动的反省抽象。［5］尽管语言与抽象逻辑思维之间没有多大关系，词汇通常不是达到理解的捷径，但学生所使用的语言却常常标志着他们逻辑思维的阶段。［6］由此可见，传统物理课堂以语言为主导的讲解方式是建立在学生原有的抽象逻辑思维基础上来通达新的知识，是以考试为导向的“死记硬背”、“题海战术”的教学方式，但没有从真正意义上促进学生的抽象逻辑思维形成与发展，这与我国新课程改革的目标背道而驰。

2．促进以物理实验为纽带的生成教学

物理学习依赖于抽象逻辑思维，思维的抽象逻辑性取决于可逆性思维运算。本研究表明视觉空间模板对物理成绩具有预测作用，物理学困生和非学困生存在着视觉空间模板的缺陷。视觉空间模板主要处理两种视觉空间信息：一种是视觉信息，主要体现在物体的物理属性，如颜色、大小、形状等；另一种是空间信息，与位置、位移和运动有关。从研究数据可以看出，视觉空间模板中的字母旋转要比点矩阵和距离估计更具有预测作用。视觉空间模板以及视觉空间模板中的字母旋转之所以能很好地预测学生的物理学习成绩，是因为视觉空间模板包含了抽象逻辑思维的核心元素——思维的可逆性，所谓的可逆性是指动作可以在心理上逆转。依据皮亚杰的观点，内化的动作以及动作在心理上的逆转来源于主体的实践活动。从学科教育来讲，物理实验是学生进行物理知识学习和探索的有效实践方式。

以物理实验为纽带的生成教学强调实验在物理学科学习中的重要作用，它不仅是实现知识－技能目标的手段和途径，更重要的是实现过程与方法目标的实践基础，也是实现情感、态度和价值观目标的重要载体和工具。物理实验之所以能够实现上述三种课程目标，是因为物理实验不仅符合学生认知生成和发展的特点，还在于它符合物理学的学科特点。物理学是以实验为基础的科学，物理学中所有概念的形成、理论的建立、规律的发现都是建立在实验的基础之上，实验既是其形成的重要和主要途径，也是其发展的动力源泉。不少物理理论就是在物理实验的基础上涌现出来的，例如卢瑟福建立的原子核结构模型的基础是α粒子散射实验出现的大角度散射现象；普朗克的能量量子假设则是在解释黑体辐射实验规律时萌发出来的。物理学的发展充分表明，实验不仅是一种研究物理问题的科学方法或者手段，而且是一种物理学的基本思想和基本观点。

3．加强“生生”“师生”的合作教学模式

本研究表明中央执行系统在工作记忆中对物理学习成绩预测作用最大，物理学困生和非学困生存在最大的差异是中央执行系统。中央执行系统之所以能更好地预测学生的物理成绩，是因为中央执行系统具有协调语音回路和视空间模板、抑制无关刺激、提取策略和操纵注意资源等功能。尽管中学生思维发展特点是抽象逻辑思维占主导，形式逻辑思维迅速发展，但是在抽象逻辑思维发展的过程中，学生仍然受到具体形象思维的限制，即物理经验表征处于优势。不能抑制外在的物理特征优势，就很难去伪存真，透过现象抓住事物的本质，这是物理学习不良的根本原因。因此如何促进学生抽象逻辑思维的形成，为物理学习提供思维支架以及如何通过物理学科的学习促进学生思维的发展成为物理课程设计的关键和核心环节。

抽象逻辑思维的发展受到两个发面的制约：一是思维的自我中心性；二是儿童缺乏对自己思维的自觉意识。［7］合作学习是克服思维自我中心性和思维自觉意识缺乏的有效途径。皮亚杰认为，儿童在与别人合作的过程中相互切磋，共同提高，“儿童如果不同他人进行思想交流与合作，就无法把他的运算组成一个连贯的整体。”［8］同伴的思维最接近学生自己的思维，通过与同伴交流，学生能反观自我的思维状态，进而有利于去自我中心，加强对自我思维的觉察，培养客观的批判态度和科学的推理行为。合作可以包含两个方面：一是学生之间的合作；二是学生与老师的合作。

［1］Baddeley A．Working Memory［J］．Science，1992，255（5044）：556．

［2］李莉，顾琦一．工作记忆与语言水平对外语听力、阅读理解的影响［J］．海外英语，2014（5）：26．

［3］Baddeley A，H Emslie，J Kolodny，J Duncan．Random Generation and the Executive Control of Working Memory［J］．Journal of Experimental Psychology，l998，51：819－821．

［4］柯普兰．儿童怎样学习数学［M］．李其维，等译．上海：上海教育出版社，1985．

［5］李其维．评发生认识论的“反省抽象”范畴［J］．心理科学，2004，27（3）：514－518．

［6］皮亚杰，加西亚．走向一种意义的逻辑［J］．李其维，译．上海：华东师范大学出版，2005．

［7］林敏，孙志风．简评皮亚杰关于反省抽象及其发展的研究［J］．华东师范大学学报：教育科学版，2006，24（2）：66－71．

［8］皮亚杰．发生认识论原理［M］．王宪钿，等译．北京：商务印书馆，1996．

［责任编辑：陈学涛］

G633．7

A

1002－1477（2015）06－0041－03

10．16165／j．cnki．22－1096／g4．2015．06．011

2014－07－06

辽宁省教育厅人文社会科学项目（W2011075）。

施国春（1979－），女，辽宁葫芦岛人，博士，讲师；李颖（1977－），女，辽宁葫芦岛人，硕士，讲师。