物理学的结构对学生认知过程影响的研究

阮胜磊+沈莉+张晓勇

摘 要：物理学存在自身的结构，学生的认知过程也存在自身的规律。学生学习过程是两者相互作用的结果。本文研究了两者存在什么样的关系，如何协调两者的关系。

关键词：认知规律；物理学结构；物理理论

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0019-4

1 引 言

在教学过程中我们常常会发现，学生对于区分度较低的题目回答得很好，但是在没有加入新的知识、新的方法的区分度较大的问题上，表现却很差。没有新的知识与方法加入的情况下，为什么学生的表现相差这么多呢？这样的问题同样还出现在教学过程中，学生在教师的提示下，很容易找到解决问题的方法，如果完全放手让学生自己探究，学生往往无所适从，很难得出最后的结论。这样的问题普遍存在，其中有什么内在的原因？

2 物理学的结构与学生认知规律的关系

学生的认知过程有其自身的规律，物理教学内容有其自身的结构。学生在学习过程中，会根据他的认知结构对教学内容进行处理，从中获得一定的信息。物理教学内容自身的结构在学生现有的认知阶段对认知过程会造成一定的负面影响。

2.1 物理理论的顺序不利于经验获得

一个物理理论可以通过归纳、数学推导、外推、类比等各种科学方法与其他物理现象或者理论产生联系。不同的理论也可以通过不同的科学方法与这个理论发生关系。方法在两个知识之间处于一个确定的位置，起到一定的作用。物理知识与方法的这些关系构成了教学内容的结构。我们会发现一个问题，在学生学习前，教师把所有需要的物理量都和学生讲了一遍，放手让学生探究，学生却茫然无措，不知道如何设计实验、设计数据分析，进而得出结论。虽然教师提供的信息从物理学的角度看，完全可以帮助学生达到教学目标，但是教师提供的内容却变成了无效信息，这是因为方法的习得仅靠教师间接讲授方法的内涵，学生不进行实践，比较难以掌握。

“启发式是由以往解决问题的经验形成的一些经验规则。在过去若干年，认知科学家已经发现人类经常运用几种并非局限于特定的问题的通用启发式。”[1]学生会从科学方法的使用经历中不断归纳经验形成概念学习、规律学习、实验探究等各方面的通用启发式。虽然学生可以在完成试题的过程中练习一定的方法，达到对某一方法在某个知识点上应用的深入理解，这样的过程很难让学生形成对方法的认识，想要获得通用启发式这样的高层次规律，必须有多样化的使用经验。这是一个长期的过程，我们会发现随着学生学习年限的增长，经过多次使用，学生对某一方法的使用显示出越来越熟练的状态。这点在控制变量法上尤其明显。初中众多知识的学习都需要应用到控制变量法，最后学生一看到研究对象和几个因素有关，就想到应该应用控制变量法。某一个方法是在知识习得的一个阶段中使用的，它只要被使用到，在不同知识习得过程中所处的位置都是固定的。如果学生某一段时间的学习过程都是使用同一个方法，他对每一个学习内容的习得都是处于同一个阶段，比如观察阶段、猜想阶段等。这样的过程，学生每一个知识都只学了一部分，是无法达到课程标准要求的。因此，教材是按照物理知识之间的关系进行排列，不是按照科学方法的相同进行归类。学生在一段时间内，学习同一个知识，应用几个不同的方法，缺乏对同一方法的多对象练习过程，相对难以熟练掌握方法。

2.2 学生无法从原理上分类问题

物理量与物理量之间的关系并不仅仅只受公式的影响，还存在研究目的的不同。研究目的不同会造成在方法使用的一些过程中部分环节的不同。在欧姆定律学习过程中，探究欧姆定律阶段，学生需要探究电流与电压的关系，在应用阶段需要进行测量电阻。两者在原理、器材、过程上几乎完全相同，不同的是探究电流与电压的关系最后要加一列比值，测电阻需要的是电阻值和平均值，因此实验过程也不同。这是由于多次实验的目的不同造成的。学生需要根据实验目的将两者进行区分，设计合理的实验方案。

“新手和专家对此特别设计的问题进行分类时，结果仍然发现新手受问题表面形式的影响比受其深层次物理学原理的影响大。而专家并未受这种设计的影响。不管问题的内容和示意图如何，他们总是根据抽象的物理原理进行分类。”[2]由于教学内容的结构限定，学生在初始阶段对于内容的分类往往会出现错误，这是由于方法可能已经学了（多次实验取平均值在质量测量过程中有，多次实验得出普遍规律在光学中有），这些过程是孤立存在的，学生在孤立过程中，没有经历从原理上区分的过程，没有形成从原理上进行區分的经验。所以，我们会看到学生在测量电阻实验表格设计中没有设计电阻值和平均值两列。学生分类能力的滞后性来源于相似教学内容出现相对较晚，学生没有体验的过程。

2.3 建立知识之间的联系需要知识的特殊应用

“我们认为它（图式）是一类能通过对即将呈现的刺激形成某种预期进而引导相应知觉过程的相关知识……当某部分语义记忆中激活的结点数量达到足够多时、该部位的组织要素——图式将被激活。而一旦图式被激活后，被试者便能够解决当前呈现的刺激信息中的一些未知的情况。”[3]学生要激活大脑中已有的图式，必须要有足够的刺激。物理学生表现为当学生得到了一个现象或者理论的刺激，他可以根据已有的经验找到相对应的方法。

学生已有知识与教学内容的逻辑关系呈现往往是知识一个特定的外延通过一定的方法得到教学内容。如果学生事先不知道这个外延，无疑是很难在没有教师的帮助下解决问题的。如果一个知识的外延呈现了存在某种逻辑关系的可能，学生就有可能想到利用一定的方法建立两者的关系。因此教师是否建立在整节课、整个单元的框架下进行教学设计，会造成学生思维坡度的不同。比如有的教师在“平面镜成像”这节课中，引入管引入，猜想管猜想。这个过程没有问题，到了要用玻璃板代替平面镜的时候，就犯难了，怎么让学生想到用玻璃板？有位老师在一节全国青年教师大奖赛的课中，采用了在知道哪些可以做镜面时，特意让学生观察了玻璃板，为后续的内容埋下了伏笔。在后续的学习中，又让学生体验平面镜无法找到像的位置，进一步树立了玻璃板的作用，最后进入实验探究平面镜成像的规律，学生就容易想到使用玻璃板代替平面镜。学生在实验前，已经在特定场景中知道了玻璃板不仅有透射的作用，还有反射的作用。这样既能透射又能反射的物体适合寻找像的位置。学生经历了玻璃的特定外延，扩大了原来玻璃板这个概念的外延，提供了后续方法使用的可能。

2.4 学生不清楚方法间的关系

“界定不良问题的答案事先并不能确定，因而就不能形成必然会得到答案的解决程序。我们不可能会有关于界定不良问题的算法，即使对于界定良好的问题来说，有时也会因问题本身过于复杂而难以找到合适的算法。”[4]物理学的学习并不是一个完全界定不良的问题。我们会发现科学方法会出现组合使用的情况，必然是因为方法之间存在一定的逻辑关系。中学教学所分析的对象在整个学习过程中是不转变且不出现变化的。因此，方法的使用往往不是由于情况的变化进而应用了其他的方法，而是由于这些方法之间存在的逻辑关系造成一旦学生使用了这个方法，会有很多后续一定会使用到的方法。

探究过程是一个模拟科学研究的过程，虽然是模拟，由于在形式上几乎相同，探究过程各个环节之间的联系必然是在物理学科本质的引领下形成了一系列活动。在学生已经进行了猜想之后，教师询问学生，物理是一门什么学科，要想获得结论就要进行实验。在初步结论之后，询问学生，这样的结论能不能帮助你进行预测。比如你有了密度的初步结论，给你一个体积，能不能求出它的质量？想要预测质量，必须知道它们的数量关系，也就是定量关系。我们要获得定量关系，必须进行什么？测量，因为测量是进行可靠的定量比较。学生多次经过这样的过程会明白为什么后续要用到这么多方法。

2.5 教师的引导会改变教学内容

教师在学生思维过程受到阻碍后，往往会想办法给予学生帮助。从教师的本意看，是降低学生的思维难度。由于教师的提示语会造成教学内容的结构发生变化，有时候反而提高了思维难度。在初中九年级“连通器”学习中，教师会引导学生探究连通器的特点，通过观察相同的茶壶、水位计和幼牛自动喂水机三个图片进行归纳。笔者在一次教学过程中指着这三张图直接问：这三个容器有什么共同点。结果学生分析出了好几个与连通器定义无关的特点，比如都是圆筒形，可以装水等。笔者的提示没有改变学生的知识结构，学生对着三个物体的认识还是以生活经验为主，没有呈现以连通器为特征的上位概念的联系。由于学生的认知结构中三者的分立性，学生的思维走向了无关的领域，要想重新拉回正确的方向就显得比较困难。

教师的无效行为不仅提升了单个环节的思维坡度，对整体学习过程的思维坡度也产生了影响。连通器的定义：我们将几个底部相通，上部开口或相通的容器组成连通器。我们会发现相通是关键词，只要抓住了相通，几个容器，上部和下部等都可以从相通中推导出来。本校沈莉老师在笔者之后进行教学，她采用首先观察茶壶形状的烧杯（笔者是在之后的应用中使用），让学生观察水从一个口入另一个口出的现象，让学生以自己的生活经验和对容器的观察解释这样的现象。这个过程沈老师已经改变了教学内容。前置的观察环节已经将容器从颜色等抽象出来，成为了一个上部连通的抽象模型了。

3 协调学生认知规律与教学内容结构矛盾的方法

3.1 根据学生已有知识分解教学内容

学生由于方法的使用经验较少，对学习过程没有一个原理化的了解，我们的教学内容并不是按方法分类的，即在一段时间内学习内容的习得方式方法是不同的，而且我们的习题不同于学生的直接体验，是学生已经经历的过程，由于习题的篇幅限制，一道习题也不可能完整重现整个知识习得的过程。教师的引导成为了一个重要的因素。缺乏教师的有效引导，学生可能在某一个环节由于刺激的不足，或者错误的问题归类而走上歧途。

教师将一个完整的学习过程分解并逐步引导的过程。每个教学环节中包含尽量少的方法，并给予学生一定的提示，根据后续所要使用的方法对教学内容的结构进行一定的改造，比如一个物理现象中不同的部分会显现不同的规律，教师在与教学内容相关的现象出现时提示学生观察。尤其在教学环节中涉及学生较少使用的方法的过程，更加需要教师进行提示，减少学生试误的过程。比如前面说到的比值的问题，如果学生不是非常熟悉探究一个概念的过程，必然很难想到进一步分析，进行计算，最后寻找计算结果的规律，定义出一个物理量。教师可以提示学生，如果我们想要进一步分析数据，应当怎么做。

3.2 在单元的多堂课中分解难点

除了在一个教学过程中需要直接提示学生，在整个单元学习中也要分散难点。正如前面所述，许多知识之间的联系是建立在已有知识的特殊外延上的。学生不知道这些外延，很难想到采用什么方法。学生对外延的理解是需要时间的。如果在一堂课上，学生在学习了外延之后，马上要求他能够从外延想到如何联系要学的知识是很难的。我们知道整个课堂也是有结构性的，如果教师突然扔出一个与前面讲授的知识完全不同的内容，学生的思维会被突然打乱。

在前面的教学过程中，教师应当在课堂应用或者练习中将这样的外延告诉学生，给予学生一定的练习时间。

电学串联电路电阻规律学习中，有的教师就将替换电阻的一定知识放入了练习中。替换电阻的本质是电阻之比等于电压之比，电压之比会受到电压表量程的限制。我们可以做如下的单元安排：

新课：已知R1、R2串联在电源电压为U的电路中，求电路中的电流I、R1两端的电压U1。

复习课：将定值电阻R、最大阻值为4R的滑动变阻器串联在电源电压为U的电路中，求电路中电流的最大变化量。

专题复习课：（加上替换、电表）……这样就将上海中考的压轴题替换电阻分解在多堂课中。每一堂课都是串联电路电阻规律的一个外延，外延之间又呈现阶梯性，即后一个是前一个的外延，而不是新课中串联电路电阻规律的直接外延。

3.3 从原理上帮助学生区分不同结构

学生往往被问题的表面相似性所迷惑，将不同的问题归纳为一种问题。这是由于学生无法全面地看待物理学，没有掌握所学知识的全部外延。帮助学生区别问题之间的差异只能由教师完成。电阻与电功率都是由电压与电流组成的，在某些结构上存在相同点，测量工具、实验电路等都相同。因此，在测电阻与测小灯泡电功率的实验中，学生由于两者的相似性发生问题。测量电阻最后要求一个电阻的平均值减小误差，测小灯泡电功率则是测量小灯泡在不同电压下的电功率，不用求平均值，要记录亮度。我们可以看到同样一个表格法，面对不同的对象，它的形式不同。这样的形式并不是没有规律的，是根据实验对象的特点决定的。不同电压下定值电阻的电阻值是不变的，不同电压下电功率是完全不同的。在学生设计实验前，已经有了刺激。测量一个物理量，学生已经经历了多次，形成了一定的通用启发式，尤其多次测量取平均值减小误差。学生可以在考试中轻松回答出。教师所要做的是从原理上对实验进行分析，比如在测量小灯泡电功率的实验中发现学生出现了问题，从实验原理上进行分析，让学生思考当移动滑动变阻器滑片时，小灯泡两端电压如何变化，电流如何变化？并指着实验原理P=UI询问学生，两者都变大，电功率可能不变吗？既然不可能不变，是否可以通过取平均值提高准确率？教师从原理出发，分析测小灯泡电功率与测电阻的区别，能有效帮助学生找到正确的方向，同时有效区分两者的不同。

3.4 提升学生对方法使用的熟悉程度

科学方法使用的过程并不是一个盲目试误的过程，是根据人类科学研究经验归纳而成的一个有规律的行为指南。作为一个行为指南，必然要告诉使用者在什么情况下使用这些方法。学生的课堂学习时间是有限的，由于教材是按照教学内容进行排列，不是按照方法进行排列。如果按方法排列，我们会发现知识就要碎片化了，因为相同的方法往往是在知识学习的同一阶段使用的，如果同一时间使用相同方法，无疑每个知识就学了一部分。如果想让学生马上进行联系，进行行为上的强化，达到对新学方法的熟悉，就需要在课外进行练习。教师可以在课外设计一些情境，让学生在其中使用已学的科学方法。由于没有教学时间的限制，也没有课程标准的要求，可以大胆让学生进行试误。笔者认为我们方法的教育上缺少学生试误的过程，教师为了降低学生的思维坡度，提供了大量的帮助。这点固然帮助学生在有限的时间内完成了探究过程，学生自己判断的元认知过程没有了。由于教学过程中，教师还会进行巡视，帮助学生完成。在课堂教学有限的时间内，无疑这样的帮助过程是利远大于弊的。可以通过课外活动，完全的自主探究过程，弥补学生在课堂学习中缺失的部分。学生能掌握科学方法，除了学生自己归纳方法的使用条件，教师也应当帮助学生分析已有经验，提示所要使用的方法。比如在功率的学习中，教师设计一个环节，让学生回忆要比较快慢，已经学过了的比较快慢的物理量。初二學生学习内容较少，且相似性不大，他们能马上回答是速度，教师就展现当时速度的学习过程。这时候学生知道在需要比较快慢的情况时，需要用到控制变量法。在学习电功率的时候，有的学生听到教师说电流做功有多少，自然还有快慢，马上就能想到需要使用控制变量的方法进行研究，得出初步结论。

参考文献：

[1]John B. best.黄希庭，译.认知心理学[M].北京：中国轻工业出版社，2000：400.

[2]皮亚杰.倪连生，王琳，译.结构主义[M].北京：北京商务印书馆，2010.

[3]上海初中物理课程[M].上海：上海教育出版社，2015.

[4]凯瑟琳·加洛蒂.吴国宏，等，译.认知心理学：认知科学与你的生活（原书第5版）[M].北京：机械工业出版社，2016.

（栏目编辑 刘 荣）