高中物理知识层级关系划分及其应用研究

艾 静 熊建文

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510000)

1 基于整合的理念提出学科知识层级关系

1.1 知识层级现象存在的依据和整合理念下的层级关系提出

“整合”成为基础教育阶段科学课程改革的核心理念,也成为现阶段科学教育研究者的共识,整合理念为科学教育面临的首要矛盾“有限的科学学习时间和无限的科学知识”提出了解决方案,也为学生科学素养的发展搭建了平台．[1]基于此,在目前学科教育研究中较为关注的是核心概念、跨学科共通概念．学科核心概念(disciplinary core ideas)具有很高的抽象与概括程度,是组织整合本学科许多一般概念、原理和理论的少数关键概念．跨学科共通概念(crosscutting concepts)超越学科界限,是运用不同学科的研究方法或思维方式来解决共同问题或完成共同任务的一种思维方式．[2]这些概念的提出,从一定程度上论证了学科知识的不等值问题,学科核心概念处于学科知识的核心位置,说明学科知识在发展学生能力或培养学生素养方面所起作用不同,导致对不同层级的学科知识所需达到的学习或认知程度要求也不同．学科知识不等值问题的模糊认识或界定不清,会导致学科知识认知和建构的困难,基于整合的理念,将学科知识进行分类,将同一层级知识聚类,不同层级知识加以区分,构建知识层级关系,符合当前科学教育发展研究需要．

1.2 高中物理知识层级关系划分的依据

当前教育研究中用少数几个核心概念整合整个学科领域,使得学科知识体系相对清晰,但在日常教学中,学科知识的学习是通过对一般知识的学习和认知完成,物理学学科知识主要由概念和定理(律)组成,通过对这些知识的学习,可以使学习者掌握物理科学思维方法，熟悉科学探究过程,形成科学态度和价值观．学科知识存在层级关系,即其构成要素如概念、定理(律)存在层级关系,主要体现在以下几点: (1) 就知识本身而言,其构成要素、应用范围不同,导致其在整个知识体系中所处位置不同; (2) 从学科知识体系的建构来说,学科知识体系建构一定是一个由低往高逐层建构的完整体系,这样的体系即符合学生认知心理发展特征,也符合知识体系建构的科学性和完整性; (3) 从知识的教与学的角度分析,层级化的知识结构符合逻辑思维的培养和发展的规律,使教与学都能更为科学、有序、完整; (4) 从知识掌握的维度来分析,不同层级的知识所构成的认知属性层级关系不同,低水平层级知识是高水平层级知识认知和建构的基础,层级结构能使得学习者更清楚地认识到知识之间的关联,清晰构建自身知识体系; (5) 基于知识应用的角度分析,不同层级的知识,应用范围不同,对学习者各方面素养的培养所起作用也不同．

2 高中物理知识层级关系构建

2.1 知识要素的提取

本研究以高中物理动力学部分为例,说明知识层级关系的构建方法及所构建好的层级关系,并进一步对所构建的层级关系进行论证．

选取动力学知识作为本研究的样例分析,主要基于以下几个方面的思考: (1) 动力学知识是学习者进入高中后首先学习的模块,其内容相较于电磁学知识,是自初中物理到高中物理知识发展较为完整的一块,学习者对这部分知识更容易建构起相对完整、独立、系统的认知结构; (2) 动力学所涉及的知识较为基础,电磁学相关知识的学习也需借助动力学知识的掌握作为基础,如在场中力和能的分析都是依托动力学基础知识; (3) 动力学部分在日常教学和学业水平考核中所占比重决定了其在高中物理知识中的重要地位,对该部分知识进行层级划分,探讨教学和评价方法,既解决了高中物理知识难点问题,同时也为其他知识的学习提供了样例参考．

通过文本分析和向一线教师调研的方式,提取动力学知识属性共计38个,分别为:参考系、质点、位移、路程、时间、时刻、速度、速率、加速度、匀变速直线运动、自由落体运动、力、重力、弹力、摩擦力、力的合成与分解、牛顿三大定律、质量、抛体运动、周期、线速度、角速度、圆周运动、向心力、向心加速度、万有引力定律、功、功率、重力势能、动能、弹性势能、动能定理、能量守恒定律、机械能守恒定律、动量、冲量、动量定理、动量守恒定律．

2.2 知识层级关系的构建

2.2.1 两个假设

假设1:知识的层级界定与用来定义它的物理量有直接的关联.

假设2:知识的层级界定高于定义知识的物理量中的最高级.

解释说明:动力学提取的知识属性包括物理量、定理(定律)、运动形式．从定义构成来看,如位移,该概念界定是从数学的角度来界定“从起点到终点的有向线段”,属于最低水平的知识——水平1;如速度,该概念是定义在位移的基础上,“位移与时间的比值”,属于高一级水平的知识——水平2;如加速度,概念是定义在速度的基础上,“速度的变化与发生这一变化所需时间的比值”,属于更高一级水平的知识——水平3;如牛顿第二定律,知识界定中包含“物体加速度的大小跟作用力成正比,跟物体的质量成反比,且与物体质量的倒数成正比”,因此属于更高一级水平的知识——水平4．

2.2.2 动力学知识层级关系构建样例

依据上述假设,将所提取的动力学知识属性进行层级划分,得到图1所示的层级关系图．

图1 “动力学”知识层级关系图

2.2.3 层级关系构建的论证

(1) 量纲论证.

量纲是物理学中的一个重要概念,可以定性表示出量与量之间的关系．从物理量或知识所涉及到的物理量的量纲,也可以建构出知识之间的内在关联,找寻知识之间的层级关系．方法如下:找出知识在定义时所对应的物理量,由物理量所对应的量纲来界定其所处层级高低．动力学3个基本量纲取自国际单位制中的3个基本单位:m、s、kg——参考水平．

对质量、重力、弹力、摩擦力、功、动能定理等知识层级关系的分析如下:质量对应的量纲为kg——水平1;重力定义“G=mg”,g为常数,虽有量纲,但不影响G,因此在界定时主要考虑质量的量纲kg,即重力的量纲应比质量高一个水平,故重力G所对应的量纲N——水平2; 同理,同层次的弹力类型中弹簧的弹力的定义“F=kx”,k为常数,主要考虑伸长量的量纲m,故弹力所对量纲N——水平2;摩擦力的定义式中“f=μN”,μ为常数,考虑弹力N的量纲,虽两个力的量纲相同,但考虑到假设2,且两者确实存在层级关系,因此将摩擦力界定为更高层级——水平3;功所对应的量纲为J,定义为“力乘以力方向上的位移”,即W=Fs,因此,功处于比力更高的层级——水平3;动能定理包含功,因此处于更高层级——水平4．

补充说明:部分知识可通过其对应的物理量的量纲来确定其所处层级水平,但也有部分物理量的层级关系主要是依据知识之间的内在联系来建构层级关系,因此,仅通过量纲论证稍显不足,但仍可作为论证其合理性的部分依据．

(2) 文本分析论证.

文本分析主要基于两个方面: (1) 教材编写顺序及知识在教材中所占文本量．如位移、速度、加速度、牛顿第二定律．这4个不同层级的知识,教材在编写时是按照从低到高的顺序进行编写,同时,较低层级的知识在教材中所占文本量也较少,查阅教材即可论证．(2) 在课程标准中对知识的文本解读．如2003版课标中“理解位移、速度和加速度,了解匀变速直线运动的规律,体会实验在发现自然规律中的作用．”从此文本可间接解读出其知识也具备层级关系,即位移→速度→加速度(匀变速直线运动处于并列层级)．

(3) 专家、一线教师的反馈意见.

将知识层级划分的依据及构建的层级关系图交由广东省某师范教育类高校物理课程与教学论两位教授审核,同时交与广东省某中学从事一线教学的五位高级教师进行审核,专家和一线教师对此均表示认可,并认为此划分方式对高中物理课堂教学及评价有较大的价值．

2.2.4 知识层级关系划分依据的适用范围分析

上述分析论证了在动力学知识中对知识进行层级划分的可行性,高中物理知识还包含其他知识模块,例如电磁学．电磁学知识是否也能依据相同原理对知识进行层级划分,对于论证知识层级关系也是至关重要，其论证过程也是对其适用范围和适用条件的进一步探索．例如在静电场中,提取电荷、库仑定律、电场强度、电势、电场力、电势差、电势能等7个知识属性,依据知识层级关系划分原则,可分析该内容所构建的知识层级关系为图2．

图2 “静电场”知识关系层级

3 高中知识层级关系划分在教学及评价中的应用探索

3.1 基于知识层级关系进行日常教学的探索

不同层级的知识之间存在着紧密的内在关联,理清其内部联系,对于建构更高层级知识起着至关重要的作用,低水平知识是学习更高水平知识的基础,若在其所关联的低水平知识出现学习障碍,将严重影响其更高层级知识的学习，具体如图3．

图3 基于知识层级关系的“动力学”教学结构框架图

教学结构框架图的补充说明:依据结构框架图,可以分析出在动力学部分的主题知识架构,知识与知识之间的联系更加紧密．在动力学教学中主要有3条知识主线： 运动、力、圆周运动,但最终都用于建构水平4的知识,即结构图中低水平层次知识都是高水平层次知识建构的基础,同层次知识之间也互为补充． 如在课堂引入时,可通过知识之间的关联建构对新知识的理解,例如“加速度”概念的教学导入见图4．

图4 “加速度”教学课堂导入

理清知识层级关系,明了科学知识建构的过程,便于学习者将新知识同化到自身的知识结构中,同时提高自身的物理素养．知识层级关系的理清,也对培养和发展学习者的科学探究能力有重要作用．有研究表明,作为核心知识的物理概念是科学探究能力的重要成分,学生的科学探究活动不是盲目的,而是围绕学科概念进行．[3]物理学是由事实、概念、规律与方法构成的系统化理论体系,本身具有内在统一性．要学好物理,需要学生从整体上建构物理概念体系,[4]知识层级关系划分能更好地促进学生整合物理知识体系．某研究进行的中美大学生物理概念测试中分析有如下思考:对一些需要用几个物理概念组合进行推理答案的题目,学生的出错率较高,说明学生建立起来的物理概念是离散的,没有形成一种关联进行组合推理．[5]这也说明未对知识进行层级划分,明晰知识之间的联系,日常课堂教学缺乏对知识内在联系、组合推理的针对性教学,使得学习者知识相对比较零散,导致学习者在知识建构上形成了相应的短缺．

3.2 基于知识层级关系进行学业水平评价的探索

认知诊断评估(Cognitive Diagnosis Assessment,CDA)又名认知诊断(Cognitive Diagnosis,CD),从潜在的认知角度出发,诊断评估个体的认知结构、认知过程以及心理加工技能,分析和解释人类的个体差异现象． 其中规则空间模型(Rule Space Model,RSM)旨在研究被试在考试作答时潜在的知识结构和认知过程．

高中物理知识层级关系的划分,为认知诊断识别和提取属性、分析属性之间的

层级关系、构建测试矩阵,奠定了良好的测评基础．如要对牛顿第二定律掌握情况进行认知诊断,可提取的关联属性有:A1牛顿第二定律、A2加速度、A3速度、A4力的合成与分解、A5摩擦力、A6弹力、A7重力．结合知识层级关系建构的属性的层级关系如图5．

图5 “牛顿第二定律”知识属性层级关系

依据建构的属性层级关系,可以获取测试所需的Q矩阵．依据Q矩阵命制测试题,对构建的属性层级关系进行论证,同时进行大规模测试获取诊断信息,了解学习者在各知识属性上的掌握情况,以促进个体有效学习,开展因材施教．

4 知识层级划分的意义

以往教学中存在着对知识层级不加以划分,导致知识结构不清晰,内在关联不紧密等问题,给教师日常教学和学习者建构知识都带来极大的影响,知识层级关系的构建符合现阶段教育发展需要,是对知识基于理解的加工过程,建构层级化的知识结构是课程发展的需要,也符合现阶段发展素质教育和培养核心素养的需要．

(1) 实践“为理解而教”的教育理念．理解是建立在深入了解的基础之上,只有经历对知识的深层加工,才能清晰的构建知识体系,知识层级划分,为知识的深层加工提供了基础,基于此的教学,符合当前所倡导的“为理解而教”的教育理念和目标．

(2) 对自主学习、反思学习的促进．自主学习需要构建相应的脚手架,知识层级关系的划分,为学习者自主学习提供了学习路径,同时也为其反思学习构建了基础．按照知识层级对知识进行自主学习,查找自身知识架构上的缺陷或不足,进行修正,为有效学习和高效学习提供了良好的学习路径和知识框架．

(3) 对学生核心素养的培养．核心素养的培养在学科中体现为学科核心素养的培养．而学科核心素养的培养都是基于学科知识,培养科学思维、科学探究能力,提高学习者科学责任和价值观．学科知识作为学科核心素养培养的基础,体现了其在学科素养培养中的不可取代的价值,对学科知识进行深度加工,建构科学的学科知识体系,对培养学习者的学科核心素养具有重要的意义．

学科知识层级关系的划分,视各学科自身特点而定,物理学科知识逻辑严密,内部关联性强,对其知识进行层级关系的划分,是对物理学科知识的深入思考,对物理学科的教学与评价都能起到很好的促进作用．

1 郭玉英,姚建欣,彭征.美国《新一代科学教育标准》述评[J].课程·教材·教法,2013,8:118-127.

2 李春艳.中学地理课程中的概念建构与学习进阶[J].课程·教材·教法,2016,4:38-43.

3 范佳午.科学探究能力的结构模型及其在科学课程文件中的表征研究[D].北京师范大学博士论文,2012.

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