物理概念图式进阶的理论探讨*

2021-03-25郑朝阳

物理通报 2021年4期

郑朝阳

(中国人民大学附属中学朝阳学校北京 100028)

近几年来，学习进阶理论已经深入到教育理论研究和实践研究中.认知心理科学的发展也有效地推动了教育科学研究和教育实践，其中的认知图式理论也给教育理论和实践研究提供了新的视角.物理图式和学习进阶从不同视角对物理学习过程进行了研究和解释.在对物理学习进阶过程的进一步研究中，本研究发现物理图式和学习进阶之间存在着密切联系.

1 物理图式

根据图式理论，本文把物理图式定义为：物理图式是对即将呈现的有关信息刺激形成某种预期,进而引导相应物理知觉过程的积极的认知结构，包括物理表象图式、物理概念图式、物理规律图式、物理问题图式和物理实验图式等.

物理表象图式是认知者以表象形式储存的事实或现象及其之间关联的认知结构.物理概念图式是认知者对物理概念相关的文字、图像、表象、声音、关系、程序、规则、操作等信息及其相互关联构成的整体认知结构.物理规律图式是认知者对物理规律相关的文字、图像、表象、声音、关系、程序、规则、操作等信息及其相互关联构成的整体认知结构.物理问题图式由物理概念图式、规律图式、表象图式、程序性知识、元认知知识、问题特征信息等按照问题主题有机构成的整体认知结构.

物理实验图式是由物理表象图式、物理概念图式、规律图式、物理仪器图式和操作图式等构成的认知结构.

目前物理教育研究领域中的“概念”是广义的概念，它包括了以往的概念和规律.本文借用这个广义的“概念”统称以往的概念和规律，因而“物理概念图式”代表物理概念和规律图式.

2 物理图式与学习进阶的关系

2.1 从图式本体和学习进阶的本质看学习进阶

图式是人脑中的认知结构，其中包含有显性成分和隐性成分.图式能够对即将呈现的刺激形成某种预期，也能够积极引导相应认知活动.根据图式理论，认知发展的过程是个体与环境持续发生相互作用的过程.由于环境的多样性和复杂性，环境给人脑的刺激不是单一的，而是多方面信息刺激构成的集合体.这使得个体的多种感官参与了多方面的认知活动，从而形成各种知识和技能紧密联系的认知结构网络——认知图式.

在分析个体认知成分的过程中，可以把图式中能够外显的知识分为陈述性知识、程序性知识和元认知技能等成分.这些外显成分是对认知图式进行分解后得到的分析形式，它们是认知图式的组成部分.还原个体图式的分析形式，得到人脑内部的部分知识和技能存在方式——认知图式的显性部分.由于图式的隐性部分无法外显，只能够通过其表现说明隐性部分的存在.

因此，个体知识技能在人脑中存在的形式或个体知识技能的本体是认知图式，简称图式.根据神经科学的研究成果，可以认为图式的物质载体是神经元之间的网络连接关系.

个体的学习过程是在脑中建构认知图式的过程，因而学习进阶的本质是认知图式的进阶.

2.2 从物理图式的形成过程和结构看学习进阶

个体脑中的物理图式包括物理表象图式、概念图式、规律图式、实验图式和问题图式等.这些图式都是在生活和学习过程中，通过动手和动脑的实践活动逐步形成，例如实验室实验、生活中物理现象的观察、课堂学习和课后学习等.每一种类型的图式形成过程有其特殊性，相互之间也有着各种联系.每一种物理图式不断丰富和完善的过程其实质也就是学习者物理图式不断进阶的过程.

就比较而言，相对于其他物理图式，物理问题图式是最复杂的物理图式，其他物理图式是问题图式的基础和组成部分.在解决问题的过程中，通过利用其他物理图式、问题情境等，逐渐对相应类型问题解决的图式不断丰富和完善，从而实现问题图式的不断进阶.

研究者们发现，专家头脑中的知识技能具有良好的认知结构，是按照层级结构组织起来的图式系统.专家的问题图式按照陈述性知识的层级结构来组织，是一些中等抽象水平的问题图式组成的图式系统.图式系统中最低端的问题图式与问题类型情境等具体细节知识相连，从而提高图式的针对性，便于激活来解决问题.

图式向上依次构成不同层级结构和抽象水平的图式，因而从非常详细的具体问题图式到高度抽象水平问题图式共同构成了一个完整、庞大、精细的问题图式体系.正是专家的这种精细问题图式促使专家能够快速有效地解决问题.新手需要从局部图式的一致性，逐步达到图式系统的一致性和自恰，才能够从新手变成问题解决专家.

因为新手变成专家的过程是通过不断学习，使图式不断进阶，最终达到专家的精细化图式的过程，所以，物理图式结构深化和优化的过程就是物理图式的进阶过程.

在研究相应的物理问题的过程中，除了以上物理学习领域的专家形成了相应的精细化的物理问题图式外，在物理学研究领域，物理学家们也逐渐积累形成了研究物理问题的精细化图式.这些图式都极大促进了物理学家们对物理问题的研究，有力地促进了人类社会对物理现象的认知，从而推动物理学的发展.

3 物理概念图式进阶的理论探讨

学习者头脑中的概念和规律的学习进阶实质上是对应图式的进阶.在学习者物理概念图式进阶的过程中，不是单一某个知识和技能的进阶，而是相应认知网络结构及其技能的生态性的进阶.因此，我们需要用图式的观点来看待整个学习进阶过程.

基于此，利用物理概念图式进阶的教学设计，可以丰富教学设计的内容，也会更加接近于学生真实的认知过程.通过细化物理概念的进阶过程，本文得出了“物理概念进阶的层级模型”和“物理概念图式学习进阶过程的分析框架”.

3.1 物理概念图式进阶的层级模型

郭玉英教授(2016)认为，学习进阶的起点是学生的前认知，终点是期望达到的教学目标，学生的学习进阶过程要经历从起点到终点的一系列中间发展阶段.Knut Neumann等(2013)提出了科学概念理解发展的层级.根据这两位研究者的观点，结合物理图式理论，本文提出“物理概念图式进阶的层级模型”，如表1所示.