基于SOI模型的力学概念多元表征教学策略探索

严云峰 王长江 余琼

摘   要：力学概念本身的抽象性及学习者表征能力间的差异性都给教学带来了很大的挑战。多元表征教学则可以实现化抽象知识为形象具体，进而提高学生的认知能力。本研究基于多元表征理论，结合SOI模型，探索出力学概念多元表征教学框架，并提炼出力学概念的多元表征教学策略，旨在帮助学生掌握并深度理解力学概念，从而提升课堂教学的有效性。

关键词：SOI模型；多元表征；力学概念；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）5-0015-4

1    问题提出

在学习力学概念时，由于力学概念具有较强的抽象性，且学习者的表征能力各不相同，这就给教学带来了很大的挑战。表征教学可以实现同一知识不同呈现形式，将一个抽象的知识具体化，以此帮助学生理解。但是，目前的课堂教学中依旧存在一些不利于表征教学发展的问题：

（1）不注重培养学生不同表征形式的转化。学生无法跳脱出思维局限，易产生思维定式，不善于灵活运用概念去解决问题，这样掌握的概念是不生动的，是没有办法应用于实际生活的。

（2）不注重培养学生不同表征形式的整合。碎片化的概念不利于学生建立完善的知识体系，知识就像一张网，只有由点到线再到面，才能形成完整的知识体系。

在教学中，部分教师偶然能够在教学中应用多元表征，但教学内容的编排布置也只是基于日常教学经验，没有成体系的策略进行指导。而多元表征教学的必要性又显而易见。能否设计出一套切实可行的教学策略，在力学概念教学中融入多元表征理论？这是本研究的主要问题。

2    基于SOI模型的力学概念教学框架

SOI模式是由理查德·E·梅耶最先提出的，他认为，教学信息是旨在促进学习的信息。有意义学习必须满足三个重要的条件，即选择信息、组织信息、整合信息［1］。S指的是选择（Selecting），O指的是组织（Organizing），I指的是整合（Integrating）（图1）。

有意義学习的SOI理论的内涵是： 学生在学习时主动进行认知加工，首先从呈现的文本中选择相关的语词，再从呈现的插图中选择相关的图像，将所选择的图像组织为一个连贯的图像模型，最后将图像模型和言语模型同先前的知识整合起来，就完成了有意义学习的过程［2］。基于SOI模型，结合力学概念特点，探索出高中物理力学概念多元表征的认知机制（图2）。

在力学概念的教学过程中，力学概念多元表征的信息（即物理画面和物理语词）通过眼睛与耳朵进入到“记忆”阶段，随后物理语词与外在物理画面开始形成浅层言语码与浅层心象码，此阶段为信息的“选择”过程，形成瞬时记忆。经过信息的选择加工之后，信息能够进入工作记忆，浅层言语码经过加工形成深层言语码，浅层心象码转变为深层心象码。长时记忆则是由言语系统和心象系统组成，贮存加工后的言语码、心象码和整合码，最终形成力学概念。在此框架中，短时记忆用“记忆”表示，长时记忆用“贮存”来表示。

综上所述，力学概念的形成需要从生活经验着手，选择符合学生理解的信息，通过选择进入记忆。在认知加工后形成编码，最后贮存在系统中形成力学概念，这就是力学概念的学习过程和认知机制。

3    基于SOI模型的力学概念教学策略

在教学框架的基础上，结合教学实践，总结了如下6条教学策略。各条策略之间并非互相割裂，而是可以前后连贯、互相补充。

3.1    双通道呈现策略

双通道呈现策略是指，表征信息以“视觉形式＋听觉形式”呈现，充分利用感官通道。双通道呈现策略能够让工作记忆分散承受认知负荷，缓解认知压力。力学概念的学习是一个知识在外在表征和内在表征中交互的过程，在交互过程中遵循双通道原则，能使认知负荷最小。

例如，在学习摩擦力时，学生往往无法理解。具体来说就是学生即使知道了物体与物体之间存在着摩擦力，但是仍判断不清摩擦力的方向。

如图3所示，我们可以在学生学完“静摩擦力方向与相对运动趋势相反”这一知识点后，给他们展示两个毛刷相互摩擦（相互推拉）的实物或视频。在展示过程中，我们可以明显看到两个毛刷运动方向是不同的，受到的摩擦力方向也不同。将毛刷的运动、受力过程进一步简化成模型图。通过对模型图的分析可以明显看到，毛刷的受力方向与相对运动趋势相反，而毛刷受到的力就是静摩擦力的直观体现。

总结起来就是，教师要同时运用视觉和听觉两个通道进行知识的教学，在进行教学设计时，教师也要将抽象的语言表征加以视觉化，将具体的言语表征听觉化。在课件的设计上，具体的、容易理解的语言不要过多出现在课件中，课件中要着重展示那些不易理解的却又关键的语句。当然，也需要对这些复杂语句进行适当必要的处理，例如分隔、加粗、标红等。对于较为抽象的教学内容，教师需要先把描绘性表征（图像）呈现给学生，再经过通俗、生活化的语言进行解释，可以激发学生的学习兴趣，更快地融入教学当中。

3.2    多媒体呈现策略

多媒体呈现的内涵是，我们使用文本和图片进行教学比单用文本进行教学的效果更好。延伸一下，也就是丰富的表征样式的教学效果比单一表征的教学效果更好。例如，我们可以在纯文本表征的基础上，增加图像或者声音，这样就将文字介绍变成了动画片段，更利于信息的接受。交互式教学模式也是多媒体呈现的一种应用。

例如，在解释发动机的工作原理时，就可以采用这种教学策略。当学习“吸气冲程”时，让学生点击一下扬声器的图标，马上就可以听到这样一段话：“吸气冲程，进气门打开，排气门关闭，活塞从上止点向下运动”。同样的，“压缩冲程”中，学生将听到“压缩冲程，进气门、排气门都关闭，活塞从下止点向上运动”。

在实际教学中，进行这种动画的制作往往比较复杂，但是多媒體呈现的思想却可以直观体现。尤其是在演示实验的展示中，教师应该配合着实验进程进行充分必要的讲解，而不是一个人的“哑剧”。譬如，在进行“两个互成角度力的合成规律”演示实验时，教师有时会让学生自己阅读有关材料，或者在实验前后进行大量讲解，这显然是不合适的。演示实验不应仅仅是演示，而应该配合着实验操作过程详细讲解，在讲解中多通道呈现信息，促进记忆和理解。

3.3    临近呈现策略

临近呈现原则包含“空间临近”与“时间临近”。临近呈现指的是，同一概念的“描绘性表征”和“叙述性表征”在空间和时间上以临近的方式呈现给学生，使学生能够整体性地处理信息，避免分散认知资源去搜索和提取信息。临近呈现可以使学习者在对力学概念的表征开始加工时，让不同表征方式之间能够更方便地参照联系［2］。

当力学概念对应的表征形式在“空间上”和“时间上”临近呈现的时候，学生能够更加便捷地进行信息处理。相反，如果表征形式之间互相分离，呈现割裂的信息，就会增加认知负担，不利于力学概念的形成。例如，在呈现抽象文本时，应在空间和时间上临近的位置提供相对应的视觉化表征；当呈现模型、图像时，也应临近提供相对应的言语化表征。

在教学中，空间和时间都是珍贵的资源，教师要合理利用，避免浪费，这也是多媒体教学原则的意义所在。教师要合理安排教学内容和流程，合理分配时间和空间。具体来说，图片要与文字临近呈现，而不是呈现在不同位置；或者文字融入图片中，而不是相互孤立的呈现。

以“超重和失重”一节的教学为例，如果图示与文字分开呈现，这种呈现方式我们称之为图示与文字的“分离呈现”。分离呈现会带来无关认知加工，增加学生的认知负担。如果图片与其相对应的文字临近呈现，就能够减少无关认知加工，提高学习效率，如图4所示。

3.4    切块呈现策略

当难以理解的教学内容被分割成若干小段时，会更利于学生学习。例如，我们可以将一段动画或者视频分割成几个小段，依次呈现。

例如，在“通过平面镜观察桌面的微小形变”实验中，我们选择在桌子上放置两个平面镜。当一束光被镜子反射，会在墙上形成一个光点。按压桌面，观察光点位置的变化。没有条件进行这个实验时，教师往往会选择播放相应的演示实验视频。但是，该实验步骤较多，且每一步都需要观察砝码数量、光点的位置移动、桌子的形变。如果快速播放完毕，学生只是走马观花看完了整个实验，不会有眼前一亮的效果，也不会感觉到这个实验设计的精巧以及探究思维的创新之处。如果连续呈现，学生很难及时理解关键步骤和信息，难以准确把握学习要点。所以，我们可以把实验动画分割成8个片段，分别为4个桌面形变的宏观展示、4个桌面形变的微观展示。点击“继续”按钮，就会播放下一段动画。

切块呈现策略可以使学生有充足的时间去进行认知加工，也可以根据自己的学习情况调整学习进度和速度。这样，学生能充分领悟学习对象，充分获取呈现的信息。

3.5    信息一致策略

保持教学信息与学习主题一致是指，在进行教学设计时，要尽量去除与授课内容无关的信息。因为这些与教学无关的文本、图片等会分散学生的注意力，我们应尽量保证授课内容的精炼与完整。我们发现有大量与讲授内容无关的信息出现在课堂上，比如课件中与教学内容无关的动画和音频。这些内容会影响课程进度，分散学生注意力，影响学习。

例如，在“变压器”一节中，教师有时会为了调动学生学习的积极性，花费大量时间去介绍我国的水利发电工程。在播放幻灯片时，时不时会出现过场动画和转换场景的音效，教师以为这会使得课件更加精美，但殊不知严重影响了学生上课的注意力，扰乱授课进度，降低教学效率。

所以，教师在进行教学时，要积极贯彻信息一致原则，剔除与力学概念无关的信息，简明、扼要、凝练地提供表征信息以促进学生的有意义学习。在教学前，教师应该对教学内容进行筛选，不要强求每一个知识点都采用多种表征形式去进行呈现，这样反而会延缓教学进度，给学生带来困惑。此外，对于那些抽象的、不好理解的概念，也需要进行精简和优化。在教学中，要保证学习的目标和教学的内容是一致的，剔除那些与主题无关的要素，降低学生对于知识认知理解的难度。

3.6    信息打包策略

优化组织学习材料为信息组块是指，在进行教学设计时，教师应将授课内容的信息进行整理和打包，而打包后的信息必须要与授课内容存在联系。因为工作记忆容量是有限的，所以教师必须提前将知识进行打包，形成信息组块。在教学中，结合课堂中的实际情况组块展现信息，提升教学效率。

例如，“楞次定律”是一个教学难点，学生往往无法理解，教师可以采用“问题串”教学方式进行教学。以问题串的形式，让学生经历探究的过程，问题与问题间层层递进、相互连贯、互不割裂，降低了学生的认知负荷，同时又可以让学生将学到的知识进行整合，对各个物理量进行分析、比较，寻找最终的规律所在。通过学生自己归纳总结，让学生体会成就感的同时加深他们的认识与理解。

对新课教学来说，尽量由浅入深，展现直观表征，促使学生形成感性认识。在后续学习中，再增加抽象的表征形式，如问题串和言语暗示等。在整个章节学习的最后，可用思维导图的形式对教学内容进行总结。

4    小  结

多元表征教学并不意味着一次教学活动必须涵盖所有的教学策略，多元表征教学是一个循序渐进的过程，是需要潜移默化融入日常教学的。在教学中，教师要结合教学内容，让不同的表征充分发挥应用效果，并且随着课程的推进不断变化呈现。教师可以着重呈现个别教学策略，留给学生发挥表征能力的空间。

教师还可以将多元表征教学扩展到课外，如在科技馆中开展多元表征的教学活动。在科技场馆中教学，学生能够亲身体验物理环境，在教师指导下探寻规律，培养科学思维和科学探究能力，丰富学生物理概念学习的情境和方式。

参考文献：

［1］理查德·E·迈耶.多媒体学习［M］.牛勇，邱香，译.北京： 商务印书馆，2006.

［2］理查德·E·梅耶.应用学习科学——心理学大师给教师的建议［M］.盛群力，丁旭，钟丽佳，译.北京：中国轻工业出版社，2016.

（栏目编辑    赵保钢）