淺論知識建模在中學物理教學設計中的作用

【摘要】中學物理知識建模是指物理知識網絡圖的繪制，這種知識網絡圖反映了知識間的隸屬關系，對于中學物理教學設計有著重要作用：一方面可以幫助中學物理教師進行意義建構類學習任務設計，另一方面可以為中學物理教師進行問題設計提供依據。

【關鍵詞】知識建模；知識網絡圖；任務設計；問題設計

【中圖分類號】G423.04 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 03—0050—05

一 引言

物理教學論發展到現在，積累了很多優秀的教學法。這些教學法之所以優秀，并被人們廣泛借鑒，是因為其無形中遵循著合理的知識論邏輯。下面我們可以通過一個具體例子來詳細說明教學法中蘊涵著怎樣的知識論邏輯。在中學物理教學法的研究中，關于“力”概念教學，有下面這樣的論述：“‘力’概念教學，首先，應將‘重力’、‘彈力’、‘摩擦力’等各種性質的力進行對比，比較他們的產生條件、產生原因、大小、方向和作用點，才會使學生形成正確的力概念。其次，要把力和與它相聯系的概念進行對比，如把‘力’與‘加速度’、‘功’、‘沖量’等概念進行對比，加深對力概念的理解。”[1]這個教學法的科學性、合理性可以得到知識論角度的解釋。

首先，我們將上述教學法中所涉及到的各個知識點抽取出來；接著，將各個知識點之間的特定關系用相應箭頭連接；最后，形成一個包含所有知識點及其相應聯系的知識網絡圖，如圖1所示。這個圖反映了知識隸屬關系的結構特征。從圖1我們可以看出，“力”與“重力”、“摩擦力”、“彈力”之間都存在著“是一種”關系，其中“力”為上位概念。因此，為了更好地理解“力”概念，我們需要對它的下位概念進行對比分析，找出各個下位知識點之間的異同，從而使學生形成正確的“力”概念。從圖1我們還可看出，“力”與“加速度”、“功”、“沖量”等概念都是通過與相應的原理公式類知識點間建立“結論包含”關系聯系起來。因此，為加深對“力”概念的理解，需要鑒別“力”、“加速度”、“功”、“沖量”等各個概念類知識點的特征，找出“力”概念與“加速度”、“功”、“沖量”等概念的異同。我們認為，正是知識點及知識點間的特定關系決定了知識學習的特定任務設計與選擇，此教學法中蘊含的合理知識論邏輯確保了采用上述方式進行“力”概念教學的合理性。

在物理教學法的研究中還存在很多這樣的例子，通過繪制知識網絡圖，我們都可以找到它們相對應的知識論邏輯。繪制知識網絡圖的過程也就是知識分析的過程，我們可將之稱為知識建模。知識建模不但可以使我們認清中學物理教學法的知識論邏輯，而且也會進一步促進中學物理教學法的發展。下面，我們將對中學物理學科中已有的知識建模研究做一個調查分析。

二 物理教學研究領域中關于知識建模的已有研究

在中學物理學科教學研究領域，目前人們對知識建模的研究主要集中為物理知識結構的研究。

有關物理知識結構的研究，從物理學誕生時起就已存在。我們可將這些研究大致歸為以下兩類。一類為物理教學論專家所做的理論性研究，主要側重于對物理知識結構的構成及重要性的研究。如有學者[2]認為，“物理中的知識結構是由物理的各個基礎知識及其它們之間的聯系構成，物理基礎知識又可細分為物理概念（物理量）、物理定律（定理）、物理公式、比例常數和物理常數、物理單位等五類。”還有學者[3]認為，“初高中學生物理學習中存在著諸如知識學習不扎實、電學學習比較困難、聰明學生也怕物理等等普遍問題，造成這些問題的主要原因是學生認知結構中知識表征不清晰。”另一類是一線教師根據自己的教學實踐所做的經驗性總結，主要側重于物理知識結構在物理教學中的作用的研究。如“將概念圖用于合作學習及評價”[4]、“將構筑單元知識結構網絡作為物理知識復習的有效途徑”[5]、“將物理知識網絡作為保存知識及快速準確提取和遷移知識的載體”[6]等。總之，以上這兩類研究都強調，清晰的知識結構不僅有助于為學生呈現比較系統的知識、啟發學生主動學習、加深學生對知識的記憶與應用，而且有助于教師自己分清主次、突出重點、抓住關鍵、控制教學的廣度和深度。由此可見，用網絡結構處理知識是很必要的，這樣處理符合知識自身的性質。不過，目前所有這些研究主要是站在物理教學的角度，從物理教學設計角度研究知識結構的很少見。另外，這些只關注知識語義的知識結構，也決定了它不會對教學設計具有指導作用。針對這種情況，我們提出了一種反映知識隸屬關系的知識網絡圖，并探索其在中學物理教學設計中的作用。

三 物理知識建模在物理教學設計中的作用

任務作為學習活動的核心，是教學設計的關鍵對象。對于任務的描述，有學者等[7]認為“根據學習目標的層次將其區分為兩類：一類是意義建構類活動任務，主要是指對知識點的信息加工過程中的語義編碼的操作外顯化，主要是為獲取目標知識的意義；另一類是能力生成類活動任務，主要是為訓練學生對目標知識點的運用能力，其主要有題目、問題等形式。”中學物理知識建模，對于中學物理意義建構類活動任務設計和能力生成類活動任務中問題的設計，都將會產生比較大的影響。一方面，通過物理知識建模，我們可以依據知識點類型及其知識點之間的關系，根據已有的心理學研究，設計出幫助學生準確獲取知識意義的任務。另一方面，通過物理知識建模，結合相應的變換，我們還可設計出針對性較強的物理問題。下面，我們主要圍繞物理知識建模在物理教學設計中的兩大重要作用展開論述。

1 有助于教師進行意義建構類學習任務設計

下面我們通過一個例子來具體說明。圖2是我們根據高一物理中的“牛頓運動定律”部分的內容所畫。從圖2，我們可以發現其中存在著一個個特定關系的子圖，我們將其稱之為知識組塊。根據知識組塊與任務的映射關系，見參考文獻[8]，我們可以方便地進行意義建構類活動任務設計。從圖2的陰影部分(1)中我們可看出，各個概念類知識點之間通過“組成”關系相聯系，為其設計“鑒別基本單位和導出單位的基本特點”、“建立基本單位和導出單位之間的聯系”、“建立基本單位和導出單位與單位制間的聯系”等任務比較合適。對于圖2的陰影部分(2)，事實范例類知識點與原理公式類知識點之間通過“包含”關系相聯系，可以為其設計“學生能用質量與慣性間關系原理解釋相應的物理現象”任務。圖2的陰影部分(3)中過程步驟類知識點之間通過“步驟包含”關系相聯系，為其設計“建立牛頓運動定律解題步驟的順序并明確各個解題步驟間的聯系”任務比較合適。對于圖2的陰影部分(4)，原理公式類知識點與概念類知識點之間通過“結論包含”關系相連，我們可以為其設計“鑒別牛頓第二定律的特征和要素”、“建立‘質量’、‘加速度’、‘合力’三者之間的聯系”等任務。另外，陰影部分(4)中“合力”知識點又與“分力”知識點共同構成“力”的下位概念。因此，我們可用“分力”替換“合力”，從而設計出“牛頓運動定律是否適合于分力情況”、“假如適合分力情況，加速度又應具有什么特點”等比較新穎的任務。由上，我們可以很清晰地看到，通過知識建模，遵循心理學已有研究結論，教師可很容易地設計出合理的幫助學生獲取知識意義的任務，并且還可以通過一些簡單變換，設計出比較新穎的任務。

上面所提到的知識組塊僅與知識點的類型及其知識點之間的關系有關，與知識點的具體內容無關。因此，對于同一類型的知識組塊，我們可以為其設計相同的任務。為方便教師進行任務設計，我們可將中學物理學科中常出現的知識組塊類型抽象為若干個知識組塊模式圖。教師根據這些知識組塊模式圖就可快速地識別出知識組塊，并設計相應的任務。教師在設計出任務后，可根據知識點之間的聯系，確定任務序列。然后，以這些任務作為活動的核心，設計活動的其他成分，并依據任務序列確定活動序列。最后，將一系列的活動組合成為一堂課。通過這種方式，教師的教學設計過程相對于以前的無具體方法可依變為有一定方法可循、由以前單純的經驗主導變為理性主導下的技術性操作，教師的教學設計過程向著科學化、理性化的方向前進。

2 為教師進行問題設計提供依據

物理問題對于培養學生的能力有非常重要的作用。目前，已有的物理問題設計技術可以為教師進行簡單問題設計提供一些可參照的依據，如“從物理學的基本研究方法及研究內容出發來設計問題、依創造技法設計問題” [9]等。這些研究只對問題設計做了一個宏觀步驟介紹，缺少微觀具體細節介紹，教師在進行問題設計時完全靠自己在教學過程中的不斷體會和總結，教師的自身經驗占據決定性地位。另外，在物理問題設計中，對于復雜問題的研究很少涉及，僅僅是一線教師在教學實踐中對于“一題多變”的研究。如“教師在物理習題課中怎樣通過一題多變加深學生對知識點的理解和掌握” [10]、“教師如何對課本習題進行一題多變以從不同角度來強化學生對知識點的理解” [11]、“學生在平時的解題過程中如何進行一題多變” [12]等。這些研究也是教師依據自己的經驗，總結出的一些針對特定問題的一題多變技巧。總之，不論是簡單問題設計還是復雜問題設計，都是教師教學經驗的簡單總結。然而，教師對于從特定目標出發的問題設計依然無從下手。針對這種情況，我們提供了這樣的問題設計思路，即：通過物理知識網絡圖找出與其目標知識點相關的已學知識點，找到已學知識點的問題原型，通過對此問題原型的相應變換，設計出適合目標知識點的問題。下面，我們主要通過一個具體例子來詳細說明。這個例子也將反映物理知識建模如何為教師進行問題設計提供依據。

該例子選自人教版高中物理第一冊第五章第三節“平拋物體的運動”。假設現在要開始學習第三節的內容，教師可以依據已學過的內容畫出所要學習的目標知識點為核心的知識網絡圖。我們以概念類知識點“平拋運動”為例，可畫出如圖3所示的知識網絡圖。為設計出培養上位知識點的問題，我們可以從其已學的下位知識點出發來選擇問題原型。從圖3中，我們看到與“平拋運動”處于下位關系的知識點包括“勻速直線運動”和“自由落體運動”兩個，我們可以依據這兩個知識點來選擇問題原型。選擇包含已學知識點的問題原型時，有兩種方式：一種是直接找課本上的例題或習題；另一種是依據教師的經驗在其他資料上選擇。對于經驗不是很豐富的老師可以采用第一種。這里，我們主要依據第一種方式以選擇“自由落體運動”知識點為例，選擇人教版高中物理第一冊第二章第八節“自由落體運動”練習八的第一題，即：

為了測出井口到井里水面的深度，讓一個小石塊從井口落下，經過2s后聽到石塊落到水面的聲音。求井口到水面的大約深度（不考慮聲音傳播所用的時間）。

選好包含已學知識點的問題原型后，接著需要進行新問題的設計已使其適合于目標知識點“平拋運動”的培養。

圖4是根據解題過程畫出來的，包括問題情境和相應知識點，沿箭頭的方向為解題的推理過程，因此我們可形象地把這個圖稱為問題的知識推理路徑。我們可以對圖4進行操作，如將圖4中的“自由落體運動”替換為“平拋運動”，則可設計出新題1，即：

為了測出井口到井里水面的深度，讓一個小石塊在離地面h高度開始做平拋運動，經過t后聽到石塊落到水面的聲音。求井口到水面的大約深度（不考慮聲音傳播所用的時間）。

在新題1的基礎上，我們可以再將“石塊”替換為“炸彈”，考慮聲音傳播所用的時間，并輔以一定的情境，設計出新題2，即：

飛機以恒定的速度沿水平方向飛行，在飛行過程中釋放一枚炸彈，且飛機飛行的速度v，經過時間t，飛行員聽到炸彈著地后的爆炸聲，假設炸彈著地即刻爆炸，且爆炸聲向各個方向傳播的速度都是v0，不計空氣阻力，求飛機飛行時距地面的高度h。

由上面這個例子，我們可以看到，這種問題設計方法強調從目標出發。不僅為中學物理教師進行問題設計提供了微觀具體操作細節，使得問題設計不再完全依賴教師經驗。而且為中學物理教師更好地處理學生之間的差異提供了便利，使得中學物理教師能夠依據學生各自的知識掌握情況為他們設計合適的問題。對于成績差的學生，教師可以先分析學生所欠缺的知識點，然后根據這些知識點為學生設計出相應的問題，最后通過讓學生解決這些問題使得其所欠缺的知識點轉化為已掌握的知識點，從而縮小學生間知識掌握程度的差異。

總之，依據知識網絡圖，教師可以有針對性地選擇問題原型并加以適當變換，設計出適合培養目標知識點的新問題。物理知識建模作為物理教師進行問題設計的重要依據，必將會為物理學科問題設計技術的發展提供有意義的參考價值，必將提高中學物理教師問題設計的理性化水平。

四 小結

上面提到知識網絡圖在物理教學設計中有比較重要的作用，那么如何繪制知識網絡圖呢？其實，知識網絡圖的繪制非常簡單，下面主要從知識建模的前期準備和具體步驟來進行介紹。

1 知識建模的前期準備

要想使得知識建模過程比較科學合理、方便快捷，我們需要做好三個前期準備工作。首先，找出物理學科中的知識點類型。知識點類型作為知識建模的最基本單元，必須事先確定。通過對物理學科已有知識分類的分析研究，結合實際需要，我們將物理學科中的知識點類型劃分為：符號和名稱、概念、原理公式、事實范例、過程步驟、認知策略。其次，找出物理學科中各個知識點之間的關系類型。根據心理學、物理教學論的已有研究，見參考文獻[8]，我們可以將物理知識點之間的關系類型大致確定為以下六大種：上下位關系（是一種、組成）、同位關系（相似、相反、等價、并列及其他）、包含關系（包含、內容包含、結論包含（定義公式）、條件包含、步驟包含）、是前提關系、具有屬性關系、派生關系。其中，上下位、包含、是前提、具有屬性、派生等關系用單向箭頭連接，同位關系用雙向箭頭連接。最后，找出物理學科知識組塊模式圖類型。為任務設計的方便，我們探索出了物理學科中常用的知識組塊模式圖類型，如圖5所示。這個知識組塊模式圖可能不是很完善，中學物理教師可根據自己豐富的教學經驗對其不斷加以補充和完善。

2 物理學科中知識建模的基本過程

物理學科中知識建模的基本過程可用如圖6所示的流程圖表示。主要包括以下四步：(1)確定物理學科中相應內容的目標知識點類型。參照教師參考用書，找到目標知識點，并確定其類型。(2)根據目標知識點類型選取對應的物理知識組塊模式圖。在所有目標知識點中任選一個，根據其類型為其選擇合適的知識組塊模式圖。(3)選擇核心知識點。核心知識點作為繼續選擇知識組塊模式圖的基點，其實質仍是目標知識點。如果畫出的知識組塊中存在目標知識點，則以新出現的目標知識點作為核心知識點；如果畫出的知識組塊中不存在目標知識點，則可以選擇其他的目標知識點作為核心知識點。選好核心知識點后重復步驟(2)，直到知識網絡圖中包括了所有的目標知識點。(4)對畫好的知識網絡圖進行檢查修改。對照知識組塊模式圖，找出各個目標知識點的所有可能從屬的知識組塊模式圖，然后對已畫出的知識網絡圖進行檢查及其補充修改。

依據上面的操作規則，我們可以方便地進行物理學科知識建模。中學物理知識建模可幫助中學物理教師進行任務設計和問題設計。它作為一種輔助教師進行教學設計的新方式，將會進一步促進物理教學論向著更高層次發展，增強中學物理教師教學設計過程的理性，提高中學物理教師的專業化發展水平。

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