認知策略在物理規律教學中的運用

摘要： 在物理學習過程中，學生對物理規律的理解應用是學習過程的一個難點，本文試圖從認知心理學角度，剖析物理規律的特點，分析學生在理解、掌握物理規律中存在的問題，并提出解決的辦法。

關鍵詞： 物理規律 認知策略

高中物理是一門基礎性學科，也是一門邏輯性很強的學科。物理學包含了大量的物理規律：原理、定律、定理、法則、公式等。物理規律內容精簡，內涵豐富，學生在剛開始接觸物理規律時，可能會覺得很簡單，但碰到具體問題卻不會靈活運用，或張冠李戴，根本不知用何規律解決問題。為此，本文從認知心理學的角度分析物理規律的特點，結合學生平時通常犯的錯誤，提出教學策略。

一、物理規律在人的記憶中的表征特點

1.物理規律是以命題為主要形式表征的陳述性知識。

由認知心理學可知，人類所學的知識有兩類：陳述性知識和程序性知識。陳述性知識是能被人陳述和描述的，是有關人所知道的事物狀況的知識，可以以命題、表象、線性排序等基本形式和圖式這種高級形式表征的。

物理規律(包括定律、定理、原理、法則、公式等)反映了物理現象、物理過程在一定條件下必然發生、發展和變化的規律，反映了物質運動變化的各個因素之間的本質聯系，揭示了物理事物本質屬性之間的內在聯系。物理規律一般可以用文字表述，即用一段話把某一規律的內容表達出來，物理規律有時也可用數學(公式或圖象)表示，它是一種陳述性知識。

2.運用物理規律解決問題是一種程序性知識。

程序性知識是人怎樣做事的知識，包括動作技能、認知技能、認知策略，它是以“產生式”這種動態的表征形式表征的。通常用規律解決問題主要有幾種可能情況：（1）對物理規律（包括公式和圖象）的意義的理解，如：對F=ma的含義的理解，對v-t、a-t圖象的理解；（2）對規律的適用條件和范圍的辨析，如：牛頓第二定律只適用于低速運動的宏觀物體，不適用于高速運動的微觀粒子；（3）與規律有關的概念、規律、公式間的關系的討論；（4）運用規律解決實際問題，運用物理規律解決問題是有一定的方法和步驟的，如牛頓定律的應用，它在具體解題時，可分為兩種情況：一種是已知物體的受力情況求物體的運動情況，大致的解題步驟分為：①對物體進行受力分析，②正交分解（力的合成）求F合，③用牛頓第二定律求加速度，④根據運動學的公式求物體的運動情況。另一種是已知物體的運動情況求物體的受力情況，大致的解題步驟也可分為：①對物體進行受力分析，②根據運動學的公式求物體的加速度，③用牛頓第二定律求合力，④用力的正交分解法求未知力。因此，運用物理規律解決問題必須在理解規律的基礎上，通過積極的邏輯抽象思維，采取正確的方法，是一種有控制的程序性知識。

二、學生在物理規律學習過程中碰到的問題

1.相關知識準備不足。

影響物理規律學習的有關知識主要包括：感性知識的缺乏，數學知識不夠，對物理概念的理解、已學物理規律的理解不深或錯誤等。如，研究和運用質點運動學規律時，涉及時間、時刻、位置、位移、速度、加速度等很多物理概念，也涉及坐標系、函數圖象、代數運算、矢量等數學知識，如果學生在某一環節上準備不足，就會使這些規律的學習和運用遇到困難。又如，許多物理現象在生活中是學生沒有遇到過的，必須向學生提供足夠的感性材料，通過實驗來彌補感性知識的不足，如學習電磁感應和自感的有關規律，需要給學生足夠的、能夠逐步提示現象間本質聯系的實驗作基礎，否則學生對這些規律就很難理解。

2.錯誤的樸素觀念對科學觀念的困擾。

學生在學習物理規律之前，已在日常生活中積累了一定的生活經驗，對一些問題形成了某些認識，稱為樸素觀念。有的樸素觀念與科學觀念一致，對學習科學觀念起促進作用，但有的是錯誤的，違背科學觀念的，對學生正確地理解物理規律往往起著嚴重的干擾作用。例如，學生在運動和力的關系上，往往認為力是物體運動的原因，物體受力才能運動，不受外力的物體是根本不能運動的；對物體的下落問題，常常認為重物比輕物下落快；對于摩擦力的方向，往往認為摩擦力方向總是與物體的運動方向相反；對物體在液體中所受浮力的問題，往往認為只有浮在液面上的物體才能受到浮力等等?？梢哉f，學習物理規律就是用反映客觀事物發生、發展、變化規律的物理觀念轉換頭腦中的錯誤的樸素觀念，如果這種轉換的過程未完成，錯誤的樸素觀念未消除，勢必造成學習物理規律的思維障礙。

3.思維定勢帶來的負遷移。

遷移是一種學習對另外一種學習的影響。一種學習對另外一種學習產生了積極的影響就是正遷移，一種學習對另外一種學習產生了消極的影響就是負遷移。在學生學習物理規律時，積極的思維定勢是指人們把自己頭腦中已有的思維模式和方法恰當地用于學習新的物理規律，解決新的實際問題，有利于學生在原有知識的基礎上學習和理解新的物理規律。消極的思維定勢則相反，干擾著學生對新的物理規律的理解和掌握，限制著學生思維靈活性的發展。思維定勢所引起的負遷移干擾著學生對物理規律的理解和掌握，給物理規律的教學帶來困難。例如，有的學生總認為功率大的白熾燈炮（或電爐）的電阻大，理由是根據焦耳定律，導體通過電阻放熱，放出的熱量與電阻成正比。又如，有些學生由于在數學知識的學習中形成的思維定勢，對于反映物理規律的公式及其變換，往往從純數學的角度加以理解物理規律，思考和處理物理問題，而忽視了它們的物理意義，結果從純數學推導中引出錯誤的結論，造成對物理規律的錯誤理解。例如，歐姆定律的數學表達式為I=U／R，學生常常將其變形為R=U／I，并從純數學的角度考慮，由此得出導體的電阻與加在它兩端的電壓成正比，與通過它的電流成反比等一類錯誤的理解。

三、物理規律教學采取的認知策略

1.豐富學生的陳述性知識，促進學生對物理規律含義的正確理解。

對于物理規律的文字表述，要認真加以分析，特別要分析關鍵的字、詞，使學生真正理解它的含義，防止在學生毫無認識或認識不足的情況下讓學生死記硬背。例如，牛頓第一定律的教學，可仿照伽利略當年運用“理想實驗”的思路，在觀察實驗的基礎上，進行推理想象，由有摩擦時的運動情況推想到無摩擦時的運動情況，最后把這一規律的內容作如下表述：“一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。”在理解時，要注意弄清定律的條件是“物體沒有受到外力作用”，對“或”的正確理解是：如果物體原來是運動的，它就保持勻速直線運動狀態；如果原來是靜止的，它就保持靜止狀態。

對于物理規律的數學表達式，要從物理意義上去理解。每一個物理規律都是在一定條件下反映某個現象或過程變化規律的，故有一定的成立條件和適用范圍，只有使學生明確這些，才能正確地運用規律來研究和解決實際問題，否則，就會出現亂用規律的現象，導致錯誤的結論。例如，牛頓第二定律公式F=ma，它揭示了一定質量的物體所受的合外力與由此而產生的加速度之間的關系，如果只從數學形式考慮，就可能得出物體的質量與所受的外力成正比，或物體的質量與它的加速度成反比(m=F/a)，這顯然錯誤的。再如，對于歐姆定律的表達公式：I=U/R，應當使學生理解，這一公式表達了電流的強弱決定于加在導體兩端電壓的大小和導體本身電阻的大小，即某段電路中電流的大小，與這段電路兩端的電壓成正比，與這段電路中的電阻成反比，公式中的I、U、R三個物理量是對同一段電路而言。

2.提高學生對知識的遷移水平。

在教學中不可能將所有知識都傳授給學生，但必須使學生具有遷移的能力，方能靈活運用所學的知識技能來解決問題，或在新情景中快速地進行學習。在認知心理學的基礎上出現了新的學習遷移觀，即與陳述性知識相對應的認知結構遷移理論、與程序性知識相對應的產生式遷移理論、與策略性知識相對應的元認知遷移理論。在教學中可以采取以下方法促進學生的遷移：

（1）運用先行組織者促進學習的遷移。

所謂“組織者”是在學習新材料之前呈現給學生的一種引導性學習材料，它以通俗的語言概括說明將要學習的新材料與認知結構中原有知識的聯系，為新知識的學習提供認知框架。在物理規律教學中，先行組織者可以是呈現一個現象、一個實驗、原先學習過的概念、規律，通過給學生提供足夠的感性知識，有助于學生學習的遷移。

（2）通過充分的練習促進陳述性知識向程序性知識的遷移。

運用物理規律解決問題需要將陳述性知識轉化為程序性知識，這也需要一定的過程。一方面，要用典型的問題通過教師的示范和師生共同討論，使學生結合對實際問題的討論，深化、活化對物理規律的理解，逐漸領會分析、處理和解決問題的思路和方法；另一方面，要組織學生進行運用規律的練習，引導和訓練學生善于聯系日常生活中的實際問題學習物理規律，經常用學過的規律科學地說明和解釋有關的現象，通過訓練，使學生逐步學會邏輯地說理和表達。對于運用物理規律分析和解決實際問題，逐步訓練學生運用分析、解決問題的思路和方法，使學生學會正確地運用數學解決物理問題。幫助和引導學生在練的基礎上，逐步總結出在解決問題中一些帶有規律性的思路和方法，逐步提高各種思維品質的水平。

（3）提高學生的元認知水平。

元認知是指有關個體認知過程中的知識，負責對個體的認知過程進行監控、調節和協調，其中包含了對個體認知過程的意識、監控及調節。具有較好的元認知技能的學習者，能自動地監督、控制和掌握自己的認知過程。他們在面臨新的學習或問題情景時，能主動尋求當前情境與已有經驗之間的聯系，并運用已有經驗對當前情境進行分析概括，尋求解決問題的策略，因此在教學中要向學生傳授有關學習策略知識，幫助學生如何學習，促進知識的遷移。

3.循序漸進地進行物理規律教學。

人對程序性知識的掌握有三個階段：第一，認知階段，學生只能作出陳述性解釋；第二，聯系階段，將陳述性表征轉化為特殊領域的程序性知識，增強產生式的連結；第三，自動化階段，整個程序得到進一步完善與協調。因此相對應的物理規律的教學，大體上也可分為領會、運用、完善與擴展三個階段。領會為第一階段，側重了解建立物理規律的事實依據和思維方法、理解物理規律的內容、含義，以及公式中各量的單位、成立條件和適用范圍等。運用為第二階段，側重強化所研究的過程與對應物理規律中的因果關系，熟練掌握規律的直接應用。完善與擴展為第三階段，需讓學生理解規律的全部內涵及規律的具體外延，對規律應用的深化和活化，側重于綜合應用及對所研究的過程的分析。在物理規律教學時應根據每個階段的特點，循序漸進地教學，使學生順著三個階梯牢固地掌握知識。