提高學生認知結構可辨別性,促進大學物理教學

摘 要: 本文作者介紹了高等教育心理學關于“認知結構”和“學習遷移”的概念及理論，分析、研究了認知結構的一個重要因素——可辨別性，并在實際大學物理教學工作中，采用知識類比法來調節和優化認知結構的可辨別性，實現了學生學習過程中的正遷移，從而增強了教學效果，提高了教學質量，有力地促進了大學物理的教學工作。

關鍵詞: 大學物理教學 認知結構 正遷移

1.引言

大學物理學作為高校理工科學生的一門必修課，不僅具有科學的嚴謹性和很強的實踐性，而且具有廣泛的應用性和不斷的創新性。學生在學習新的物理知識時總是以原有的學習為基礎，原有的學習可能促進也可能干擾后繼的學習。這種原有的知識結構作用于所學新知識的情況在很大程度上影響到學習效果，因此受到教育學家和心理學家的普遍重視，這就是高等教育心理學中的“認知結構”及“學習遷移”的問題，其成為學習問題研究中的一個重要方面。

所謂“認知結構”[1]，簡單來說就是學生在學習過程中在其頭腦中已經建立起來的知識結構;而“學習遷移”[2]指的是已經獲得的知識、方法、技能對學習新知識的影響。積極的影響稱之為正遷移，而消極的影響稱之為負遷移。可辨別性是認知結構的一個重要的因素，如果我們在大學物理實際教學工作中采取科學的方法調節并優化這一因素，就能夠促使正遷移產生，從而促進教學工作，提高教學效果，極大地促進大學物理的教學工作。

2.“認識結構”的可辨別性與“正遷移”

美國著名認知教育心理學家奧蘇伯爾認為學生的學習主要是有意義的接受學習[3]。學生在有意義的接受學習過程中在其頭腦中必然會建立一定的知識結構，這就是高等教育心理學中所稱的“認知結構”。具體地說，“認知結構”就是指學生在某一學科的特殊知識領域內觀念的全部內容及其組織。可辨別性是“認知結構”的一個重要因素，是指新的學習內容與同化它的起固定作用的原有內容的分化程度。如果一個學生的原有知識是按一定的結構、分層次嚴密組織好的，則他在遇到新的學習任務時，不僅能迅速在原有的認知結構中找到新知識的固定點，而且易于辨別新舊知識的異同。

奧蘇伯爾在有意義的接受學習基礎之上提出了一種新的“學習遷移”理論，稱為認知結構說[4]。認知結構說認為在有意義的接受學習中，學生的認知結構是有效影響學習遷移的重要因素。學生應該積極地利用舊知識理解新知識，把新知識納入到己有的認知結構中，這個過程實際上就是有效的正遷移過程。因此，教師通過調節可辨別性，使學生的“認知結構”組織有序、層次分明，易于實現正遷移，是至關重要的。

3.采取知識類比的策略，提高“認知結構”的可辨別性，促進學習正遷移

“類比”是人們認識事物本質特征的一種基本方法，是一種必須由原有“認知結構”來積極心理參與的認知行為，是學習主體在探究中求同辨異，在已有的認知基礎上，突破固有的認識束縛，建立新的認知結構，獲得新的本質的認識過程。而知識類比策略本身就是一種很好的學習方法。

注重新知識與新知識、新知識與舊知識之間的類比，能夠增強學生“認知結構”的可辨別性。而“認知結構”的可辨別性又是影響學習遷移的重要因素。事實上大多數學生的“認知結構”并不總是條理清晰可辨的，有時甚至是組織無序、層次混亂的。因此，采取知識類比的策略可以有效地提高可辨別性，增強“認知結構”的條理性和可利用性。我們在大學物理實際教學過程中，著重運用了類比的教學策略，優化了學生的“認知結構”，使之組織有序、層次分明，有效地增強了認知結構的可辨別性，實現了最大限度的學習正遷移。

我們在大學物理教學過程中主要采用了以下四種類比策略。

3.1概念類比法

在大學物理課堂教學中，教師應當扎扎實實抓好物理概念等基礎知識的講解，通過類比不同的物理概念，加深學生對概念本質屬性的理解，對容易混淆、認識模糊的概念加以區別、判斷，有意識地引導學生對概念進行比較區別，認識規律的本質特征。還可以通過類比法，加深理解大學物理“力、熱、電、光”四大部分之間不同物理量與概念的異同點，可以總結歸納知識網絡，提高對物質的整體認識。

例如，我們在教授學生學習光波的某些知識時，完全可以類比機械波的一些概念。首先復習機械波的相關知識——波的疊加原理，波具有獨立傳播性(兩波相遇后分開，仍保持各自原來的特征)，還具有運動疊加原理(相遇區內任一質元的位移，是各波單獨在該點引起的振動位移的合成)，頻率相同、振動方向相同、相差恒定的兩列波為相干波，在兩列相干波的交匯處會呈現出明暗相間的穩定圖像，與時間無關，這種現象稱為干涉現象。機械波的干涉分為干涉相漲和干涉相消，當波程差為半波長的偶數倍即波長的整數倍時為干涉相漲，而波程差為半波長的奇數倍時為干涉相消。以上的關于機械波的知識已經是學生認知結構中的一部分，完全可以作為學習光波知識在學生已有認知結構中的固著點，完全可以類比于光波的相關知識。光波也同樣具有波的獨立傳播性和疊加原理，頻率相同、振動方向相同、相差恒定的兩列光為相干光，光的干涉條紋也是明暗相間的，且當光程差為半波長的偶數倍即波長的整數倍時為干涉相漲，呈現為亮條紋，而光程差為半波長的奇數倍時為干涉相消，呈現為暗條紋。

再如，力學中的慣性和熱學中的比熱容這兩個概念，表面上它們之間毫無聯系，但通過類比，就可以發現它們還是有一定聯系的。慣性是物質本身的屬性，與物體的速度、加速度無關。“慣性”可以看作是物體反抗改變運動狀態的一種“惰性”，那么無論物體是處于靜止狀態還是運動狀態，這種性質都是有的。這時學生已經很好地理解了“慣性”的概念，“慣性”已經成為學生認知結構中的一部分，完全可以作為學習“比熱容”在學生已有認知結構中的固著點，完全可以類比于“比熱容”的相關知識。如此說來，而熱學中的比熱容同樣是描述物質本身的一種屬性，它與物質的溫度、質量、運動狀態無關。同樣，比熱容可以通俗地看成是物質的“惰性”，是物質對改變溫度的反抗，比熱容越大，則它“惰性”越大。教師通過以上深層次的引申與類比，可以加深學生對慣性和比熱容這兩個概念的深刻理解。

又如，在學習量子物理的基本概念的波函數所滿足的條件時，其條件之一為有限性，函數的模的平方在整個空間內出現的幾率為一，即歸一化條件。這些關于量子物理波函數歸一化的知識已經成為學生認知結構中的一部分，完全可以作為學習熱學中的理想氣體麥克斯韋速率分布的歸一化性質在學生已有認知結構中的固著點，完全可以類比于量子物理波函數歸一化的相關知識。這一知識點可以類比熱學中的理想氣體的麥克斯韋速率分布中的性質，在所有速率區間的分子數占總分子數的百分比的總和為一，亦即歸一化條件。諸如此類，在類比的過程中也包含物理知識與方法的遷移，并且教會學生辨認知識的本質特征，幫助學生把新知識納入自己的認知結構中，實現知識的有效遷移。

3.2列表類比法

列表類比的方法更直觀地反映出不同物理本質之間的異同。應用列表類比法一定要講究文字簡潔明了、準確、規范，這樣才能突出類比內容的關鍵，使學生集中注意力，提高教學效果。

例如在講述相對論內容時，關于洛侖茲變換在不同的條件下，表現出不同的類型，列表類比如下:

從上表可以簡潔明了地看出，在S系中發生的兩件事，在不同的時空條件下，在S系中觀察會表現出不同的結果。學生在學習這些知識時，通過類比能正確理解洛侖茲變換的整體聯系和在一定條件下矛盾的轉化，從而把握問題的實質。學生容易找出知識點間的異同，增強知識間的可辨別程度，易于獲得精確、可分離性強的知識。

再如，在講解熱力學第一定律的幾個特殊過程時，為了清晰地表示出這幾個特殊過種中的“功”、“熱”、“內能”三個物理量的變化關系，教師可以列表類比如下:

從上表可以清楚地看出四個特殊過種中的“功”、“熱”、“內能”三個物理量的變化關系。學生可以一目了然，更加容易加深理解與記憶。

3.3圖解類比法

圖解類比法，就是利用兩個物理量之間變化分布的關系圖把有關的知識點進行類比。類比可以突出某些概念、性質、判定各種關系之間的區別和聯系，使各自的特點更為鮮明，使學生更能抓住特點進行認識、了解，從而熟練掌握，做到觸類旁通，靈活應用知識。

圖解類比法非常直觀地比較物理量的性質之間的變化關系。如圖1所示為不同溫度下絕對黑體單色輻射本領按波長分布曲線。從圖中可以清楚地看出，不同溫度下絕對黑體單色輻射本領是不同的，溫度越高，其溫度越高，則最高輻射本領也高;而且絕對黑體單色輻射本領隨著波長的分布關系基本是一致的，都呈現出先增大后減小的趨勢，都有一個最大輻射峰值點。通過圖解類比法，可以使學生很容易把握事物的本質，從而增強知識間的可辨別性。

3.4解題類比法

解題類比法是指類比出不同的解題方法，可以鍛煉學生判斷、歸納、理解問題的能力，做到舉一反三、觸類旁通。類比解題訓練可以進一步加深學生認知結構中某個知識點的可辨別性。例如:

習題1:氣體處于平衡態時，分子任何一個自由度的平均能量為()。

(A)ikT/2 (B)iRT/2 (C)RT/2 (D)kT/2

單獨呈現習題1，學生大多都徘徊于C和D之間。但給出習題2作為類比練習后，學生就會清楚應該選C還是D。

習題2:氣體處于平衡態時，1mol理想氣體任何一個自由度的內能為()。

(A)ikT/2 (B)iRT/2 (C)RT/2 (D)kT/2

通過這種類比練習，學生認知結構中“一個理想氣體分子的能量”、“1mol理想氣體的能量”知識點的可辨別程度就大大加強了。

我們把類比法運用到學生解題中，就是把相近的或相似的物理事實、物理現象一起呈現在學生面前時，學生就能通過類比，找出它們的共同特點和不同點，找出它們的區別和聯系，從而增加學生認知結構的可辨別性，更加深刻理解它們的特點。

4.結語

綜上所述，在大學物理教學中，我們通過分析和研究學生認知結構的可辨別性，并采用多種類比的方法進行調節，很好地優化了學生的認知結構，實現了學生學習的正遷移。我在2009年度所教授的一個大學物理實驗班中，在實施“調節可辨別性、優化認知結構”的策略之后，班級期末考試成績大幅度提高，平均成績提高了11分，由原來的63分提高到74分，提高幅度為17.5%。說明了通過調節認知結構的可辨別性，可以優化學生的認知結構，產生正遷移，提高教學質量。

參考文獻:

[1]邵瑞珍.教育心理學[M].上海教育出版社，1997:219-249.

[2]莫雷.教育心理學[M].廣東高等教育出版社，2002.

[3]羅伯特·斯萊文著.姚梅林譯.教育心理學理論與實踐[M].人民郵電出版社，2004.

[4]J.M索里，C.W特爾福德.教育心理學[M].人民教育出版社，1982.