由認知彈性理論談高三物理“非良構”領域知識的教學

周 佳

(江蘇省常熟中學，江蘇 常熟 215500)

由認知彈性理論談高三物理“非良構”領域知識的教學

周 佳

(江蘇省常熟中學，江蘇 常熟 215500)

物理教學中的“非良構”知識一直是教學的難點，由于知識本身的復雜性與實例的不規則性，學生很難真正掌握。本文從認知彈性理論出發，結合高三物理教學的特點，以“平拋運動”的高三復習課為例，討論高三物理中“非良構”領域知識的教學。

高三物理；認知彈性；非良構知識

在高三物理教學中，學生總是會提出這樣的困惑：書本上的知識點并不難掌握，但為什么這些知識點放到題目中就不會做了？很多教師把原因歸結于題目做得少，進而實施“題海戰術”，不但增加了學生的負擔，而且教學效果也不理想。要解決這一問題，應先從物理知識自身的特點進行分析。

1 物理中的“良構”與“非良構”領域知識

根據斯皮羅的認知理論，知識的結構可分為“良構”與“非良構”兩種。所謂“良構”領域知識指的是關于某一主題的事實、概念、規則和原理，這些要素以一定的層次結構組織在一起，具有良好的組織，只要教師引導恰當，學生是比較容易掌握的。物理中的一些基本概念與規律，如位移、速度、加速度、平拋運動、勻速圓周運動等，這些概念本身具有嚴格的定義與邏輯關系，屬于“良構”知識領域。

“非良構”領域知識則是指將“良構”領域的知識應用于具體情境中時產生的知識，也就是有關概念應用的知識，其主要的特性有：

(1) 概念的復雜性

知識應用的每個實例中，都包含著許多應用廣泛的概念間的相互滲透。例如“平拋運動”在具體實例中可能會出現斜拋、類平拋等不同形式，出現諸如力、速度、加速度、能量等概念之間的聯系。

(2) 實例的差異性

同類的各個具體實例中，所涉及概念的種類與數目不同，且各種概念的地位和作用方式也不同。例如同樣是平拋運動，物體分別在重力場和電場中運動，所涉及的物理量及其規律就有所不同。

高三物理教學關注的是學生對所學知識的遷移與綜合運用能力，新課教學中的“良構”領域知識在此時就體現出“非良構”的特性。

2 傳統教學存在的問題

傳統教學并不區分“良構”與“非良構”知識，往往將“良構”領域知識的教學策略不合理地推廣到“非良構”領域知識中來。

首先，傳統教學將物理概念、規律的應用看成是已學知識的簡單羅列，忽視各部分之間的相互聯系，教學僅是對所學知識的重復陳述及專題式的強化訓練，使學生的理解簡單化和片面化，妨礙了學生對所學知識在具體情境中的遷移與運用。其次，傳統教學僅僅注重問題的解決，忽視解決問題的多種方法與途徑，這樣從單一角度看待概念、現象和實例是一種過分簡化，將會使學生對概念應用產生片面的、靜止的和機械的認識，勢必會阻礙學生在新情境中靈活使用所學知識。

3 基于認知彈性理論的“非良構”領域知識教學

認知彈性理論產生于20世紀90年代初,主要由美國依利諾斯大學的斯皮羅等人提出，該理論是一種針對“非良構”領域知識，以獲得高級知識為目的的教學思想和方法。所謂認知彈性指的是“以多種方式同時重建自己的知識，以便對發生根本變化的情境領域做出適宜的反誚。”認知彈性理論有以下兩個基本原理：

(1) 多元認知表征

只有在顯示多元事實時才能以最佳方式對結構不良領域的現象進行思考，即要求從多于一個觀點的角度審視某一概念。這能增強對該概念自身的理解，同時也能增強將這一理解遷移至其他領域的能力。

(2) 概念與案例構成多維和非線性的“十字交叉”形態

有理由、有根據地正確理解會因背景的不同而存有差異，因此要通過多情境來學習知識。可見認知彈性理論主張結合情境性的、非線性的、多維度的學習。

在高三物理教學中，學生已經學習過相關的知識與規律，主要考查學生對于所學知識在不同情境中的應用，即“抽象——具體”這一個步驟，因此“喚醒”學生已經學過的抽象知識，并使其掌握在具體情境中所產生的“非良構”知識是高三物理教學的主要任務。基于“非良構”知識的特點及認知彈性理論，在高三物理中“良構”和“非良構”知識的教學具有如圖1所示的特點。

圖1

3.1 實例的情境化

由于“非良構”領域知識是在具體情境中產生的，因此實例應當結合相關的情境給出。將準備復習的知識鑲嵌在相應的情境中，幫助學生形成經驗性背景，能夠讓學生順利“喚醒”知識，并且也為情境中出現的更加復雜的概念復習做準備。

3.2 情境的多樣化

“非良構”知識在不同的情境中所涉及的概念與表現形式各不相同，因此多樣性的情境是必要的。以“平拋運動”的復習課為例，教師可以展示以下三個情境。

圖2

情境一：播放MIT開放課程中Walter Lewin教授做的一個演示實驗視頻，如圖2、3所示，Walter Lewin教授扮演了一位獵人，此時他在山坡上瞄準了與他處于同一高度的一只“猴子”，當他扣動扳機時猴子也恰好從樹上掉落。

圖3

情境二：NBA是大家喜愛觀看的一項運動(如圖4)，在某次比賽中，投籃者從B處將籃球斜向上拋出(如圖5)，不計空氣阻力，結果發現籃球恰好垂直擊中籃板上的A點。

圖4

圖5

情境三：示波器是一種多功能的電學儀器(如圖6)，其中的部分結構如圖7所示，該部分由兩塊金屬板組成，金屬板長為L，板間距為d，金屬板帶上等量異種電荷，兩板間的電壓為U，電子從金屬板的中間以速度v進入，已知電子的質量為m，帶電量為e，不計電子的重力。

圖6

上述三個不同的情境分別展現了平拋、斜拋、類平拋這三種運動，三種運動的表現形式雖然不同，但后兩種運動均可看成是平拋運動的“特殊形式”。學生通過對情境的分析，在“喚醒”平拋運動的概念與規律的同時，也體會到了平拋運動在不同情境中的表現形式，情境的多樣化有助于學生對知識的泛化與分化。

3.3 問題角度的多樣化

“非良構”知識存在著概念的復雜性和實例的差異性，對問題的單一理解會遺漏某些方面。認知彈性理論認為在學習過程中對于信息的意義建構可以從不同的角度入手，從而可以獲得不同方面的理解。因此對于上述三個情境，可以分別提出以下問題。

情境一：

問題1：Walter Lewin教授能擊中猴子嗎？為什么？

問題2：若Walter Lewin教授與猴子的水平距離為10m,子彈離開槍管的速度為100m/s，猴子下落時離地面的高度為10m，求猴子被擊中的位置。

問題3：若Walter Lewin教授是在地面上瞄準猴子的，他還能擊中猴子嗎？

問題1考查平拋運動豎直方向上的運動特點，要求學生能從所給的情境中建立合理的物理模型，并做出定性的分析。問題2在第一問定性分析的基礎上通過給出相關的物理量，考查學生對于平拋運動基本規律的掌握情況及定量計算的能力。問題3將平拋運動拓展為斜拋運動，問題的難度有所提高，要求學生能夠將平拋運動的處理方法遷移到斜拋運動中，是對學生處理問題能力的一個提升。

情境二：

問題1：若已知A點距B處的高度為H，投籃者距籃板的水平距離為S，求投籃者投出籃球的初速度及其角度。

問題2：若投射點向籃板方向水平移動一小段距離，仍使投出的籃球垂直擊中B點，則有哪些可行的方式？

問題1考查學生對于平拋運動逆過程的掌握情況，學生必須要抓住情境中“垂直擊中”這個特點，運用逆向思維將斜拋看成是平拋的逆運動。問題2是一個開放型的問題，要求學生從平拋運動的基本規律入手，引入變量進行分析，該過程不僅培養了學生的邏輯思維與創造性思維，而且在學生討論的過程中也增強了學生相互協作的能力。

情境三：

問題1：電子將做怎樣的運動？離開兩極板間電場時的位置在哪？

問題2：電子離開極板間電場時的速度是多少？

問題1考查學生能否通過受力分析，將平拋運動的處理方法順利遷移到電場的情境下。問題2是一個綜合性問題，要求學生從不同角度(運動、功能關系、能量守恒)來分析類平拋運動，使學生對于平拋運動的認識更加具體與全面。問題角度的多樣化使學生能夠較為全面地認識“非良構”知識，在掌握概念的同時也鍛煉了學生的多種能力。

3.4 形式的多樣化

這里的“形式”是一個廣義的概念，可以是教師展現情境的形式，如圖片、視頻、實驗、文字等，也可以是學生學習的形式，如獨立式、合作式等。還可以是評價的形式，如隨堂檢測、問答、學生自評等。以“平拋運動”的復習課為例，三個情境分別以視頻、圖片、實物展現給學生，教學的過程中有學生的討論，也有單獨的思考(如表1)，形式的多樣化不僅有助于提高課堂的張力，使更多的學生參與到學習中來，而且能夠讓學生從不同途徑學習“非良構”領域知識，增加了其認知的靈活度。

表1

3.5 強化時段的多樣化

根據斯金納的操作性條件作用理論，間隔強化比連續強化更有助于知識的掌握。因此在強化過程中可以采取定時強化與變時強化相結合的方法。所謂定時強化指的是每隔固定的時間段后進行強化，變時強化指的是不定時地對所學知識進行強化，例如平拋運動的相關知識可以在每次月考或期中、期末考試中進行定時強化，也可通過隨堂測驗或在后續教學中不定時地穿插平拋運動的相關知識來強化。

4 結語

高三的物理教學更強調知識的運用與遷移，知識點與復雜的情境相結合，因此會產生大量的“非良構”領域知識。在這樣的背景下，情境、角度、形式等多樣化的課堂體現了在認知彈性理論下教學的非線性與多維度的特點，符合“非良構”領域知識教學的特點。當然，非良構領域知識的學習是非常復雜的，在不同類型的學習中，認知彈性理論的應用模式也是各不相同的，我們應當根據具體的情況來靈活地選擇相應的教學方法，這樣才能更加有效地達成教學目標。

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