Solo視野下促進(jìn)物理思維發(fā)展策略的研究

韓艷華

摘要：促進(jìn)學(xué)生物理思維能力發(fā)展一直是物理教學(xué)的終極目標(biāo)。關(guān)于學(xué)生物理思維能力在以往的教學(xué)中過(guò)多探討的是思維的分類(lèi)，沒(méi)有形成在教學(xué)過(guò)程中可操作的思維層級(jí)。本文結(jié)合物理教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容有針對(duì)性地提出促進(jìn)學(xué)生物理思維能力的策略。

關(guān)鍵詞：Solo；知識(shí)結(jié)構(gòu)；思維；物理思維能力發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-1580（2017）12-0025-03

促進(jìn)物理思維能力發(fā)展是物理教學(xué)過(guò)程中的重要問(wèn)題。由于受升學(xué)壓力的影響，許多物理教師和學(xué)生無(wú)暇顧及物理思維能力的發(fā)展和應(yīng)用物理知識(shí)解決物理問(wèn)題的方法以及策略提升的研究。而物理思維能力的發(fā)展和解決物理問(wèn)題策略的形成，是影響一個(gè)學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的積極重要因素。本文主要依據(jù)solo分類(lèi)理論，結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)對(duì)物理思維能力進(jìn)行層級(jí)分類(lèi)，探索在教學(xué)過(guò)程中促進(jìn)學(xué)生物理思維能力發(fā)展的策略。

一、Solo理論

“SOLO”是英文“Structure of the Observed Learning Outcome”的首字母縮寫(xiě)，意思是“能觀察到學(xué)習(xí)成果的結(jié)構(gòu)”。Solo理論起源于英國(guó)心理學(xué)家艾德文.皮爾（Edwin Peel）的研究成果，澳大利亞的教育心理學(xué)家JonhB.Biggs和Kevin F.Collis發(fā)展了其理論體系，并提出：學(xué)生在學(xué)習(xí)一門(mén)新學(xué)科時(shí)，剛開(kāi)始是以量的方式獲得彼此不太相關(guān)、零碎的內(nèi)容，但隨著學(xué)習(xí)過(guò)程的不斷深入和發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)由原來(lái)對(duì)知識(shí)量的積累逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，把以往看似零散的、不成系統(tǒng)的知識(shí)相互連結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)前后相互聯(lián)系的整體知識(shí)組塊。在學(xué)生思維最高層次上建立起相應(yīng)的抽象體系，衍生出新維度，如形成新科學(xué)假設(shè)以解決以前從未遇到過(guò)的問(wèn)題。

Biggs和Collis把學(xué)生對(duì)某部分知識(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)的過(guò)程和結(jié)果由低到高劃分為五個(gè)層次：知識(shí)學(xué)習(xí)前知識(shí)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知知識(shí)過(guò)程中單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題過(guò)程的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、提升解決問(wèn)題通過(guò)時(shí)的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和促進(jìn)思維發(fā)展的抽象拓展結(jié)構(gòu)。

（一）知識(shí)學(xué)習(xí)前知識(shí)結(jié)構(gòu)

在未接觸本知識(shí)前學(xué)生對(duì)與本知識(shí)相關(guān)的問(wèn)題，只是一些感知層面的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有邏輯關(guān)系，基本上不能運(yùn)用其解決具體的問(wèn)題，當(dāng)然對(duì)于與本知識(shí)相關(guān)的問(wèn)題也談不上去解決。

（二）認(rèn)知知識(shí)過(guò)程中單點(diǎn)結(jié)構(gòu)

學(xué)生對(duì)于一些關(guān)于什么是什么的公式應(yīng)用條件有了一些初步的了解，對(duì)于一些簡(jiǎn)單、可直接應(yīng)用公式得出結(jié)論的問(wèn)題形成一定的思路和方法，但只是一一對(duì)應(yīng)地去解決問(wèn)題。

（三）應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題過(guò)程的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)

學(xué)生在已有的陳述性知識(shí)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)掌握一些運(yùn)用公式和規(guī)律解決一些涉及程序化的問(wèn)題，初步形成運(yùn)用物理規(guī)律解決問(wèn)題的思路和方法，并在一定程度上能把有關(guān)的思路整合成一個(gè)有效的方法。

（四）提升解決問(wèn)題時(shí)運(yùn)用的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

學(xué)生已經(jīng)形成了關(guān)于某一類(lèi)問(wèn)題的多個(gè)思路和方法，并在一定程度上可能找到與此情境相關(guān)的物理思維方法和解題策略，并能把這個(gè)方法有意識(shí)地遷移到另一個(gè)問(wèn)題情境中去。

（五）促進(jìn)思維發(fā)展的抽象拓展結(jié)構(gòu)

學(xué)生能夠?qū)σ呀?jīng)學(xué)習(xí)和解決過(guò)的物理問(wèn)題有意識(shí)地進(jìn)行抽象的概括，從方法論的高度來(lái)分析問(wèn)題、提升方法，同時(shí)從類(lèi)別和問(wèn)題的本質(zhì)上進(jìn)行有意義的拓展。

Solo是一個(gè)立體的、由點(diǎn)到面、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思維結(jié)構(gòu)，它摒棄了以往只是在宏觀上探究學(xué)生思維能力的弊端，能夠從具體可操作的點(diǎn)人手，有針對(duì)性地探討學(xué)生思維能力的量與質(zhì)的關(guān)系，從而更加科學(xué)、合理和客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的物理思維能力。

二、物理思維能力形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程

物理思維能力的發(fā)展和解決物理問(wèn)題策略的形成是影響一個(gè)學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的積極有效的方式和方法。關(guān)于物理思維能力的發(fā)展一直以來(lái)各家看法各不相同，但大都停留在對(duì)能力的分類(lèi)方面，而真正從能力的層次上加以評(píng)價(jià)的卻是少之又少。

熱力學(xué)第一定律是高中物理選修3-3第十章第三節(jié)內(nèi)容，普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它的要求是：能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界中能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。選修3-3中比較核心的兩部分內(nèi)容：一個(gè)是氣體三個(gè)定律和理想氣體狀態(tài)方程；二是熱力學(xué)第一定律。在教學(xué)過(guò)程中，其定律內(nèi)容描述很清晰，學(xué)生從表面上也能理解得很好。它的結(jié)論是在前兩節(jié)功和內(nèi)能、熱和內(nèi)能兩節(jié)的基礎(chǔ)上得出的，應(yīng)該說(shuō)從知識(shí)的邏輯體系而言是很清晰的。在知識(shí)講解過(guò)程中，讓全體學(xué)生都處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)也完全可以做到，但課程標(biāo)準(zhǔn)把熱力學(xué)第一定律定位在：能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界中能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。要達(dá)到這樣的目標(biāo)，僅有單點(diǎn)層次知識(shí)結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)層次知識(shí)結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最終要達(dá)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)甚至于抽象擴(kuò)展層次。那么，如何從單點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)呢？

（一）單點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu)

1.作功可以改變物體的內(nèi)能，用公式表示W(wǎng)=△U。

2.系統(tǒng)不從外界吸收熱量，也不向外界放熱，這樣的過(guò)程叫絕熱過(guò)程：Q=0。

3.熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能：Q=△U。

4.熱力學(xué)第一定律：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它做的功的和，公式：△U=Q+W。

（二）多點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu)

1.做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，其效果是相同的，但其本質(zhì)卻是不同的，做功改變物體的內(nèi)能是能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，熱傳遞改變物體的內(nèi)能是熱量由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上。

2.一個(gè)系統(tǒng)如果是絕熱過(guò)程，也就是此系統(tǒng)既不從外界吸收熱量，同時(shí)也不會(huì)向外界放出熱量，那么此過(guò)程就隱含著：（1）系統(tǒng)是密閉的，如果不密閉就會(huì)有熱量的交換了；（2）系統(tǒng)內(nèi)的研究對(duì)象質(zhì)量是不變化的，如果變化，則其能量就變化了。

3.一個(gè)系統(tǒng)向外做功，必消耗能量，則w為負(fù)，我們就說(shuō)功為負(fù)，即W<0；外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)獲得能量，我們就說(shuō)功為正，即W>0。endprint

4.由前概念已知W=Fx

F=Ps

W=Psx=P（V2-V1）=P△V

（三）關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

1.分子平均動(dòng)能和分子勢(shì)能之和，統(tǒng)稱(chēng)為內(nèi)能。分子平均動(dòng)能是物體溫度的標(biāo)志，若物體的溫度相同，則其平均動(dòng)能就相同，因此，物體的溫度變化是物體內(nèi)能變化原因之一；分子勢(shì)能是由于分子間的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致分子勢(shì)能發(fā)生變化，分子之間的距離發(fā)生變化，其宏觀表現(xiàn)為體積變化，因此，物體的體積變化是物體內(nèi)能變化的另一原因，因此，溫度和體積是決定物體內(nèi)能的兩個(gè)因素。如果研究對(duì)象是理想氣體，由于理想氣體是一種理想化的模型，它成立的前提是分子之間沒(méi)有相互作用力，也就是說(shuō)，理想氣體的分子沒(méi)有分子勢(shì)能，其內(nèi)能僅由溫度決定，與分子間距離無(wú)關(guān)。即理想氣體的內(nèi)能只是由溫度決定，與體積無(wú)關(guān)。

2.熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律結(jié)合在一起解決問(wèn)題，在理解熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，熟練掌握氣體三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律及三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的圖像，能準(zhǔn)確判斷出氣體變化過(guò)程中壓強(qiáng)、體積和溫度的變化。如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓變化到狀態(tài)B，此過(guò)程，氣體的壓強(qiáng)P=1.5×10⁵Pa，吸收的熱量為Q=2×10²J，求此過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量。

要解決這個(gè)問(wèn)題，首先想到單點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

①熱力學(xué)第一定律W+Q=△U；

②明確氣體從外界吸收熱量Q=2×10²J；

③氣體體積減小，外界對(duì)氣體做正功，那么W=？

要想解決這個(gè)問(wèn)題，只擁有單點(diǎn)結(jié)構(gòu)就不夠用了。

多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，W=P△V；要實(shí)現(xiàn)求W，我們必須得知道從A狀態(tài)到B狀態(tài)的過(guò)程中體積的大小。A狀態(tài)體積已知，可是B狀態(tài)的體積不知道。要想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須結(jié)合氣體的狀態(tài)看圖像了。

關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)：氣體從A狀態(tài)經(jīng)等壓變化到B狀態(tài)，AB是一條等壓線，則從A到B，由蓋一呂薩克得V2=2升，則由此可得W=P△V=1.5J，Q=200J，則△U=W+Q=350J，此題正確解決。

三、促進(jìn)學(xué)生思維由單點(diǎn)結(jié)構(gòu)向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展的策略

物理思維能力的形成是建立在具體的物理知識(shí)基礎(chǔ)之上的，但不等同于擁有物理知識(shí)物理思維能力就能自動(dòng)形成。物理思維能力的形成不是具體物理知識(shí)的簡(jiǎn)單積累，而是在對(duì)具體知識(shí)的本質(zhì)屬性概括提升的基礎(chǔ)上，發(fā)展出超越具體知識(shí)，拓展到解決其他問(wèn)題的帶有方法性質(zhì)的思維方法。從知識(shí)的發(fā)生發(fā)展及變化過(guò)程來(lái)看，我們大致可以把知識(shí)分成三種類(lèi)型：一是陳述性知識(shí)，也就是知道“什么是什么”，如力是物體和物體之間的相互作用；二是程序性知識(shí)，就是關(guān)于“怎么辦”“怎么做”的知識(shí)。形成程序性知識(shí)過(guò)程的第一步就是要掌握本知識(shí)組塊中的陳述性知識(shí)，陳述性知識(shí)經(jīng)過(guò)各種變式訓(xùn)練，以產(chǎn)生式進(jìn)行表征和存儲(chǔ)于學(xué)生知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，并逐漸形成自動(dòng)化的技能；三是在一定情境中，程序性知識(shí)依據(jù)圖示被逐漸提取出來(lái)，并應(yīng)用于解決具體問(wèn)題。如玻意耳一馬略特定律本身是陳述性知識(shí)，應(yīng)用定律解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)就是程序性知識(shí)。應(yīng)用本定律解決等溫問(wèn)題時(shí)，首先要確定研究對(duì)象，其次看的是初狀態(tài)參量，再看經(jīng)過(guò)狀態(tài)變化后，它的質(zhì)量和溫度發(fā)生變化的情況。如果m和T都沒(méi)有發(fā)生變化就滿(mǎn)足P1V1=P2V2，代人數(shù)據(jù)就可以求得結(jié)果。這是一道典型的“怎么做”的問(wèn)題，只是相對(duì)新手和相對(duì)專(zhuān)家有些差別：學(xué)生作為相對(duì)新手，從知識(shí)角度擁有陳述性知識(shí)，不會(huì)應(yīng)用陳述性知識(shí)解決具體問(wèn)題；作為相對(duì)專(zhuān)家的教師就要先從單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的思維方式引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用陳述性知識(shí)，當(dāng)單點(diǎn)知識(shí)在某一知識(shí)點(diǎn)上讓學(xué)生應(yīng)用成熟了，就要擴(kuò)展難度，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題，最后生成自動(dòng)作化解決這一類(lèi)問(wèn)題的方法。當(dāng)程序性知識(shí)形成自動(dòng)化后，就要引導(dǎo)學(xué)生從單一的解決問(wèn)題的方法跳開(kāi)，從多角度多維度考量應(yīng)用知識(shí)的角度，對(duì)同一類(lèi)型問(wèn)題構(gòu)建一個(gè)模型。三是策略性知識(shí)，它是知識(shí)的最高境界。它從程序性知識(shí)形成自動(dòng)的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生跳開(kāi)具體物理問(wèn)題的情境總結(jié)方法，從建立物理模型的角度引導(dǎo)學(xué)生去思考問(wèn)題，不是單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)，而是單點(diǎn)集合體對(duì)關(guān)聯(lián)，這樣才能使學(xué)生會(huì)一題，知一類(lèi)，提方法，促模型，有效地促進(jìn)思維的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)向多點(diǎn)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。endprint