物理概念圖式進(jìn)階的理論探討*

鄭朝陽(yáng)

(中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽(yáng)學(xué)校 北京 100028)

近幾年來(lái)，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論已經(jīng)深入到教育理論研究和實(shí)踐研究中.認(rèn)知心理科學(xué)的發(fā)展也有效地推動(dòng)了教育科學(xué)研究和教育實(shí)踐，其中的認(rèn)知圖式理論也給教育理論和實(shí)踐研究提供了新的視角.物理圖式和學(xué)習(xí)進(jìn)階從不同視角對(duì)物理學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行了研究和解釋.在對(duì)物理學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程的進(jìn)一步研究中，本研究發(fā)現(xiàn)物理圖式和學(xué)習(xí)進(jìn)階之間存在著密切聯(lián)系.

1 物理圖式

根據(jù)圖式理論，本文把物理圖式定義為：物理圖式是對(duì)即將呈現(xiàn)的有關(guān)信息刺激形成某種預(yù)期,進(jìn)而引導(dǎo)相應(yīng)物理知覺(jué)過(guò)程的積極的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，包括物理表象圖式、物理概念圖式、物理規(guī)律圖式、物理問(wèn)題圖式和物理實(shí)驗(yàn)圖式等.

物理表象圖式是認(rèn)知者以表象形式儲(chǔ)存的事實(shí)或現(xiàn)象及其之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)知結(jié)構(gòu).物理概念圖式是認(rèn)知者對(duì)物理概念相關(guān)的文字、圖像、表象、聲音、關(guān)系、程序、規(guī)則、操作等信息及其相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成的整體認(rèn)知結(jié)構(gòu).物理規(guī)律圖式是認(rèn)知者對(duì)物理規(guī)律相關(guān)的文字、圖像、表象、聲音、關(guān)系、程序、規(guī)則、操作等信息及其相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成的整體認(rèn)知結(jié)構(gòu).物理問(wèn)題圖式由物理概念圖式、規(guī)律圖式、表象圖式、程序性知識(shí)、元認(rèn)知知識(shí)、問(wèn)題特征信息等按照問(wèn)題主題有機(jī)構(gòu)成的整體認(rèn)知結(jié)構(gòu).

物理實(shí)驗(yàn)圖式是由物理表象圖式、物理概念圖式、規(guī)律圖式、物理儀器圖式和操作圖式等構(gòu)成的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

目前物理教育研究領(lǐng)域中的“概念”是廣義的概念，它包括了以往的概念和規(guī)律.本文借用這個(gè)廣義的“概念”統(tǒng)稱(chēng)以往的概念和規(guī)律，因而“物理概念圖式”代表物理概念和規(guī)律圖式.

2 物理圖式與學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)系

2.1 從圖式本體和學(xué)習(xí)進(jìn)階的本質(zhì)看學(xué)習(xí)進(jìn)階

圖式是人腦中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，其中包含有顯性成分和隱性成分.圖式能夠?qū)磳⒊尸F(xiàn)的刺激形成某種預(yù)期，也能夠積極引導(dǎo)相應(yīng)認(rèn)知活動(dòng).根據(jù)圖式理論，認(rèn)知發(fā)展的過(guò)程是個(gè)體與環(huán)境持續(xù)發(fā)生相互作用的過(guò)程.由于環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，環(huán)境給人腦的刺激不是單一的，而是多方面信息刺激構(gòu)成的集合體.這使得個(gè)體的多種感官參與了多方面的認(rèn)知活動(dòng)，從而形成各種知識(shí)和技能緊密聯(lián)系的認(rèn)知結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)——認(rèn)知圖式.

在分析個(gè)體認(rèn)知成分的過(guò)程中，可以把圖式中能夠外顯的知識(shí)分為陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知技能等成分.這些外顯成分是對(duì)認(rèn)知圖式進(jìn)行分解后得到的分析形式，它們是認(rèn)知圖式的組成部分.還原個(gè)體圖式的分析形式，得到人腦內(nèi)部的部分知識(shí)和技能存在方式——認(rèn)知圖式的顯性部分.由于圖式的隱性部分無(wú)法外顯，只能夠通過(guò)其表現(xiàn)說(shuō)明隱性部分的存在.

因此，個(gè)體知識(shí)技能在人腦中存在的形式或個(gè)體知識(shí)技能的本體是認(rèn)知圖式，簡(jiǎn)稱(chēng)圖式.根據(jù)神經(jīng)科學(xué)的研究成果，可以認(rèn)為圖式的物質(zhì)載體是神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系.

個(gè)體的學(xué)習(xí)過(guò)程是在腦中建構(gòu)認(rèn)知圖式的過(guò)程，因而學(xué)習(xí)進(jìn)階的本質(zhì)是認(rèn)知圖式的進(jìn)階.

2.2 從物理圖式的形成過(guò)程和結(jié)構(gòu)看學(xué)習(xí)進(jìn)階

個(gè)體腦中的物理圖式包括物理表象圖式、概念圖式、規(guī)律圖式、實(shí)驗(yàn)圖式和問(wèn)題圖式等.這些圖式都是在生活和學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)手和動(dòng)腦的實(shí)踐活動(dòng)逐步形成，例如實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、生活中物理現(xiàn)象的觀察、課堂學(xué)習(xí)和課后學(xué)習(xí)等.每一種類(lèi)型的圖式形成過(guò)程有其特殊性，相互之間也有著各種聯(lián)系.每一種物理圖式不斷豐富和完善的過(guò)程其實(shí)質(zhì)也就是學(xué)習(xí)者物理圖式不斷進(jìn)階的過(guò)程.

就比較而言，相對(duì)于其他物理圖式，物理問(wèn)題圖式是最復(fù)雜的物理圖式，其他物理圖式是問(wèn)題圖式的基礎(chǔ)和組成部分.在解決問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)利用其他物理圖式、問(wèn)題情境等，逐漸對(duì)相應(yīng)類(lèi)型問(wèn)題解決的圖式不斷豐富和完善，從而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題圖式的不斷進(jìn)階.

研究者們發(fā)現(xiàn)，專(zhuān)家頭腦中的知識(shí)技能具有良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，是按照層級(jí)結(jié)構(gòu)組織起來(lái)的圖式系統(tǒng).專(zhuān)家的問(wèn)題圖式按照陳述性知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)組織，是一些中等抽象水平的問(wèn)題圖式組成的圖式系統(tǒng).圖式系統(tǒng)中最低端的問(wèn)題圖式與問(wèn)題類(lèi)型情境等具體細(xì)節(jié)知識(shí)相連，從而提高圖式的針對(duì)性，便于激活來(lái)解決問(wèn)題.

圖式向上依次構(gòu)成不同層級(jí)結(jié)構(gòu)和抽象水平的圖式，因而從非常詳細(xì)的具體問(wèn)題圖式到高度抽象水平問(wèn)題圖式共同構(gòu)成了一個(gè)完整、龐大、精細(xì)的問(wèn)題圖式體系.正是專(zhuān)家的這種精細(xì)問(wèn)題圖式促使專(zhuān)家能夠快速有效地解決問(wèn)題.新手需要從局部圖式的一致性，逐步達(dá)到圖式系統(tǒng)的一致性和自恰，才能夠從新手變成問(wèn)題解決專(zhuān)家.

因?yàn)樾率肿兂蓪?zhuān)家的過(guò)程是通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，使圖式不斷進(jìn)階，最終達(dá)到專(zhuān)家的精細(xì)化圖式的過(guò)程，所以，物理圖式結(jié)構(gòu)深化和優(yōu)化的過(guò)程就是物理圖式的進(jìn)階過(guò)程.

在研究相應(yīng)的物理問(wèn)題的過(guò)程中，除了以上物理學(xué)習(xí)領(lǐng)域的專(zhuān)家形成了相應(yīng)的精細(xì)化的物理問(wèn)題圖式外，在物理學(xué)研究領(lǐng)域，物理學(xué)家們也逐漸積累形成了研究物理問(wèn)題的精細(xì)化圖式.這些圖式都極大促進(jìn)了物理學(xué)家們對(duì)物理問(wèn)題的研究，有力地促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)知，從而推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展.

3 物理概念圖式進(jìn)階的理論探討

學(xué)習(xí)者頭腦中的概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)進(jìn)階實(shí)質(zhì)上是對(duì)應(yīng)圖式的進(jìn)階.在學(xué)習(xí)者物理概念圖式進(jìn)階的過(guò)程中，不是單一某個(gè)知識(shí)和技能的進(jìn)階，而是相應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其技能的生態(tài)性的進(jìn)階.因此，我們需要用圖式的觀點(diǎn)來(lái)看待整個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程.

基于此，利用物理概念圖式進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以豐富教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，也會(huì)更加接近于學(xué)生真實(shí)的認(rèn)知過(guò)程.通過(guò)細(xì)化物理概念的進(jìn)階過(guò)程，本文得出了“物理概念進(jìn)階的層級(jí)模型”和“物理概念圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程的分析框架”.

3.1 物理概念圖式進(jìn)階的層級(jí)模型

郭玉英教授(2016)認(rèn)為，學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)是學(xué)生的前認(rèn)知，終點(diǎn)是期望達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程要經(jīng)歷從起點(diǎn)到終點(diǎn)的一系列中間發(fā)展階段.Knut Neumann等(2013)提出了科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí).根據(jù)這兩位研究者的觀點(diǎn)，結(jié)合物理圖式理論，本文提出“物理概念圖式進(jìn)階的層級(jí)模型”，如表1所示.

表1 物理概念圖式進(jìn)階的層級(jí)模型

3.2 物理概念圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)的分析框架

根據(jù)以上物理概念圖式進(jìn)階的層級(jí)模型，結(jié)合外顯的物理圖式構(gòu)成成分和促進(jìn)圖式形成的途徑等，本文從概念圖式、模型、邏輯、方法、元認(rèn)知、思維導(dǎo)圖、概念圖7個(gè)方面提出了物理概念圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階的分析框架，如表2所示，以便使物理概念圖式進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)具有可操作性.

表2 物理概念圖式學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程的分析框架

續(xù)表2

以上分析框架試圖將圖式進(jìn)階的理論和實(shí)際教學(xué)相融合，旨在細(xì)化物理圖式進(jìn)階過(guò)程的特征，使其能夠融入實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，增強(qiáng)了圖式進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)的可操作性，使抽象的圖式進(jìn)階觀點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具有指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計(jì)的具體建議.