基于建構(gòu)主義理論的大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)

曹　慧　陳菊梅

(國防科技大學(xué)理學(xué)院物理系,湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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基于建構(gòu)主義理論的大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)

曹慧陳菊梅

(國防科技大學(xué)理學(xué)院物理系,湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要本文首先介紹了建構(gòu)主義認(rèn)知理論的基本觀點(diǎn)和倡導(dǎo)的教學(xué)方法，然后介紹了依據(jù)這些觀點(diǎn)，在大學(xué)物理課程中所做的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)過程設(shè)計(jì)，以及實(shí)踐后的教學(xué)效果分析.文章提出，基于建構(gòu)主義認(rèn)知理論對(duì)教學(xué)內(nèi)容和過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量和效益提供了一種參考和借鑒.

關(guān)鍵詞建構(gòu)主義認(rèn)知理論；大學(xué)物理；教學(xué)設(shè)計(jì)

大學(xué)物理是高校最重要的公共基礎(chǔ)課程之一，涵蓋了自然科學(xué)中最基本的概念、原理和方法，學(xué)習(xí)大學(xué)物理不僅有利于學(xué)生建立科學(xué)的世界觀，而且理解這些概念、原理和方法就是理解他人想法的過程；內(nèi)化這些概念、原理和方法就能在自己分析問題特別是創(chuàng)新時(shí)作出正確判斷.公共基礎(chǔ)課程特點(diǎn)是內(nèi)容多覆蓋廣，如何通過最經(jīng)濟(jì)、最便捷的教學(xué)方法實(shí)施教學(xué)，顯著提高課程教學(xué)效益，是我們一直以來關(guān)注的課題.目前，教學(xué)內(nèi)容體系已基本固定，教學(xué)輔助手段也基本完善，教學(xué)資源也已得到有效建設(shè)，這里從人本角度出發(fā)，談?wù)劷Y(jié)合建構(gòu)主義認(rèn)知理論開展大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)的體會(huì).

1建構(gòu)主義認(rèn)知理論的基本觀點(diǎn)及其倡導(dǎo)的教學(xué)方法

建構(gòu)主義認(rèn)知理論的代表人物杰羅姆·布魯納，是哈佛大學(xué)教授，美國杰出的教育家.創(chuàng)辦并首任哈佛大學(xué)認(rèn)知研究中心主任，獲得過美國心理學(xué)會(huì)頒發(fā)的杰出科學(xué)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，曾任美國白宮教育委員會(huì)委員.“結(jié)構(gòu)”是指事物之間的相互聯(lián)系及規(guī)律.布魯納認(rèn)為學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)，是一個(gè)人把同類事物聯(lián)系起來，并把它們組織成有意義的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)過程是人們將知識(shí)結(jié)構(gòu)不斷重新組織的一種積極主動(dòng)的思考過程，人在超越現(xiàn)象進(jìn)行的再組合中將獲得新的領(lǐng)悟.由此出發(fā)，建議學(xué)習(xí)一門科學(xué)，要理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu).比如物理學(xué)，基本結(jié)構(gòu)就是基本概念、基本原理及基本態(tài)度和方法[1].布魯納指出，如果不去學(xué)習(xí)學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)會(huì)有3點(diǎn)弊?。?1)學(xué)生要從已學(xué)得的知識(shí)推廣到他后來將碰到的問題就非常困難；(2)限于缺乏掌握一般原理的學(xué)習(xí)，從激發(fā)智慧來說，不大有收獲；(3)獲得的知識(shí)，如果沒有完滿的結(jié)構(gòu)把它聯(lián)在一起，那多半會(huì)是一種被遺忘的知識(shí)[2].

就知識(shí)建構(gòu)具體過程，在布魯納看來，一個(gè)人理解和掌握新知識(shí)的方式依賴于他的信息分類和聯(lián)系的方式，這種方式構(gòu)成了一個(gè)人知識(shí)結(jié)構(gòu)的編碼方式.編碼過程就是把新知識(shí)合并到概括化的知識(shí)結(jié)構(gòu)中去的過程.編碼有兩種形式：一種是按照某種邏輯關(guān)系進(jìn)行編碼，另一種是歸納編碼.如果學(xué)生能夠較好地運(yùn)用這些編碼方式，學(xué)習(xí)效率則會(huì)有效提高[3].

從教學(xué)的角度看，教師不能逐個(gè)地教給學(xué)生每個(gè)事物遵循的規(guī)律，重要的是使學(xué)生理解掌握那些核心的基本概念、原理、態(tài)度和方法，抓住它們之間的聯(lián)系，并將其他知識(shí)與這些基本結(jié)構(gòu)邏輯聯(lián)系起來，形成一個(gè)有聯(lián)系的整體，構(gòu)成理解事物的最佳認(rèn)知結(jié)構(gòu).因此教學(xué)任務(wù)之一就是引導(dǎo)學(xué)生形成這種認(rèn)知結(jié)構(gòu).布魯納認(rèn)為，教學(xué)要考慮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的意向，即教學(xué)內(nèi)容要與學(xué)生的求知欲望相關(guān)聯(lián)，把所教的東西轉(zhuǎn)變成學(xué)生所求的東西，變被動(dòng)的教學(xué)過程為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程；同時(shí)教師要善于把所教的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成與學(xué)生的思想有關(guān)聯(lián)的知識(shí)，使學(xué)生既獲得知識(shí)，又掌握獲得知識(shí)的方法.

為了使學(xué)生能夠體會(huì)并順利進(jìn)入學(xué)習(xí)的編碼過程，教師必須使所安排的教學(xué)內(nèi)容達(dá)到最佳組織.這種對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織依據(jù)以下3條原則：一是表現(xiàn)方式的適應(yīng)性原則，學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)方式必須與學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)模式相適應(yīng)；二是表現(xiàn)方式的經(jīng)濟(jì)性原則，任何學(xué)科內(nèi)容都應(yīng)該按最經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行排列，在有利于學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)的前提下合理地簡(jiǎn)約；三是表現(xiàn)方式有效性原則，經(jīng)過簡(jiǎn)約的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)該有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移[4].

2基于建構(gòu)主義認(rèn)知理論的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

大學(xué)物理是本科生重要的基礎(chǔ)課程，內(nèi)容涉及力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子物理等經(jīng)典物理和近代物理的各個(gè)方面，涵蓋了自然科學(xué)最基礎(chǔ)的內(nèi)容，無論從知識(shí)上還是研究方法上，都為學(xué)生提供了重要的學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái).然而這門基礎(chǔ)課程的課程結(jié)構(gòu)相對(duì)較為龐大，要想有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率就須要按照建構(gòu)主義認(rèn)知理論對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì).按照上節(jié)所述教學(xué)內(nèi)容組織的3原則，具體設(shè)計(jì)體現(xiàn)如下：

(1) 適應(yīng)性原則.大學(xué)物理內(nèi)容多覆蓋廣，介紹學(xué)科知識(shí)要用由淺入深、由形象到抽象、由特殊到一般等方式呈現(xiàn)，與學(xué)生的認(rèn)知學(xué)習(xí)模式相適應(yīng).

力學(xué)部分研究對(duì)象有質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系，物理規(guī)律表達(dá)形式是統(tǒng)一的，首先解釋清楚公式內(nèi)涵，再通過舉例，將研究從簡(jiǎn)單熟悉的質(zhì)點(diǎn)問題帶入到復(fù)雜生疏的質(zhì)點(diǎn)系問題.物理是一門實(shí)證性的學(xué)科，將許多實(shí)驗(yàn)、視頻、動(dòng)畫等的演示納入課堂教學(xué)內(nèi)容，或由生活中熟悉的現(xiàn)象或話題作引言內(nèi)容，符合學(xué)生喜歡從實(shí)際切入的認(rèn)知學(xué)習(xí)模式.如用常平架實(shí)驗(yàn)儀演示角動(dòng)量守恒定律，進(jìn)而可拓展到機(jī)械陀螺儀的工作原理；用動(dòng)畫演示光波干涉和衍射的原理，進(jìn)而可解釋光柵光譜儀的工作原理；用思想實(shí)驗(yàn)演示相對(duì)論時(shí)空性質(zhì)，進(jìn)而解釋抽象的洛倫茲變換等.又如以肥皂膜在陽光下呈現(xiàn)出彩色條紋、照相機(jī)鏡頭在陽光下呈現(xiàn)紫色等話題，可以巧妙地帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入知識(shí)學(xué)習(xí)的思考環(huán)境，研究問題的物理原理和一般性表達(dá).

(2) 經(jīng)濟(jì)性原則.大學(xué)物理作為公共基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)數(shù)是有限的，要在課程中將物理學(xué)最核心的知識(shí)、方法反映出來，須在內(nèi)容的選擇和排列上作合理簡(jiǎn)約.

力學(xué)是學(xué)生們最為熟悉且已建立完整理論框架的部分，重點(diǎn)就可以選擇放在“力學(xué)定理微分和積分形式意義的說明”及“一般性問題處理的原則”上，順序上將平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)問題分開，將有關(guān)角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容安排在剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)前學(xué)習(xí)，以利于學(xué)生將對(duì)平動(dòng)規(guī)律的理解遷移到轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的理解.機(jī)械振動(dòng)內(nèi)容作為牛頓運(yùn)動(dòng)定律在線性恢復(fù)力作用下的應(yīng)用引入比較簡(jiǎn)約，而將干涉作為波疊加的特例引入、駐波作為干涉的特例引入，在機(jī)械波部分內(nèi)容的銜接上比較簡(jiǎn)約.熱力學(xué)的概念和定律總有宏觀解釋和微觀解釋，將熱力學(xué)第二定律一節(jié)設(shè)計(jì)為定律表述——微觀意義——微觀熵——宏觀熵的順序組織最為經(jīng)濟(jì)，相關(guān)知識(shí)銜接合理，方便學(xué)生理解熱力學(xué)第二定律和熵的內(nèi)涵，也方便拓展到能量的退化、時(shí)間的方向等與熵增有關(guān)的話題.

(3) 有效性原則.大學(xué)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，在課程中引導(dǎo)學(xué)生將各部分內(nèi)容與基本結(jié)構(gòu)邏輯地聯(lián)系起來，形成一個(gè)有聯(lián)系的整體，能夠提高知識(shí)學(xué)習(xí)的遷移效率.

量子物理基礎(chǔ)部分的內(nèi)容，是以一門新學(xué)問由概念顛覆到新理論建立的邏輯貫穿：從輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)提出“能量子”概念；由光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和康普頓散射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)證實(shí)光有“波粒二象性”；將“能量量子化”概念用于原子有核模型成功解釋氫原子光譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律，提出早期氫原子結(jié)構(gòu)理論；提出并證實(shí)普遍的微觀粒子波粒二象性關(guān)系；提出微觀過程的“不確定關(guān)系”；建立量子力學(xué)基礎(chǔ)理論.又如熱力學(xué)第一定律一章的內(nèi)容，是以理論到應(yīng)用的邏輯貫穿：熱力學(xué)過程中與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的基本概念準(zhǔn)靜態(tài)過程、功、熱量和內(nèi)能；熱力學(xué)過程中關(guān)于能量守恒的熱力學(xué)第一定律；等溫、等容、等壓、絕熱等基本熱力學(xué)過程中的能量轉(zhuǎn)換分析；循環(huán)過程中的能量轉(zhuǎn)換分析及熱機(jī)效率.再如相對(duì)論基礎(chǔ)中有關(guān)相對(duì)論時(shí)空性質(zhì)片段的內(nèi)容，是以理想實(shí)驗(yàn)到理論抽象的邏輯貫穿：首先從動(dòng)畫演示的愛因斯坦火車閃光思想實(shí)驗(yàn)提出“同時(shí)性的相對(duì)性”“時(shí)間度量的相對(duì)性”的概念，破除人們頭腦中時(shí)間的測(cè)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的經(jīng)典概念，再由理想實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)得出與時(shí)間、長(zhǎng)度測(cè)量有關(guān)的“動(dòng)鐘延緩”“動(dòng)尺收縮”的數(shù)學(xué)表達(dá)，建立相對(duì)論時(shí)空觀，從而正確理解洛倫茲變換式和解釋高能物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.大學(xué)物理課程內(nèi)容體系中每部分、每章、每節(jié)以致每個(gè)片段都具有一定邏輯性，交待這種邏輯性，對(duì)學(xué)生構(gòu)建理解事物的最佳認(rèn)知結(jié)構(gòu)極為有效.

3基于建構(gòu)主義認(rèn)知理論的大學(xué)物理教學(xué)過程設(shè)計(jì)

大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)對(duì)象是已經(jīng)具備了一些物理基礎(chǔ)知識(shí)的大學(xué)生，因此學(xué)習(xí)該課程的過程，就是把新知識(shí)合并到已概括的知識(shí)結(jié)構(gòu)中去的過程.按照人的信息分類和聯(lián)系的方式，合并新知有邏輯關(guān)系編碼和概括編碼兩種方式.下面舉例說明建構(gòu)主義認(rèn)知理論在課程的教學(xué)過程設(shè)計(jì)中的具體體現(xiàn).

就具體內(nèi)容而言，電磁學(xué)部分中靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)兩章內(nèi)容、感應(yīng)電場(chǎng)和位移電流兩節(jié)內(nèi)容、電容和電感兩個(gè)片段內(nèi)容，從研究問題的方法論上看都是一致的，從邏輯上進(jìn)行對(duì)比介紹，學(xué)習(xí)對(duì)象接受較快；能夠同樣處理的有力學(xué)部分中動(dòng)量與角動(dòng)量基本規(guī)律的內(nèi)容、理想模型下質(zhì)點(diǎn)的平動(dòng)與剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)容.波動(dòng)光學(xué)中多光束干涉和光衍射的分析，都是建立在同一模型基礎(chǔ)上，即頻率相同、振動(dòng)方向相同、振幅相等、相位依次相差一個(gè)固定值的多個(gè)振動(dòng)的疊加，研究問題的出發(fā)點(diǎn)相同，數(shù)學(xué)分析手段相同，只是因?yàn)橄辔徊罟潭ㄖ挡煌〗茣r(shí)有差別，故有干涉因子和衍射因子的不同，作這樣的比較性提示，更便于學(xué)習(xí)對(duì)象接受.另外，借水輪機(jī)利用水位落差中的機(jī)械勢(shì)能變化做功；類比熱機(jī)利用有溫差時(shí)分子內(nèi)能變化做功，用流線描述流速場(chǎng)中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，類比用場(chǎng)線描述電磁場(chǎng)中電磁性質(zhì)規(guī)律，以及“源”、“旋”等概念的運(yùn)用等，跨學(xué)科類比曾啟發(fā)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)新規(guī)律，也同樣啟發(fā)學(xué)生建立學(xué)科知識(shí)新結(jié)構(gòu).

概括是通過梳理內(nèi)容完成總結(jié)提煉.如力學(xué)中有關(guān)平動(dòng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的內(nèi)容，可概括為掌握兩點(diǎn)：一是牛頓第二定律，這是一個(gè)瞬時(shí)規(guī)律，反映了力與運(yùn)動(dòng)的基本關(guān)系，原則上可以依據(jù)初始條件解決各類問題，但有些問題處理過程比較繁瑣；二是牛頓第二定律的兩個(gè)演繹，分別是力對(duì)時(shí)間累積與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系以及力對(duì)位移累積與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即動(dòng)量定理和動(dòng)能定理，都分別有微分形式和積分形式，特別是在合外力為零和只有保守力做功的情況下，兩個(gè)定理繼續(xù)演繹為動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律.清楚這一理論結(jié)構(gòu)，處理問題時(shí)就能作出最合理簡(jiǎn)約的選擇.又如光衍射一章可歸納為掌握兩點(diǎn)：一是光衍射現(xiàn)象的物理原理，著重于根據(jù)干涉理論基本原理建立數(shù)學(xué)模型，具體有菲涅爾半波帶法、振幅矢量法等光強(qiáng)分析方法，從而對(duì)單縫、圓孔和光柵等系統(tǒng)的衍射現(xiàn)象作出理論解釋；二是科學(xué)原理的技術(shù)應(yīng)用，著重于有圓孔的光學(xué)儀器如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等，以及光柵的工作原理和分辨本領(lǐng)一類性能參數(shù)，從而知道選擇使用和評(píng)價(jià)光學(xué)儀器.再如熱力學(xué)第二定律中玻爾茲曼熵一節(jié)也可歸納為掌握兩點(diǎn)：一是熵的概念，從4個(gè)分子分布的理想實(shí)驗(yàn)中抽象出熱力學(xué)概率的定義即與宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)，用熱力學(xué)概率定義態(tài)函數(shù)玻爾茲曼熵，從而理解熱力學(xué)系統(tǒng)的任何狀態(tài)都有一個(gè)確定的熵值，熵可作為評(píng)價(jià)熱力學(xué)系統(tǒng)的參量；二是熵增加原理，即熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，從而理解對(duì)于一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，平衡態(tài)的熵值最大因此出現(xiàn)的概率最大，不可逆過程實(shí)質(zhì)是由于存在狀態(tài)上的差別，熱力學(xué)系統(tǒng)總是向熵增加的方向進(jìn)行且以壓倒優(yōu)勢(shì)的可能性向平衡態(tài)過渡，如絕熱自由膨脹.概括能幫助將“熵”這一概念的內(nèi)涵提煉出來.

4效果分析

教學(xué)最終目的是使教學(xué)內(nèi)容內(nèi)化為學(xué)生自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，由此學(xué)習(xí)者才能把所學(xué)過的知識(shí)在記憶中自由存取利用.調(diào)查顯示，基于建構(gòu)主義認(rèn)知理論設(shè)計(jì)和組織大學(xué)物理課程教學(xué)，學(xué)生們最明顯的收獲是，既可以對(duì)感興趣的知識(shí)片段作拓展研究，又便于從記憶清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)中存取利用，直接的效果是測(cè)評(píng)成績(jī)的提高和后期參與學(xué)科競(jìng)賽的人數(shù)增多.總結(jié)起來，基于建構(gòu)主義理論設(shè)計(jì)和組織大學(xué)物理教學(xué)有以下幾點(diǎn)好處：(1) 知道了學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)或它的邏輯組織，學(xué)生就能理解這門學(xué)科；(2) 掌握了基本概念和基本原理，學(xué)生就能把學(xué)習(xí)內(nèi)容遷移到其他情境中去；(3) 了解了教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯性，學(xué)生易于理解和記憶具體的知識(shí)細(xì)節(jié)；(4) 對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合適的陳述，學(xué)生易于從初級(jí)知識(shí)向高級(jí)知識(shí)過渡.

5結(jié)語

基于建構(gòu)主義認(rèn)知理論設(shè)計(jì)和組織教學(xué)，符合學(xué)生構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)的需要，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的智慧潛能，學(xué)習(xí)過程不僅能夠接受信息和組織信息，而且能夠超越一定的信息，獲得發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)和方法，即有所創(chuàng)造.就教師而言，教學(xué)過程是一種對(duì)知識(shí)進(jìn)行重新整理組織的再現(xiàn)過程，教師把所教知識(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成適合于學(xué)生建構(gòu)的形式也是一項(xiàng)創(chuàng)造性任務(wù).

參考文獻(xiàn)

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簡(jiǎn)訊

THE TEACHING DESIGN IN COLLEGE PHYSICS COURSE BASED ON THE CONSTRUCTIVISM THEORY

Cao HuiChen Jumei

(Department of Physics, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410073)

AbstractFirstly, the basic views and the teaching method of constructivism theory is introduced in this paper. Then based on these views, the design on teaching contents and teaching process in college physics course is introduced, and the effect in practice is analyzed. Conclusion of this paper is that the students' learning efficiency can be improved by these teaching design based on constructivism theory, which provides a reference for improving the quality and efficiency in college physics teaching.

Key wordsconstructivism theory; college physics; teaching design

作者簡(jiǎn)介:2015-07-23；修回日期: 2015-11-10 曹慧，女，高級(jí)工程師，主要從事物理基礎(chǔ)課程的教學(xué)和研究工作.2541306288@qq.com